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Djuric, Bojan. Contribution à l'interconnexion de composants actifs intégrés dans des substrats laminés : apport des interfaces micro ou nano-structurées

Djuric, Bojan (2020). Contribution à l'interconnexion de composants actifs intégrés dans des substrats laminés : apport des interfaces micro ou nano-structurées.

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Résumé en francais

Les convertisseurs de puissance occupent une place importante dans l'ingénierie des systèmes électriques. Les puissances nominales augmentent et les convertisseurs statiques doivent répondre à ces besoins notamment en termes de compacité. Cette amélioration s'explique notamment par l'utilisation de dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) à base de carbure de silicium (SiC) et de nitrure de gallium (GaN) qui autorisent des fréquences de découpage et une température de fonctionnement nettement plus élevées. Cependant, les temps de commutation plus courts qui en découlent ne sont exploitables que si les éléments parasites du boîtier sont réduits au minimum afin de profiter pleinement de ces nouveaux composants.Les éléments parasites, inductances en particulier, sont source de pertes qui réduisent l'efficacité et la fiabilité du convertisseur, et ce en générant du bruit par IEM (Interférences électromagnétiques). Les améliorations à apporter sont fondamentalement difficiles à obtenir avec les boîtiers d'aujourd'hui utilisant la technologie de câblage filaire comme interconnexion des composants actifs. Dans certaines applications, les dispositifs WBG peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les composants en silicium (Si). La température maximale de jonction (Tj) des composants en SiC peut être supérieure à 200°C, alors que celle des interrupteurs en Si est d'environ 125°C. Les assemblages doivent pouvoir supporter des températures plus élevées et résister aux régimes transitoires de température qui en découlent. La technologie des PCB a l'avantage d'être un processus peu coûteux et bien maitrisé offrant la possibilité de produire des dispositifs à grande échelle, d'utiliser un pas fin, du cuivre épais pour le transport de la chaleur et du courant, des structures multicouches répétables, etc. L'intégration de puces de puissance dans les PCB a récemment suscité un grand intérêt. Plusieurs types d'interconnexion ont été proposés, sachant que l'un des plus grands avantages de la technologie d'enfouissement PCB des interrupteurs de puissance est la réduction des inductances parasites à un niveau proche du minimum théorique. La tendance est d'interconnecter les composants par micro-vias laser. Cependant, la conductivité thermique du diélectrique utilisé est inférieure à 1 W.m-1.K-1 pour le matériau polyimide, tel que le kapton, contre 170 W.m-1.K-1 pour le nitrure d'aluminium (AlN) des substrats céramique (DBC). À cela s'ajoutent des limites en termes de densité imposée par le procédé de fabrication, ce qui entraîne des limitations de courant et de flux thermique. Les commutations des composants actifs du convertisseur sont une source de variations de température du système. Un gradient de température est présent le long des interconnexions qui, combiné aux différents coefficients de dilatation thermique de chaque matériau, peut conduire à la fissure de l'interface micro- vias/puce et donc à la défaillance dans le temps. Ces mises en défaut des interconnexions attribuées aux contraintes cycliques appliquées affectent fortement la fiabilité du convertisseur. La solution proposée et développée au cours de ces travaux combine des technologies avancées des circuits imprimés et une solution d'interconnexion innovante " non rigide ", basée sur le dépôt électrolytique d'interfaces macro et nano structurées, suivi d'une thermocompression. L'ensemble peut ainsi constituer un bloc élémentaire pour la conception de convertisseurs de puissance avec un haut niveau d'intégration et de fiabilité grâce à une interconnexion entièrement en cuivre, espérée flexible, permettant un refroidissement double face. Les nano-fils utilisés comme interface thermique et électrique de la puce sont également espérés résistants aux contraintes cycliques.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Cambronne, Jean-Pascal
Bley, Vincent
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
Mots-clés libres :Électronique de puissance - Module de puissance - Interrupteur - Composant actif - Intégration - Technologie - 3 dimensions - Enfouissement PCB - Interconnexion - Électrodéposition - Micro & nano
Sujets :Sciences de l'ingénieur
Déposé le :20 Nov 2020 10:20