Semi-conducteurs de puissance - Problèmes thermiques (partie 1)

Les articles D 3 100 à D 3 109 font une introduction à la physique des composants de puissance et décrivent les principes électriques et physiques mis à profit pour réaliser des composants discrets ou intégrés de puissance. Le rôle premier de ces composants de puissance est de servir d’interrupteur dans les circuits de conversion de l’énergie électrique, bloquant des tensions importantes et véhiculant des courants forts. Dans ces conditions, qu’il s’agisse de composants de puissance discrets, ou de composants de puissance intégrés sous une forme hybride ou monolithique, le propre de ces dispositifs est de dissiper sous forme de chaleur une certaine puissance électrique. Cette puissance électrique dissipée sous forme de chaleur, qui dans la plupart des cas est négligeable par rapport à la puissance électrique convertie, peut cependant être importante même lorsque les composants opèrent dans des conditions de fonctionnement parfaitement normales. Pour maintenir alors leur température de fonctionnement à une valeur suffisamment basse, permettant encore au composant de travailler de manière opérationnelle, il est nécessaire de procéder à une analyse appropriée du mécanisme d’évacuation de la chaleur dans le cristal, le boîtier et le dispositif de refroidissement qui lui est associé. Alors que le problème de la conception thermique de l’ensemble puce-boîtier-refroidisseur était déjà important pour les composants de puissance discrets, il gagne encore en importance lorsque l’on considère les circuits de puissance intégrés sous une forme hybride ou monolithique. En effet, pour ces derniers, la concentration de la puissance électrique dissipée sur une surface très restreinte fait que l’on atteint assez facilement la limite de 100 W/cm² au-delà de laquelle seuls des systèmes de refroidissement performants peuvent être envisagés. Le but du présent article est avant tout de faire le point sur les méthodes analytiques ou autres permettant d’aboutir à l’évaluation de la température de la zone active d’un composant électronique en fonctionnement. Dans un deuxième article , nous aborderons le problème de l’interactivité entre la puissance dissipée et la température en vue de discuter de la validité du concept de température de jonction et nous terminerons notre exposé par quelques considérations sur les problèmes induits de fatigue thermique et de fiabilité.