Bibliographie & annexes
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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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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.
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- Version archivée 1 de mai 2010 par Ludovic MÉNAGER, Bruno ALLARD, Vincent BLEY
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Fil de câblage
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5. Techniques d’interconnexion
5.1 Brasure
C’est une opération d’assemblage utilisée plusieurs fois lors de la fabrication d’un module de puissance. Elle est utilisée pour l’assemblage de la face arrière des puces sur le substrat et de celui-ci sur la semelle. Elle peut être aussi utilisée, dans certains cas, pour réaliser les connexions électriques sur la face supérieure des puces. En moyenne, l’épaisseur d’une brasure varie entre quelques dizaines et une centaine de micromètres.
Le brasage de deux éléments s’opère de la façon suivante :
-
dépôt de l’alliage de brasure par sérigraphie, dispense ou sous forme de préforme entre les deux éléments à assembler ;
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refusion de l’ensemble suivant le profil adapté à une température au moins égale à la température « liquidus » de l’alliage (température à laquelle l’alliage est totalement fondu) (figure 11) . Le contrôle du profil de refusion permet de limiter la formation d’intermétalliques qui fragilisent la brasure ;
-
refroidissement rapide jusqu’à la température ambiante.
Les propriétés recherchées au niveau de la brasure sont une bonne conductivité thermique, une faible résistivité électrique, une bonne tenue mécanique et un CTE proche des éléments assemblés.
En électronique, l’alliage le plus souvent utilisé pour la brasure est le composé étain/plomb, et plus particulièrement le 63Sn/37Pb dont la température de fusion est modérée (183 °C). Toutefois, l’alliage 63Sn/37Pb n’est pas adapté pour des applications haute température car sa température de refusion n’excède pas 130 °C. Par ailleurs ce composé a été placé sur la liste des matériaux nocifs donc dont l’usage disparaîtra à moyen terme.
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Techniques d’interconnexion
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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