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Semi-conducteurs de puissance - Problèmes thermiques (partie 2)

Article de référence | Réf : D3116 v1

Modules et boîtiers de puissance (packaging)

Auteur(s) : Cyril BUTTAY

Date de publication : 10 mai 2010

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Conditionnement des modules de puissance

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RÉSUMÉ

Les boîtiers de puissance sont des éléments essentiels des semi-conducteurs. Ils ont pour objectifs de dissiper la chaleur et d'assurer les connexions électriques de la puce. Cet article expose dans une première partie, les caractéristiques d'un boîtier de puissance. En fonction des grandeurs liées à la thermique, à l'électrique et de la fiabilité, on peut comparer les performances de différentes solutions de packaging. Les boîtiers existants sont ensuite présentés dans une deuxième partie. Ils sont ici regroupés en deux grandes familles : les boîtiers discrets (une seule puce) et les modules (plusieurs puces offrant une ou plusieurs fonctions élémentaires). Dans une troisième partie, le contenu du boîtier est détaillé à travers une analyse de chacun de ses composantes élémentaires avec en particulier un aperçu des problèmes rencontrés lors de la conception du packaging d'un composant. Enfin, les matériaux, les procédés utilisés et les raisons qui président à leur sélection, sont présentés, de même que les solutions actuellement à l'étude pour dépasser les limites de l'existant.

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ABSTRACT

Power packages are essential components of semi-conductors. They dissipate heat and ensure the electrical connections of the chip. This article starts by presenting the characteristics of a power packages. According to variables related to heat, electricity and reliability, the performances of the various packaging solutions can be compared. The available packages are then presented. They are classified in two families: single-chip packages and modules (several chips providing one or several elementary functions). In the third part of this article, the content of the package is detailed via an analysis of each of its elementary component and an overview of the problems encountered when designing the packaging of a component is notably provided. To conclude, the materials, processes used and the reasons for their selection are presented together with the solutions which are being studied in order to improve existing ones.

Auteur(s)

Cyril BUTTAY : Docteur en génie électrique, ingénieur INSA de Lyon - Chargé de recherche au CNRS

INTRODUCTION

Les composants de puissance à semi-conducteurs ont fait leur apparition il y a maintenant plus de 50 ans. Durant cette période, leur technologie a extraordinairement progressé, pour arriver à des niveaux proches dans certains cas des limites théoriques du matériau : les densités de puissance manipulées peuvent largement dépasser la centaine de watts par centimètre carré, et une puce d'à peine plus d'un centimètre de côté peut supporter des tensions de plusieurs kilovolts ou des courants de plus d'une centaine d'ampères.

Dans ces conditions, il apparaît que l'environnement rapproché de la puce de puissance (son boîtier, ou dans un sens plus générique, son packaging) joue un rôle primordial dans son fonctionnement. C'est en effet lui qui assure les connexions électriques de la puce et l'évacuation de la chaleur qu'elle dissipe. Avec les excellentes performances des semi-conducteurs de puissance actuels, il est courant que le boîtier constitue le principal facteur limitant du composant dans son ensemble.

Cela peut sembler surprenant au premier abord : pourquoi un élément totalement passif comme le boîtier, qui fait appel à des technologies a priori moins avancées que la microélectronique, n'a-t-il pas fait autant de progrès que les puces ? La réponse réside dans la multiplicité des fonctions du packaging. Ici, peut-être plus qu'ailleurs, le travail de conception consiste à trouver un compromis entre des impératifs souvent antinomiques : s'il est relativement aisé de concevoir un boîtier efficace d'un point de vue thermique ou électrique, ou encore de trouver une solution peu coûteuse, atteindre les trois objectifs à la fois relève de la quadrature du cercle !

Pour assurer ses différents rôles, un boîtier doit ainsi faire appel à une multitude d'éléments, de matériaux et de techniques divers. C'est ce que nous vous présentons dans ce dossier.

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - Indium Corp - Alloys sorted by temperature. - Liste d'alliages de brasure http://www.indium.com/products/alloy_sorted_by_temperature.pdf
(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 l'école normale supérieure de Cachan (2006) http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00091782/en/
(3) - SHENG (W.W.), COLINO (R.P.) - Power Electronic Modules – Design and Manufacture. - CRC Press, ISBN 0-8493-2260-X (en Anglais) (2005).
(4) - * - Données Wikipédia sur les matériaux 10 mars 2009.
(5) - ARNOULD (J.), MERLE (P.) - Dispositifs de l'électronique de puissance. - Éditions Hermès, vol. 1, ISBN 2-86601-306-9 (1992).
(6) - * - Semiconductor...

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1 Outils numériques

En plus des outils de simulation « circuit » en électronique de puissance, comme Saber (éditeur : Synopsys), la conception de modules de puissance nécessite des moyens de calcul mécano-thermiques. Parmi ces outils, citons Ansys (Ansoft) ou Comsol Multiphysics (Comsol), qui reposent tous deux sur la méthode des éléments finis.

Pour optimiser les performances électriques, il est intéressant de pouvoir calculer les éléments parasites du circuit, notamment les aspects inductifs et résistifs. Bien qu'il soit possible de résoudre ce genre de problèmes par éléments finis, d'autres techniques, plus rapides, semblent mieux adaptées. Citons notamment InCa3D (Cedrat), qui permet de générer un modèle équivalent du câblage qui peut être utilisé en simulation « circuit ».

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