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RÉSUMÉ
Les composants de puissance, du fait de leur principale rôle d'interrupteur, sont de forts dissipateurs de chaleur. Or il est important de maintenir ces composants à des températures compatibles avec leur bon fonctionnement. Cet article fait 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.
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Jean-Marie DORKEL : Docteur ès sciences - Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse - Chercheur au LAAS/CNRS de Toulouse
INTRODUCTION
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/cm 2 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.
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Évaluation de la température de jonction
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2. Environnement thermique des composants de puissance
Qu’il s’agisse d’un composant discret, d’un module ou d’un circuit intégré de puissance, le cœur du composant semi-conducteur de puissance est constitué par la puce de silicium qui a été élaborée dans le but de remplir une fonction interrupteur bien définie. Toutefois, un composant ne peut être opérationnel sans que la (ou les) puce(s) ne soi(en)t montée(s) de façon adéquate sur un substrat lui-même encapsulé dans un boîtier. Ce boîtier est ensuite monté dans un système qui va déterminer les conditions d’environnement thermique du composant. Pour la suite, nous désignerons cet environnement thermique par le terme de « radiateur ». C’est le comportement thermique de l’ensemble puce-boîtier-radiateur qu’il convient d’étudier lorsque l’on s’intéresse aux composants de puissance.
2.1 Substrats, boîtiers et radiateur
Depuis le milieu des années 1980, avec le développement des techniques d’intégration hybride, il est de plus en plus fréquent de rencontrer des composants de puissance montés sur des substrats isolants métallisés dont le rôle est multiple :
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ils permettent de fournir un support mécanique rigide présentant une bonne isolation électrique par rapport à l’environnement externe du composant de puissance ;
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ils permettent de réaliser facilement l’interconnexion électrique de composants multiples à la manière d’un circuit imprimé et en utilisant les techniques de gravure relatives à ces derniers ;
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ils ont aussi pour rôle d’assurer un transfert thermique convenable entre la puce qui engendre le flux de chaleur et le milieu environnant qui doit évacuer cette chaleur.
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Les substrats les plus couramment utilisés relèvent essentiellement des techniques suivantes.
La technique du DCB (Direct Copper Bonding) qui consiste à faire adhérer à haute température une feuille de cuivre de 0,3 mm d’épaisseur sur chacune des faces d’une plaquette d’alumine ou de nitrure d’aluminium dont l’épaisseur peut elle-même être comprise entre 0,4 et 0,7 mm. De tels substrats sont principalement utilisés pour réaliser des modules de puissance (modules de transistors MOS ou modules IGBT de puissance). Du fait de la forte différence existant entre...
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Environnement thermique des composants de puissance
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LETURCQ (Ph.) - Composants semi-conducteurs de puissance : caractères propres - . Techniques de l’Ingénieur D 3 100 Traité Génie électrique 09-1987.
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(2) - LECLERCQ (J.) - Électronique de puissance. Éléments de technologie - . Techniques de l’Ingénieur, Traité Génie électrique D 3 220. 12-1994.
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(3) - DEGIOVANNI (A.) - Transmission de l’énergie thermique. Conduction - . Techniques de l’Ingénieur BE 8 200. Traité Génie énergétique 04-1999.
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(4) - ÖZISIK (N.) - Heat conduction (Conduction de la chaleur) - . 692 p. 1993 Wiley 605 Third Avenue New York NY 10158-0012, 1993.
-
(5) - HUETZ (J.), PETIT (J.-P.) - Notions de transfert thermique par convection - . Techniques de l’Ingénieur A 1 540. Traité Génie énergétique 08-1990.
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