Convertisseurs d’électronique de puissance intégrés dans un circuit imprimé PCB

Essais de cyclage thermique passif

             Le cyclage thermique passif reproduit principalement l’évolution de la température de l’environnement et des conditions climatiques. Il consiste à stresser l’ensemble du module de puissance par la variation de la température ambiante et ainsi entraîner une fatigue globale sur ce dernier. Il est basé sur l’application d’une variation de température répétitive ΔT à faible fréquence. Le choix de la plage de variation de température dépend du domaine d’application ; par exemple entre – 40°C et 120°C pour l’automobile [7], voir entre – 55°C et 200°C pour l’aéronautique (au plus proche des réacteurs), [12]. Cette variation de température génère des contraintes thermomécaniques dans l’assemblage, causées principalement par la différence des coefficients de dilatations thermiques CTE des différents matériaux du module (puce, substrat, connectiques…). Ces contraintes permettent de faire apparaître des modes de défaillances, principalement au niveau de la brasure entre le substrat et la semelle avec l’apparition de fissures à l’interface qui se propagent provoquant un délaminage important de la brasure mais aussi des fractures dans le substrat isolant lui-même [13]. Le cyclage thermique passif est élaboré dans des enceintes climatiques. Ces dernières sont configurées en fonction du profil thermique que l’on souhaite appliquer aux véhicules de test (température maximale et minimale, pente de variation de température, durée du palier aux températures extrêmes), voir la Figure 1.4. Les phénomènes de fluage dans les brasures sont accélérés par la pente de variation de la température ainsi que la durée du palier, [14]

Module de puissance utilisant une couche d’adaptation « Invar »

                 Dans [24] une nouvelle technologie a été présentée par Sumitomo Electric Industries et AIST Japan pour des connexions à base de fils de cuivre. Elle consiste à ajouter une couche d’adaptation des coefficients de dilatation thermique CTE entre le composant actif et les fils de Bonding, voir la Figure 1.11. Cette couche d’épaisseur 100 µm est composée d’un matériau appelé « Invar », un alliage Fe-Ni, dont le CTE est proche de celui de la puce (Si ou SiC). L’Invar est placé sur la face avant de la puce via un joint de cuivre fritté. Puis, une couche de cuivre est déposée au-dessus de ce matériau. Les fils de bonding en cuivre sont ensuite connectés sur cette couche, voir la Figure 1.11. En ce qui concerne le contact de la face arrière, un joint de cuivre fritté est utilisé entre la puce et le substrat DBC. Des essais de caractérisation électrique, thermique et d’analyse de vieillissement ont été menés sur des échantillons composés d’un module en demi-pont (150 A 1,2 kV) utilisant des diodes Schottky SiC. Selon les auteurs, la résistance thermique transitoire mesurée est réduite de plus de 10%. Cela est dû au fait que la zone (surface) de contact avec la face avant de la puce a été élargie grâce à la couche d’adaptation CTE, [24]. Les essais de cyclage thermique actif ont montré que ces modules pouvaient fonctionner à une température allant jusqu’à 200°C. La durée de vie a été considérablement améliorée. Le nombre de cycles atteint est de 334 000 cycles sous un Tjmax de 200 °C et un ΔTj de 135 °C contre un nombre de seulement 3200 cycles pour un module classique similaire (Al bonding et brasure), [24].

Intégration PCB avec prise de contact sur face avant par des vias en cuivre électro-déposés

           Infineon6 et le Fraunhofer IZM7 ont publié dans [36] et [37] une nouvelle technologie d’intégration PCB. Elle est basée sur le brasage/frittage de la face arrière du composant actif sur un leadframe en cuivre. Le contact de la face avant est obtenu à travers de l’électrodéposition de cuivre. Le procédé d’intégration est présenté dans la Figure 1.21. Les étapes de réalisation sont décrites ci-dessous :
➢ Brasage/frittage de la face arrière de la puce sur un lead frame en Cuivre.
➢ Rendre les surfaces de cuivre rugueuses afin d’assurer une adhésion avec la résine époxy (copper roughening-oxydation).
➢ Inspection et mesure de l’emplacement exact des puces, à travers l’utilisation du LDI (laser direct imaging).
➢ Empilement des différentes couches (Prepreg, couche de cuivre…).
➢ Lamination des différentes couches.
➢ Elaboration de micro-vias dans la résine (à travers un perçage laser).
➢ Electrodéposition du cuivre pour la réalisation des vias en cuivre.
La métallisation de la face avant (grille / source) des puces est composée d’aluminium, elle nécessite donc une couche de revêtement. À titre d’exemple, dans [27] un dépôt par pulvérisation cathodique composée de Chrome /Cuivre a été réalisé sur la face avant de la puce, avec une épaisseur de 5 nm / 8 µm respectivement. Dans [38] la métallisation de la face avant a été revêtue avec du Nickel / Or, à l’aide d’un dépôt chimique (Electroless plating). Des épaisseurs de 1 µm de Nickel et de 0,1 µm d’Or ont été déposées. Le lead-frame en cuivre est utilisé comme support mécanique pour les semi conducteurs. Il permet également d’améliorer la diffusion du flux thermique et d’assurer une meilleure distribution du potentiel électrique au niveau de la face inférieure de la puce. En se basant sur cette technologie, un module appelé (p 2 Pack) a été présenté dans [27]. C’est un onduleur triphasé composé de 6 IGBT et 6 diodes (1.2 kV, 25 A), voir la Figure 1.22. Un essai de cyclage thermique passif a été mené sur un module p2 Pack (- 40°C à 150°C). Les analyses par microscopie acoustique n’ont révélé aucune délamination après 200 cycles. Cependant, le nombre de cycles subi reste très faible et ne permet pas de conclure sur la fiabilité de cette technologie. Un essai de cyclage thermique actif a également été mené. Les résultats obtenus ont montré que pour les mêmes conditions d’essai (même refroidissement, même courant injecté) le module p2 Pack résiste plus longtemps comparativement à un module classique. Des essais de cyclage thermique actif ont également été menés sur le module p2 Pack. Initialement, les composants ont été soumis à une variation de température ΔTj de 45°C. Pour ce faire, un courant en créneau d’un rapport cyclique ½ évoluant à une fréquence de 0,5 Hz a été injecté. Le critère de défaillance choisi est l’augmentation de VCE d’une valeur de 10 % par rapport à la valeur initiale. Les résultats n’ont montré aucune défaillance jusqu’à 106 cycles. Le nombre de cycles avant l’apparition d’une défaillance avec cette configuration est supérieur à celui du module classique. Des simulations numériques ont montré que pour le module p2 Pack, la résistance thermique Rth (junction-cooler) est comprise entre 0,50 °C.W-1 et 0,61 °C.W-1 , et cela malgré l’isolation électrique assurée par l’époxy. Elle a été réduite d’un facteur de 30 à 44 % par rapport au module classique (fils de bonding/substrat DBC). La rigidité diélectrique de l’assemblage a été évaluée à 41 – 50 kVrms.mm-1. Infineon Technologies et Schweizer Electronic ont commencé à commercialiser ce type d’assemblage sous le nom (p2 Pack).

Les mousses métalliques

                Les mousses métalliques sont des matériaux cellulaires légers composés d’un métal solide (nickel, cuivre…) contenant une grande fraction volumique de pores remplis d’une phase gazeuse (un fluide comme l’air par exemple). La caractéristique déterminante d’une mousse métallique est sa porosité élevée (comprise entre 75% et 95%). Les propriétés de la mousse métallique dépendent de plusieurs paramètres à savoir : du métal utilisé, de sa masse volumique (le rapport entre la masse de la mousse et le volume qu’elle occupe), de sa topologie et de la taille des pores [47]. Plusieurs catégories de mousses métalliques existent. Elles sont classées selon la géométrie des pores (cellules), plus précisément selon la continuité de la phase gazeuse. Chaque catégorie de mousse est fabriquée avec une procédure bien définie déterminant sa géométrie. La Figure 2.1 illustre quelques modèles de mousses métalliques. La spécificité de chaque mousse est présentée ci-dessous :
➢ Les mousses à pores ouverts (Figure 2.1-a) présentent la spécificité d’avoir des pores qui sont connectés entre eux. Les phases gazeuse et solide sont alors continues.
➢ Les mousses à pores semi-ouverts (Figure 2.1-b) possèdent des pores qui communiquent entre eux à travers des fenêtres dont les dimensions sont plus faibles que les pores.
➢ Les mousses à pores fermés (Figure 2.1-c) sont constituées de pores de gaz séparés les unes des autres par des films métalliques [48].
Les mousses métalliques sont utilisées dans diverses applications. À titre d’exemple, elles peuvent être utilisées en tant que pièces de déformations pour limiter l’impact de crashs (ex. absorbeur de choc dans un véhicule ou sur un Wagon), de par la quantité d’énergie qu’elles peuvent absorber durant leurs compressions [49]. Elles sont également utilisées comme échangeurs thermiques, pour les structures à pores ouverts, qui offrent une surface de transfert de chaleur très élevée, la diffusion de la chaleur vers les fluides dans des milieux poreux étant ainsi facilitée [50] et [51]. D’autres applications peuvent être citées, telles que l’isolation phonique, l’utilisation pour implantologie en domaine médical (principalement les mousses à base de titane ou de tantale), l’utilisation pour des applications dans les piles à combustibles (fabrication de dihydrogène) et en chimie comme support catalytique dans les moteurs thermiques ou l’industrie chimique [49]. L’utilisation de mousses à pores ouverts semble être un bon candidat pour l’intégration PCB. En effet, elles facilitent l’imprégnation des matériaux fluides à l’intérieur de la mousse. De plus cette topologie de mousse présente une forte porosité et une rigidité spécifique élevée. Ainsi, son pressage est facilité, du fait qu’elle possède une raideur élevée. Les prototypes réalisés dans cette thèse sont basés sur l’utilisation de mousses métalliques à pores ouverts, commercialisées par RECEMAT BV. Deux types de mousses sont utilisées, la mousse en nickel (réf. Ni4753) et la mousse en cuivre (ref. Cu-4753). Ces mousses sont disponibles sous forme de plaques dont l’épaisseur est comprise entre 1,3 mm et 1,4 mm. Leurs caractéristiques physiques sont présentées dans le Tableau 2-1. Les valeurs de densités surfaciques lues dans les datasheets peuvent différer de celles données dans le Tableau 2-1. En effet, le fabricant présente, dans sa documentation, uniquement les propriétés des produits standards (Exemple du tableau : Mousse Nickel et Mousse cuivre #1). En réalité, pour une référence donnée, plusieurs mousses métalliques avec différentes densités surfaciques sont commercialisées. À titre d’exemple : la mousse (Mousse cuivre #2) possède la même structure d’origine que celle de la (Mousse cuivre #1) d’où la désignation identique 4753. Cependant, elle possède une épaisseur initiale supérieure à (>1,3 mm), mais comprimées à la même épaisseur finale pour la commercialisation (jusqu’à 1,3 mm). Ainsi, seule la densité moyenne et la porosité moyenne varient entre deux mousses de même référence. Un avantage supplémentaire de ces mousses est la facilité de découpe. En effet, une lame de cutter suffit pour façonner la géométrie souhaitée.

Modèle avec deux bords séparés (Modele#1)

                   Avec cette méthode, le bord est constitué de deux parties appelées Top edge et Bottom edge, (voir la Figure 2.8-a). Le Top edge est placé sur le Top PCB et le Bottom edge est placé sur le Bottom PCB. Pour la mise en œuvre de ces deux bords, deux gabarits en impression 3D ont été réalisés (Top gabarit et Bottom gabarit), de la résine époxy y sera coulée dans ces derniers à travers des vias. La conception du Top gabarit dépend des dimensions de la mousse supérieure, du fait qu’elle sera placée à l’intérieur du bord. Par conséquent, l’épaisseur du gabarit représente l’épaisseur finale de la mousse après pressage (dans notre cas, la mousse sera d’une épaisseur voisine de 300-350 µm après pressage). Quant au Bottom gabarit, il est dimensionné de façon à englober la mousse inférieure et le composant actif (l’épaisseur finale de la mousse plus l’épaisseur du composant actif). Les deux gabarits, décrits ci-dessus, sont dessinés sous le logiciel Solidworks. Ils sont ensuite réalisés par impression 3D, au FabLab de l’Université Paris Saclay. Le procédé d’impression utilisé est le SLA (stéréolithographie) : une méthode additive qui consiste à réaliser des couches successives de polymères (résine liquide). Cette dernière se polymérise par l’application d’une lumière UV, les résultats de l’impression 3D sont décrits à la Figure 2.9-a et Figure 2.9-b. Un agent de démoulage est pulvérisé à la surface du gabarit, dans le but de faciliter le retrait de la résine époxy après sa polymérisation (voir la Figure 2.9-c). Le moule est alors vissé sur la couche de PCB (voir la Figure 2.9-e). À l’aide des trous (qui se trouvent au niveau de la face supérieure du moule) une résine époxy est injectée à l’intérieur via une seringue (voir la Figure 2.9-f). La résine utilisée est EPOX-EEZTM (Pre-measured Kits – COTRONICS), elle se polymérise en quelques heures à température ambiante. Après durcissement de la résine, le gabarit est ensuite retiré et les bords restent collés sur les PCBs (voir la Figure 2.9-g).

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
1 CHAPITRE. 1 ETAT DE L’ART
1 INTRODUCTION
2 MODULES DE PUISSANCE CLASSIQUES – INTERCONNEXION PAR FILS DE BONDING
2.1 Architecture des modules classiques
2.2 Modules classiques et fiabilité
2.3 Evolution des modules classiques vis-à-vis de la fiabilité
2.4 Conclusion et discussion sur les modules de puissance classiques
3 VERS UNE NOUVELLE TECHNOLOGIE DE MODULES DE PUISSANCE
3.1 Technologies sans fils de bonding
3.2 Intégration PCB avec matériaux d’interconnexion classiques
3.3 Intégration PCB avec de nouveaux matériaux d’interconnexion
4 CONCLUSION
2 CHAPITRE 2 TECHNOLOGIE D’INTEGRATION DE COMPOSANTS ACTIFS AU CŒUR DU PCB PAR MOUSSE METALLIQUE
1 INTRODUCTION
2 CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX UTILISES DANS LES ASSEMBLAGES PROPOSES
2.1 Les mousses métalliques
2.2 Le substrat PCB
2.3 Couches de Prepreg
2.4 Composants actifs
3 PROCEDES D’INTEGRATION PROPOSES
3.1 Procédé d’intégration avec imprégnation de la résine dans la mousse (PCB#1)
3.2 Procédé d’intégration sans imprégnation de la résine dans la mousse (PCB#2)
4 CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX ET DE L’ASSEMBLAGE PCB#1
4.1 Techniques d’observations par rayons X (analyse tomographique)
4.2 Caractérisation thermique
4.3 Caractérisation mécanique
4.4 Caractérisation électrique
5 D’AUTRES ALTERNATIVES A LA MOUSSE METALLIQUE ?
6 CONCLUSION
CHAPITRE 3 CYCLAGE THERMIQUE PASSIF
1 INTRODUCTION
2 METHODOLOGIE DE VIEILLISSEMENT
2.1 Définition des profils thermiques
2.2 Critères de défaillances
2.3 Équipements de test utilisés
2.4 Équipements d’analyse et de suivi des défaillances
3 EXPERIMENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS
3.1 Définition des assemblages utilisés durant cette étude
3.2 Essais menés et analyse des résultats
4 SIMULATION NUMERIQUE – MODELE 2D
4.1 Simulation des contraintes thermomécaniques dans l’assemblages PCB
4.2 Optimisation de l’assemblage : effet de l’épaisseur de la mousse sur les contraintes thermomécaniques
5 CONCLUSION
4 CHAPITRE 4 CYCLAGE THERMIQUE ACTIF
1 INTRODUCTION
2 SUIVI DE VIEILLISSEMENT
2.1 Paramètres de suivi de vieillissement
2.2 Mesure de la température de jonction
3 BANC DE TEST
3.1 Description du banc de test
3.2 Eléments constituants le banc d’essai
3.3 Validation des mesures indirectes de températures
4 CYCLAGE ACTIF DES ASSEMBLAGES PCB
4.1 Conditions de test
4.2 Analyses des résultats de vieillissement
5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
RÉFERENCES
RÉSUMÉ

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