Bibliographie & annexes
Présentation
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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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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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Conception
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4. Matériaux et fabrication
Les performances d'un boîtier sont intrinsèquement liées aux matériaux qui le composent : si l'on joint deux matériaux ayant des coefficients de dilatation très différents, la fiabilité de l'ensemble s'en voit dégradée. À l'inverse, il est impossible de choisir les matériaux sur le seul critère de leur coefficient de dilatation, puisqu'il faut également tenir compte des performances thermiques et électriques, ainsi que du prix. Il apparaît donc clairement que la conception d'un boîtier consiste à trouver le meilleur compromis, et que celui-ci est fortement dépendant de l'application visée.
Dans la suite de ce paragraphe, nous allons lister les différents éléments d'un module de puissance, en nous intéressant aux principaux matériaux utilisés. Cette étude est également valable pour les boîtiers discrets, même s'ils ne comprennent qu'un sous-ensemble de ces éléments (pas de substrat isolant, par exemple).
4.1 Puce
Dans l'immense majorité des cas, celle-ci est en silicium. Les composants de puissance en carbure de silicium commencent néanmoins à apparaître, et devraient se répandre dans les années à venir. Les tailles disponibles vont de 2 × 2 à 13,7 × 13,7 mm pour les MOSFET, IGBT et diodes destinés à une attache brasée. Dans le cas des boîtiers pressés (press-pack ), les puces (thyristor et diode) sont circulaires, avec des diamètres allant de moins d'un pouce (25,4 mm) à 4 pouces (100 mm environ).
La finition (notamment le choix des métallisations supérieure et inférieure) des puces va dépendre de leur technologie d'assemblage. Les faces brasées sont classiquement terminées par une couche d'argent de 1 à 2 μm qui donne une bonne mouillabilité de l'alliage de brasure. Pour les connexions par wirebond, qui sont le plus souvent des fils d'aluminium, les surfaces exposées sont en aluminium (allié à d'autres matériaux en faible quantité comme le silicium ou le cuivre), d'une épaisseur de 3 μm ou plus, afin de supporter le procédé d'assemblage par soudure ultrasonique.
En plus de ces métallisations, on trouve des passivations, destinées à renforcer la tenue diélectrique des puces. Ces dernières sont composées, entre autres, de couches organiques (type polyimide) qui sont relativement limitées en température (certaines, pourtant sensées autoriser des pointes jusqu'à...
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Matériaux et fabrication
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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1 Outils numériques
-
2 Événements
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3 Réglementation
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4 Annuaire
- 4.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
- 4.2 Organismes – Fédérations – Associations Documentation (liste non exhaustive)
- 4.3 Documentation - Formation – Séminaires (liste non exhaustive)
- 4.4 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
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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