Soutenance mémoire
Les puces semi-conductrices
Ce sont les éléments de base de l’onduleur et le cœur de la fonction commutation. On trouve des transistors IGBT ou MOS et des diodes de puissance (souvent PIN) montées en antiparallèle pour assurer la réversibilité en courant. Dans le cas des onduleurs, on dispose à minima un IGBT et une diode par interrupteur élémentaire. La gestion du calibre en courant est guidée par des phénomènes thermiques. Pour l’augmenter, on est souvent amené à disposer plusieurs puces en parallèle. L’avantage de cette solution est qu’elle permet de diminuer la puissance sur chaque puce et ainsi de limiter la montée en température. L’inconvénient est une augmentation de la surface du module dûe à la multiplication des puces, ce qui augmente aussi le coût du composant. Parallèlement au calibre en courant qui est physiquement limité par la thermique, les tensions appliquées ne peuvent pas dépasser le calibre prévu par le constructeur car cela entrainerait des phénomènes de claquage par avalanche. La conception des puces IGBT est faite avec le collecteur sur la face inférieur de la puce, l’émetteur et le pad de connexion de la grille étant sur la face supérieur,comme le montre la Figure 1. On peut noter que si sur le cas présenté la grille est située au centre de la puce, certains constructeurs la dispose dans un angle. Mettre le pad de grille au centre permet de mieux répartir la commande sur la puce (transmission de l’information sur toutes les cellules). L’avantage de le placer dans un angle est de ménager la brasure car la température y est moins importante. Cette configuration est retenue pour les puces de faibles surfaces (inférieur à 5*5 mm) pour des raisons géométriques liées à la surface nécessaire pour réaliser la soudure des fils de câblage.
Les brasures
On entend par brasage le procédé d’assemblage de deux matériaux à l’aide d’un alliage métallique dont la température de fusion est inférieure à celle des matériaux à assembler. Ce sont des couches à part entière du module car indispensables pour le rendre solidaire. Les brasures servant à joindre la puce au substrat assure également un rôle de contact électrique. Elles représentent une part cuivre isolant non négligeable de la résistance thermique à cause de leurs faibles conductivités thermiques. Pour limiter la montée en température il paraît intéressant de réaliser des brasures les plus fines possible. Cependant comme montré dans [LHOMMEAU2007], l’épaisseur de la brasure a un impact direct sur le phénomène de délaminage qui correspond à la propagation d’une fissure dans le matériau de brasage dû aux différences de coefficients d’expansion thermique sous l’effet des cyclages thermiques. La propagation de la fissuration dégrade la qualité du contact électrique qui peut même être rompu rendant donc le module inopérant. De même, la diminution de la surface d’échange thermique entraîne également une augmentation de la résistance thermique. On parle de fonctionnement dégradé. C’est un phénomène difficile à appréhender car il ne s’agit pas de défaut franc. La microscopie acoustique permet de visualiser l’évolution du délaminage comme l’illustre la Figure 5. [LHOMMEAU2007]. Les zones rouges sont des zones sans brasure, les zones brasées apparaissent en bleu ou gris en fonction de l’épaisseur de matériau déposé. On prend en compte comme critère de défaillance lié au phénomène de délaminage, une augmentation de la résistance thermique de l’assemblage égale ou supérieure à 20% de celle initialement mesurée. Cette augmentation peut conduire dans le cas de la Figure 5 à une surface supérieure à 30% de la surface totale brasée.
Le gel silicone
Les puces brasées sur le substrat sont ensuite encapsulées dans un gel silicone qui permet d’assurer la tenue diélectrique de l’ensemble, de procurer une protection des puces envers l’environnement et qui permet d’amortir les vibrations. Son choix est défini sur des critères électriques, chimiques et mécaniques. Une résine de protection de type parylène peut être déposée préalablement pour assurer une meilleure protection à l’humidité et à l’oxydation. Le gel déposé ne doit pas laisser de bulle d’air. L’air ayant une rigidité diélectrique (0.3 kV/mm) moins importante que le silicone (20 kV/mm), le risque d’apparition des décharges partielles augmente. Ce sont des fuites diélectriques crées par un fort champ sur une bulle d’air qui donc non résistante au champ. Les effets peuvent être dramatiques entrainant des dommages physiques et mécaniques qui peuvent mener à la destruction de la couche de gel rendant le module inopérant. La qualité du dépôt est donc toute aussi importante que la bonne définition du gel.
Simulation de tenue Diélectrique
A l’inverse de la CAO mécanique, c’est un des domaines de la physique où les simulations sont les plus rares, dans la mesure où les phénomènes sont essentiellement liés aux imperfections microscopiques, très difficiles à prendre en compte dans une modélisation géométrique macroscopique. Des essais d’obtention de champ électrique « moyen » à l’aide de solveurs électrostatiques classiques, tel que celui de Flux3D [CEDRAT], ont eu un certain succès [FREY2003]. On peut également rencontrer des applications de solveurs « Silicium » [SILVACO] pour investiguer les contraintes en champ électrique dans les substrats. En tout état de cause, le juge de paix reste systématiquement l’expérimentation (mesure de décharges partielles souvent), tant il est vrai que le comportement est très lié aux matériaux et aux process utilisés.
Simulation thermique
Le but est d’évaluer le champ de température en tout point du module (et en particulier sur les puces siliciums), les conditions aux limites étant bien définies. Dans le cadre des assemblages de puissance, le mode principal de transport de la chaleur est la conduction. Au niveau du module de puissance on peut négliger la convection et le rayonnement (hors application embarquée pour le spatial). Il faut en revanche prendre en compte la convection imposée par le refroidisseur comme une condition aux limites sur la face arrière du module. Comme précédemment on trouve toute une gamme de logiciels dédiés à ce type de simulation. On peut citer pour exemple le logiciel Flotherm de la société Flomerics [FLOMERICS] qui est conçu pour étudier tous les aspects thermiques d’équipement électronique avec la prise en compte des aspects fluidiques. Dans le cadre de cette thèse, les simulations thermiques ont été effectuées sur le logiciel Rebeca3D® (REliable Boundary Element Conductive Analyser for 3D application) développé par la société Epsilon Ingénierie [EPSILON]. La spécificité de ce logiciel est d’utiliser le principe des éléments de frontières pour résoudre l’équation du transfert de la chaleur. Il permet de modéliser des éléments fins comme les interfaces thermiques et réalise un bon compromis entre la précision et le temps de calcul. C’est un outil dédié à l’électronique qui modélise correctement des géométries à fort facteur d’échelle comme c’est le cas avec des épaisseurs très faibles en proportion de la largeur du substrat.
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Table des matières
Table des illustrations
Introduction générale
Chapitre 1 : Constitution d’un module de puissance
1 Introduction
2 De la puce au module
2.1 Les puces semi-conductrices
2.2 Le substrat
2.2.1 A propos de la métallisation
2.2.2 La tenue diélectrique
2.3 Les brasures
2.4 Le gel silicone
2.5 Le boitier
3 Assemblage en module
4 Les connexions
4.1 Connexion inter substrat
4.2 Connexion par wire bonding
4.3 Connexion par bump
4.4 Connexion brasure sur brasure
4.5 Les boitiers « presspack »
5 Les solutions de refroidissement
6 Conclusion
Chapitre 2: Les différentes physiques à aborder et les outils d’analyse associés
1 Introduction
2 Les outils de simulation disponibles
2.1 Simulation Mécanique
2.2 Simulation de tenue Diélectrique
2.3 Simulation inductive
2.4 Simulation capacitive
2.5 Simulation thermique
3 Les interactions
3.1 Interaction thermomécanique
3.1.1 Au niveau de l’empilement
3.1.2 Au niveau de la semelle
3.1.3 Au niveau de la brasure
3.2 Interaction inductif thermique
3.3 Interaction thermique – tenue diélectrique
3.4 Interaction inductif – tenue diélectrique
3.5 Interaction inductif mécanique
3.6 Interaction mécanique capacitive
4 Récapitulatif
5 Les plateformes de simulation
6 Approche retenue
Chapitre 3: Méthodologie d’optimisation des modules par placement routage
1 Introduction
2 Prototype retenu
3 L’outil d’optimisation cades
3.1 La suite logicielle
3.1.1 Le component generator
3.1.2 Le component calculator
3.1.3 Le component optimizer
3.1.4 L’optimizer post processor
3.2 Modèles à implanter
4 Modèles d’optimisation
4.1 Principe général
4.2 Modèle thermique
4.2.1 Résistance thermique unidimensionnelle
4.2.2 Modélisation d’un empilement par le concept de résistance thermique
4.2.3 Evaluation par le principe de matrice de résistance thermique
4.2.4 Notion d’électrothermie
4.2.5 Conclusion sur le modèle thermique
4.3 Modèles CEM
4.3.1 Le réseau stabilisateur d’impédance de ligne RSIL
4.3.2 Modélisation des sources de perturbations
4.3.3 Modèle de condensateur
4.3.4 Modèles des interconnexions du module
4.3.5 Modèle de busbarre
4.4 Modèle CEM électrique équivalent complet
4.4.1 Outil de résolution Gentiane Meige
4.4.2 Exploitation du modèle généré par Gentiane Meige
5 Recherche de géométrie optimale
5.1 Fonctions objectifs pour l’optimisation
5.2 Géométrie initiale
5.3 Optimisation sur critère thermique uniquement
5.3.1 Cas à 3 puces
5.3.1.1 Influence de l’électrothermie
5.3.2 Cas à 16 puces
5.3.3 Ajout des contraintes de routage
5.4 Optimisation sous double contrainte
5.5 Approche multi-objectifs
5.5.1 Définition des courbes de Pareto
5.5.2 Résultats pour le module étudié
5.5.3 Analyse des résultats
5.5.3.1 Fonctionnement dégradé
5.5.3.2 Meilleures géométries
6 Conclusion
Chapitre 4 : Filtrage CEM
1 Introduction
2 Principales méthodes de filtrage
2.1 Les émissions conduites: mode commun et mode différentiel
2.2 Filtrage par éléments passif
2.2.1 Filtre CEM conventionnel
2.2.2 Filtrage amont
2.2.3 Filtrage aval
2.3 Les solutions actives
2.3.1 Loi de commande pour minimiser la CEM
2.3.2 Insertion d’un bras supplémentaire
2.3.3 Filtrage actif
3 Solutions proposées
3.1 Busbarre filtrant
3.1.1 Nouvelle architecture de busbarre
3.1.2 Analyse de l’influence de la symétrie du filtrage
3.1.3 Modélisation capacitive des busbarres
3.1.4 Modélisation inductive
3.1.5 Résultat de simulation
3.1.6 Réalisation pratique
3.1.7 Relevés expérimentaux
3.1.8 Conclusion sur le busbarre filtrant
3.2 Réduction active du bruit
3.2.1 Base de l’étude
3.2.2 Principe de la réduction active de bruit
3.2.3 Evaluation en calcul
3.2.4 Mise en œuvre du bras supplémentaire
3.2.5 Évaluation en simulation
3.2.5.1 Évaluation du courant de mode commun
3.2.5.2 Influence d’un retard
3.2.6 Réalisation pratique
3.2.6.1 Convertisseur retenu
3.2.6.2 Condition d’expérimentation
3.2.7 Mesures
3.2.7.1 Analyse des courants de mode commun
3.2.7.2 Insertion d’une capacité additionnelle
4 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques
Annexes
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