Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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Techniques d’interconnexion
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4. Semelles
La semelle se situe entre le substrat céramique métallisé et le dissipateur thermique (figure 1). Elle est reportée par brasure sur la métallisation inférieure du substrat puis assemblée ensuite sur le système de refroidissement. Elle assure le maintien mécanique de l’assemblage. Par ailleurs, elle doit avoir de bonnes propriétés mécaniques (un CTE proche des constituants de l’assemblage, une bonne rigidité et une faible masse...) et thermiques (une bonne conductivité thermique...). L’épaisseur typique d’une semelle est de quelques millimètres. Pour assurer un bon contact thermique entre la semelle et le dissipateur après l’étape de brasage, il est recommandé d’utiliser une semelle avec des surfaces bombée et plane respectivement en vis-à-vis du dissipateur et du substrat (figure 8) .
Les principaux matériaux utilisés pour la réalisation des semelles sont le cuivre qui est souvent employé dans les assemblages de module de puissance où le facteur économique est important, l’AlSiC (matrice d’aluminium renforcée de particules de carbure de silicium), le cuivre tungstène (CuW), le cuivre molybdène (CuMo) ou le kovar (Ni/Fe). Les propriétés physiques de ces différents matériaux sont présentées dans le tableau 3 . Elles sont comparées avec celles des principaux matériaux...
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Semelles
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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