Soutenance mémoire
MOSFET SIC
Le premier MOSFET SiC (1200V) a été commercialisé en 2011 par CREE. Depuis, plusieurs MOSFETs SiC ont été développés par plusieurs fabricants afin d’améliorer les calibres en tension, en courant, en température ainsi que la fiabilité : STMicroelectronics, ROHM Semiconductors, CREE Wolfspeed, SEI, Monolith, GE… A l’état actuel, les MOSFETs SiC de puissance commercialisés ont un calibre en tension de 650V à 1700V et un calibre en courant de 3,7A à 140A. La plage de température de fonctionnement de ces composants est généralement entre -55°C et 175°C, sauf l’exception de MOSFETs SiC de STM qui peuvent fonctionner jusqu’à 200°C (voir Figure 6). Comme il est difficile de synthétiser toutes ces évolutions, nous essayons ici de résumer et d’analyser les différentes caractéristiques du MOSFET SiC et de les illustrer avec des exemples de composants issus de différents fabricants. Afin d’avoir une vue quantitative sur les caractéristiques de MOSFETs SiC, quelques composants de chaque fabricant sont choisis. Les choix de composants restent délicats car il y a des centaines MOSFETs SiC déjà commercialisés.
Résistance à l’état passant
La résistance spécifique à l’état passant RON, SP (mΩ.cm2) pour une tension de claquage donnée constitue l’un des paramètres le plus important de ce composant. La résistance spécifique à l’état passant RON, SP est le produit de la résistance à l’état passant RON du MOSFET et de la superficie de la puce (die area). Comme une partie de la face avant de la puce est dédiée à la terminaison de grille, la région active est plus petite que la surface totale de la puce. Le rapport entre la région active et la surface totale de la puce varie selon les composants (avec les différents calibres en courant). En général, ce rapport est plus élevé pour les composants à courant plus fort [12]. Par exemple, la résistance à l’état passant des MOSFET SiC STM SCT50N120 mesurée est 46 mΩ (la valeur typique de RON indiquée dans la spécification est 52 mΩ). La surface totale de la puce (face arrière) est 3,8mm×3,8mm = 14,44 mm2 = 0,1444 cm2. Donc RON, SP = 46×0,1444 = 6,64 mΩ.cm2 . Nous pouvons aussi calculer la résistance à l’état passant spécifique RON, SP sachant que la superficie de la région active est 9,67mm2 . Donc RON, SP (active) = 4,45 mΩ.cm2 . On voit que les résistances spécifiques calculées par la surface totale de la puce et par la surface de la région active peuvent avoir 50% d’écart. Cependant, on n’a pas d’accès à la superficie de la région active des composants, la résistance spécifique a été calculée dans le Tableau 2 en multipliant la résistance à l’état passant par la surface totale de la puce [12]. Par ce procédé, la résistance spécifique a tendance à être surestimée. Le MOSFET SiC SEI a la résistance spécifique à l’état passant la plus petite qui est de l’ordre de 3,65 mΩ.cm2 . Le MOSFET de CREE Wolfspeed #2 C3M0010090D a aussi une résistance à l’état passant spécifique RON, SP inférieure à 4 mΩ.cm2 . Cependant, ces deux MOSFET ne sont pas encore commercialisés. Quant au MOSFET SiC STM, il a une résistance spécifique à l’état passant de l’ordre de 6,64 mΩ.cm2 qui est supérieure à celle du MOSFET ROHM SCT3080KL génération 3.
Puce
Les puces semi-conductrices sont les éléments actifs du cœur d’un module de puissance. Elles comprennent trois parties principales :
Une couche du matériau semi-conducteur, avec une épaisseur de l’ordre de 200µm à 300µm, qui peut être réalisée en Silicium ou en matériaux grands gaps (SiC, GaN). La structure du semiconducteur peut être verticale dans le cas de puces Si et SiC ou latérale dans le cas de puce de GaN. Les puces semi-conductrices de puissance haute tension à base de Silicium ne peuvent fonctionner qu’à une température maximale de 150°C (cette valeur dépend de la température) alors que les puces de puissance grands gaps haute tension peuvent fonctionner à une température plus élevée (bien au-delà de 200°). C’est pourquoi les composants grands gaps sont priorisés pour les applications à haute température.
Deux couches de métallisations (voir Figure 17) sur les deux faces de la puce. La métallisation supérieure puce dont l’épaisseur est de l’ordre de 1 à 10µm sert d’interface entre les terminaux semi-conducteurs et les fils de câblage. Cette métallisation est souvent constituée du même matériau que celui du fil de câblage ce qui permet d’assurer un bon contact. La métallisation inférieure puce avec une épaisseur de l’ordre de 1 à 2µm, sert au report de la puce sur le substrat.
Une couche de passivation qui recouvre la face supérieure de la puce afin de réduire les risques de décharges partielles et de courants de fuites entre deux électrodes de la face supérieure (grille et source). Les deux couches de métallisations et la couche de passivation sont très proches de la puce qui est la source de chaleur, ces couches doivent eux aussi supporter une température très élevée pendant le fonctionnement du module de puissance.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I. CONTEXTE INDUSTRIEL
I.1. INTRODUCTION
I.2. CARBURE DE SILICIUM (SIC)
I.3. MOSFET SIC
I.3.1. Résistance à l’état passant
I.3.2. Tension de seuil
I.3.3. Diode structurelle
I.4. PACKAGING DES MODULES DE PUISSANCE
I.4.1. Puce
I.4.2. Substrat
I.4.3. Brasure/frittage
I.4.4. Semelle
I.4.5. Interconnexions électriques
I.4.6. Terminaisons électriques
I.4.7. Encapsulation
I.4.8. Système de refroidissement
I.5. CONCLUSION
II. BANC DE MESURE D’IMPEDANCES THERMIQUES
II.1. INTRODUCTION
II.2. ETAT DE L’ART DES METHODES DE MESURES DE TEMPERATURE DE COMPOSANTS
II.2.1. Méthodes optiques
II.2.2. Méthodes par contact physique
II.2.3. Méthodes électriques
II.3. CONCEPTION ET REALISATION D’UN BANC
II.3.1. Système électrique
II.3.2. Système de refroidissement et capteurs
II.3.3. Pilotage et acquisition par LabVIEW
II.4. VALIDATION DU BANC DE MESURE
II.5. CONCLUSION
III. MESURES DES IMPEDANCES THERMIQUES
III.1. INTRODUCTION
III.2. EXTRACTION DES PARAMETRE THERMOSENSIBLES
III.3. CARACTERISATION DU MODULE DOUBLE FACE SI/SIC
III.3.1. Descriptions du module
III.3.2. Mise en place de la mesure
III.3.3. Impédance thermique auto-échauffement
III.4. PERTINENCE DE PARAMETRES THERMOSENSIBLES
III.4.1. Cas d’un module avec les MOSFETs SiC en parallèle
III.4.2. Cas d’un MOSFET SiC indépendant
III.4.3. Conclusion sur les paramètres thermosensibles
III.5. CARACTERISATION D’UN MODULE DE PUISSANCE SIMPLE FACE SIC
III.5.1. Descriptions du module
III.5.2. Mise en place de la mesure
III.5.3. Utilisation d’un banc de mesure commercial
III.5.4. Impédances thermiques d’auto-échauffement
III.5.5. Impédances thermiques mutuelles
III.6. CONCLUSION
IV. LOCALISATION DES DEFAUTS DANS LES MODULES
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. MODULE DOUBLE FACE
IV.2.1. Simulation thermique 3D
IV.2.2. Comparaison entre les mesures et la simulation
IV.2.3. Localisation des défauts
IV.2.4. Modélisation des défauts
IV.2.5. Validation du modèle de défauts
IV.3. MODULE SIMPLE FACE
IV.3.1. Simulation thermique 3D
IV.3.2. Comparaison entre les mesures et les simulations
IV.3.3. Localisation des défauts
IV.3.4. Modélisation des défauts
IV.3.5. Validation du modèle de défauts
IV.4. CONCLUSION
V. VERS LA MODELISATION ELECTRIQUE ET ELECTROTHERMIQUE
V.1. INTRODUCTION
V.2. ÉTAT DE L’ART DE LA MODELISATION ELECTRIQUE THERMOSENSIBLE
V.3. MODELE DU MOSFET SIC
V.3.1. Conduction directe
V.3.2. Conduction inverse
V.3.3. Diode structurelle
V.3.4. Caractéristiques dynamiques
V.4. EXTRACTION DES PARAMETRES DU MODELE
V.4.1. Caractéristiques statiques
V.4.2. Caractéristiques de transfert
V.4.3. Diode structurelle
V.4.4. Caractéristiques dynamiques
V.5. VALIDATION DU MODELE DU MOSFET SIC
V.6. MODELISATION ELECTROTHERMIQUE DU MODULE SIC
V.6.1. Spécifications de la modélisation électrothermique
V.6.2. Choix du modèle thermique compact
V.6.3. Modèle électrothermique du module
V.7. EXEMPLE D’EXPLOITATION DU MODELE PROPOSE
V.8. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
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