Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les modules de puissance sont une des parties élémentaires utilisées en électronique pour réaliser des circuits de conversion d'énergie, comme ceux d'un onduleur. Un module de puissance est constitué des éléments suivants : des puces semi-conductrices, un substrat céramique métallisé, une semelle, des brasures, des éléments de connexion internes, des terminaux électriques et un encapsulant. Ces constituants ont des propriétés électriques, thermiques et mécaniques différentes, susceptibles d'affecter les performances globales du module de puissance. Cet article dresse un état de l'art sur les diverses fonctions d'un module de puissance et présente les technologies actuelles pour les mettre en œuvre. Les aspects « densité de puissance élevée » et « fonctionnement haute température » - au-delà de 200 °C - sont plus particulièrement développés.
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Power modules are one of the fundamental parts used in electronics in order to produce energy conversion circuits, such as for instance those of an inverter. A power module is composed of the following elements: semiconductor chips, metallized ceramic substrates, baseplate, solders, internal connection elements, electrical terminals and encapsulant. These components have different electrical, thermal and mechanical properties, which may affect the global performances of the power module. This article present a state-of-the-art on the various functions of a power module and presents the current implementation technologies. The aspects of "high power density" and "high temperature functioning" - above 200°C - are more particularly developed.
Auteur(s)
-
Raphaël RIVA : Ingénieur de recherche IRT Saint Exupéry, Toulouse, France
INTRODUCTION
En électronique de puissance, les composants sont intégrés dans des boîtiers adaptés à chaque besoin. Un boîtier avec une seule puce électronique à l’intérieur est dénommé « composant discret » et un boîtier avec plusieurs puces, un « module ».
Ces modules de puissance sont une des parties élémentaires d’un convertisseur de puissance. Selon leur fabrication et leurs associations, ils remplissent de nombreuses fonctions électriques, telles qu’une cellule de commutation, un interrupteur bidirectionnel en courant, un onduleur ou un pont redresseur.
Un module de puissance est constitué de sept constituants élémentaires : des puces électroniques appelées « puces semi-conductrices », un substrat céramique métallisé, une semelle, des brasures, des éléments de connexion internes, des terminaux électriques et un encapsulant.
Dans de nombreux domaines tels que l’automobile et l’aéronautique, de nouveaux besoins nécessitent de développer des modules de puissance avec une densité de puissance plus élevée et capables de fonctionner au long court à haute température (supérieure à 200 °C).
En automobile, il faut réduire les coûts des systèmes électriques, ce qui oblige à les rapprocher des dispositifs mécaniques qu’ils contrôlent. Ainsi, certains systèmes doivent fonctionner à des températures ambiantes comprises entre – 40 et 160 °C.
En aéronautique, l’objectif est de réduire la complexité des câblages (hydrauliques) des avions commerciaux, ce qui nécessite de rapprocher les convertisseurs au plus près des actionneurs qu’ils commandent. De ce fait, certains dispositifs devront fonctionner avec une température ambiante variant entre – 55 et 225 °C.
Pour répondre à ces besoins, l’intégration planaire 2D des modules de puissance basée sur des reports de composants par brasure et des interconnexions via des fils de câblage est à revoir. Des améliorations sur le conditionnement (packaging) du module de puissance sont à apporter notamment grâce à l’utilisation de nouvelles technologies d’interconnexion 3D alternatives aux fils de câblage et de nouveaux matériaux pouvant supporter des contraintes thermiques élevées.
Dans cet article, les différents composants du module de puissance sont présentés en détail, avec leurs procédés de mise en œuvre, leurs performances et leurs limites. Des solutions technologiques pour l’augmentation de la densité de puissance dans les modules de puissance et la haute température sont notamment exposées.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
Power module | High temperature | Components | 3D Interconnection
VERSIONS
- Version archivée 1 de mai 2010 par Ludovic MÉNAGER, Bruno ALLARD, Vincent BLEY
DOI (Digital Object Identifier)
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Gestion thermique9. Technologies d’interconnexion 3D
Les recherches actuelles en électronique de puissance ont pour objectif d’augmenter la densité de puissance des modules de puissance. Pour ce faire, il faut créer des modules plus compacts, intégrer des composants grands gaps et optimiser les performances électriques, thermiques et mécaniques. Cette augmentation a donc des répercussions directes sur le packaging. Certaines technologies actuelles (telles que la technologie Wire Bonding), pourtant matures, ne permettent pas de remplir ces nouvelles conditions. Ses limites, évoquées plus haut dans cet article, sont bloquantes voire contradictoires avec une augmentation de la densité de puissance. Pour répondre à ces nouveaux besoins, il faut donc avoir recours à une intégration 3D sans fil de câblage (figure 24). L’utilisation de la troisième dimension permet d’améliorer les propriétés électriques (résistance électrique, inductances parasites) et thermiques (refroidissement double face).
Plusieurs types de solutions ont été développés :
-
contact brasé ;
-
contact pressé et par ressorts ;
-
contact par dépôt métallique ;
-
contact collé.
9.1 Contacts brasés
Cette solution est essentiellement développée par le CPES (Center for Power Electronics Systems) à Virginia Tech . Elle a pour principe d’attacher les deux faces des puces sur deux substrats par brasure. Les métallisations en aluminium des puces, sur lesquelles les contacts brasés sont réalisés, doivent être auparavant recouvertes d’une métallisation appelée UBM (Under Bump Metallization), car l’accroche de la brasure directement sur les métallisations en aluminium n’est pas possible. L’UBM se compose de trois couches :
-
la première couche (titane ou chrome) permet d’assurer l’adhérence de l’UBM sur la métallisation aluminium de la puce. Elle sert...
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Technologies d’interconnexion 3D
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MASSON (A.), SABBAH (W.), RIVA (R.), BUTTAY (C.), AZZOPARDI (S.), MOREL (H.), PLANSON (D.), MEURET (R.) - Die attach using silver sintering. Practical implementation and analysis. - European Journal of Electrical Engineering, vol. 16, n° 13-14, p. 293-305, août 2013.
-
(2) - MOUAWAD (B.) - Innovative power electronics assemblies using the « Spark Plasma Sintering » technique - (2013).
-
(3) - WONDRAK (W.) - Physical limits and lifetime limitations of semiconductor devices at high temperatures. - Microelectronics Reliability, vol. 39, n° 16, p. 1113-1120 (1999).
-
(4) - DUPONT (L.) - Contribution to study of lifetime duration of power assemblies in high temperature environments with a thermal cycling of great amplitude - (2006).
-
(5) - DIAHAM (S.) - Étude du comportement sous haute température de matériaux polyimides en vue de la passivation de composants de puissance à semi-conducteurs grand gap - (2007).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Brasure :
ESL Europe http://www.esleurope.co.uk
Indium Corporation http://www.indium.com
Inventec Performance Chemicals https://www.inventec.dehon.com/fr/
Colle conductrice :
Epoxy Technology Corporation http://www.epotek.com
Henkel https://www.henkel-adhesives.com/fr/fr.html
Substrat céramique métallisé :
Curamik Electronics Gmbh http://www.curamik.com
Kyocera Corporation http://www.kyocera.com
Mitsubishi Materials Corporation https://www.mitsubishicarbide.com/EU/fr/
Frittage :
Heraeus Group https://www.heraeus.com/en/group/home/home.html
Kyocera https://global.kyocera.com/
...
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