Packaging des modules de puissance

PACKAGING DES MODULES DE PUISSANCE

Les puces semi-conductrices sont encapsulées soit de façon individuelle (composants discrets) soit de façon regroupée dans un même boitier (modules de puissance). Tandis que les composants discrets offrent une flexibilité et une adaptabilité à des applications différentes, les modules de puissance sont indispensables pour les applications dont la densité de puissance est élevée. Les modules de puissance doivent assurer des fonctions importantes comme la tenue mécanique des éléments, des interconnexions électriques, l’isolation électrique et la gestion thermique. Aujourd’hui, les défis principaux sont :
➤ Augmenter la densité de puissance volumique et la densité de puissance massique.
➤ Augmenter la température de fonctionnement.
➤ Augmenter la fréquence de fonctionnement.
➤ Diminuer les pertes et diminuer les coûts.

Selon l’application, les niveaux de puissance de ces modules peuvent varier considérablement de quelques kW à quelques MW. Par exemple, un convertisseur de puissance d’une voiture légère hybride peut avoir une puissance de 4 kW tandis qu’un convertisseur principal d’une voiture électrique peut avoir une puissance de 180 kW .

Un autre défi est d’augmenter la température de fonctionnement de modules de puissance. Les matériaux SiC avec des caractéristiques intrinsèques supérieures permettent de construire les composants de puissance qui fonctionnent sous des conditions extrêmes et améliorent les performances. Pourtant, malgré leurs caractéristiques intrinsèques supérieures, les composants de puissance à base de SiC sont limités dans leurs fonctionnements par les éléments auxiliaires (boitier, systèmes de commande de grille) qui ne sont pas encore développés pour s’adapter aux applications à conditions extrêmes. Dans la partie suivante, les différents constituants d’un module de puissance sont présentés avec leurs avancements technologiques pour répondre à des défis discutés précédemment.

La puce semi-conductrice (MOSFET, IGBT, diode, …) est l’élément essentiel du module qui joue le rôle de conversion de puissance. Elle est constituée de matériaux semi-conducteurs avec les deux métallisations des faces supérieure et inférieure. Ces puces sont déposées à l’aide d’une brasure ou d’un frittage sur un substrat qui contient souvent une couche isolante et deux couches conductrices. La couche conductrice supérieure en métal (en général du cuivre) du substrat sert à fournir des interconnexions électriques entre les puces et les terminaux du module. La couche isolante (en céramique : Al2O3, AlN, Si3N4, BeO…) sépare électriquement les puces des autres parties métalliques comme la semelle. La brasure/frittage (SnPb, SnAgCu…) sert comme un lien mécanique, électrique et thermique entre les puces et le substrat. La couche inférieure de métal du substrat est ensuite liée à une semelle métallique par une brasure. La face supérieure des puces est connectée aux terminaux du module à travers des fils de câblage (fils de bondings). L’encapsulation (gel, résine…) a l’objectif de protéger la puce de l’environnement (humidité, poussière…), de gérer les aspects thermomécaniques et d’augmenter la tenue diélectrique autour de la puce. Enfin, l’ensemble de ces éléments est intégré dans un boitier plastique pour éviter les chocs mécaniques et faciliter le montage du module.

Un tel module de puissance doit assurer son fonctionnement sous différentes conditions et satisfaire des différents critères : compacité, fonctionnement à fréquence élevée, à température élevée et à tension élevée. Depuis quelques années, les éléments du packaging de modules de puissance évoluent technologiquement afin de répondre aux nouveaux besoins applicatifs.

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 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.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela chatpfe.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

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