Conditionnement des modules de puissance : Dossier complet

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RÉSUMÉ

Les modules de puissance sont régulièrement utilisés en électronique pour réaliser des circuits de conversion d'énergie, comme par exemple ceux d'un onduleur. Un module de puissance est constitué des éléments suivants : puces semi-conductrices, substrats céramiques métallisés, semelle, brasures, connexions électriques, encapsulant et boîtier. 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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ABSTRACT

Power modules are commonly 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, soleplate, brazing, electric connections, encapsulant and case. These components have different electrical, thermal and mechanical properties which can impact the global performances of the power module. This article present the state-of-the-art functions of a power module and the current implementation techniques. The aspects of "high power density" and "high temperature functioning" (above 200°C) are more particularly developed.

Auteur(s)

Ludovic MÉNAGER : Docteur en Génie électrique de l'Institut national des sciences appliquées de Lyon
Bruno ALLARD : Professeur des universités à l'Institut national des sciences appliquées de Lyon - Chercheur à AMPERE / CNRS de Lyon
Vincent BLEY : Maître de conférences à l'université Paul Sabatier de Toulouse - Chercheur au LAPLACE / CNRS de Toulouse

INTRODUCTION

Les modules de puissance sont très répandus dans les convertisseurs de puissance. Plusieurs fonctions électriques, telles qu'une cellule de commutation, un interrupteur bidirectionnel en courant, un onduleur ou un pont redresseur, sont assurées par les modules de puissance disponibles dans le commerce.

Un module de puissance est constitué de puces semi-conductrices qui sont brasées sur un substrat céramique métallisé. Ce dernier intègre les pistes conductrices et assure une isolation électrique entre les puces et le support sur lequel le module de puissance est fixé. Le substrat céramique est ensuite fixé sur une semelle qui assure le maintien mécanique de l'assemblage et le transfert thermique vers la source froide. Les connexions électriques à l'intérieur du module de puissance sont assurées par des fils de liaison, ou bonding. Enfin, l'assemblage est mis en boîtier et encapsulé grâce à un gel silicone pour protéger les constituants du module de puissance des agressions externes. Pour maintenir la température de jonction des composants en dessous d'une valeur critique pendant le cycle de fonctionnement, le module de puissance est fixé sur un système de refroidissement en utilisant généralement une pâte thermique.

Depuis le début des années 2000, dans de nombreux domaines tels que le ferroviaire et l'avionique, un intérêt considérable est porté sur le développement de modules de puissance avec une densité de puissance élevée et fonctionnant à haute température (supérieure à 200 °C). Pour répondre à ce besoin, des améliorations sur le conditionnement (packaging) du module de puissance sont à apporter notamment grâce à l'utilisation de nouvelles technologies d'interconnexion alternatives aux fils de liaison (bonding) et de nouveaux matériaux pouvant supporter des contraintes thermiques élevées.

Dans cet article, les différents constituants d'un module de puissance (puces semi-conductrices, substrats céramiques métallisés, semelles, brasures, joints de poudre d'argent frittée à basse température, connexions électriques, encapsulant et systèmes de refroidissement) 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 avancées.

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VERSIONS

Il existe des versions antérieures de cet article :

Version courante de déc. 2020 par Raphaël RIVA

PERMALIEN

https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/archives-th12/archives-electronique-tiaea/archive-1/conditionnement-des-modules-de-puissance-e3385/

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BIBLIOGRAPHIE

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(2) - DUPONT (L.) - Contribution à l'étude de la durée de vie des assemblages de puissance dans des environnements haute température et avec des cycles thermiques de grande amplitude. - Thèse de doctorat de l'École Normale Supérieure de Cachan, 192 p., Juin 2006.
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(4) - BERGOGNE (D.) et al - Towards an airbone high temperature SiC inverter. - IEEE Power Electronics Specialists Conference, p. 3178-3183, Juillet 2008.
(5) - McCLUSKEY (P.), DAS (D.) et JORDAN (J.) - Packaging of power electronics for high temperature applications. - ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

Caloducs.
Semi-conducteurs de puissance : Problèmes thermiques (partie 1).
Composants semi-conducteurs de puissance : Caractères propres.
Définition d'un dissipateur thermique en milieu industriel.

1 Réglementation

Directive européenne RoHS. [ http://www.rohs.fr.]

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2 Annuaire

Brasure :

ESL EUROPE. http://www.esleurope.co.uk.

INDIUM CORPORATION. http://www.indium.com.

Colle conductrice :

EPOXY TECHNOLOGY CORPORATION. http://www.epotek.com.

Substrat céramique métallisé :

CURAMIK ELECTRONICS GMBH. http://www.curamik.com.

KYOCERA CORPORATION. http://www.kyocera.com.

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