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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10.1 Origine de la chaleur et mécanismes de transfert de chaleur
Lors du fonctionnement d’un module de puissance, les puces semi-conductrices dissipent une certaine puissance électrique (pertes par conduction et commutation) sous forme de chaleur. Cette chaleur se déplace vers le corps le plus froid grâce à deux mécanismes de transfert essentiellement, qui sont la conduction et la convection. Par ailleurs, pour favoriser l’épanouissement du flux de chaleur, les matériaux situés sous les puces doivent avoir une très forte conductivité thermique latérale.
La conduction consiste à transmettre la chaleur par contact direct entre deux éléments ou par propagation à l’intérieur d’un même matériau. Un flux thermique traversant une paroi constituée d’un seul matériau de conductivité thermique λ, d’épaisseur e et de surface S, est défini à partir de la loi de Fourier :
( 1 )
avec :
ϕcond
:
flux thermique transmis par conduction (W),
λ
:
conductivité thermique du matériau (W · m–1 · K–1),
e
:
épaisseur de la paroi (m),
S
:
surface de la paroi (m2),
Δθ
:
différence de température entre les deux faces de la paroi (K).
Une expression de l’échauffement d’une paroi par conduction est déduite de la relation (1) :
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(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).
Bibliographie & annexes
English
Conclusion
