Essais expérimentaux : Réalisation et résultats
2.3 Échantillons spécifiques .1Motivation.1Motivation
2.3.2 Conception et réalisation des échantillons
2.3.2.1 Utilisation d’un SMI
Le principe de base de notre démarche est d’utiliser un substrat thermiquement "mé-diocre" afin de générer beaucoup plus facilement un cyclage thermique. Pour cela, notre choix s’est porté sur un SMI (substrat métallique isolé) à couche isolante époxy, sur lequel seront brasées des puces MOSFET qui seront les sources de chaleur. Ce SMI présente une résistance thermique importante entre les métallisations inférieure et supérieure, permet-tant de réduire considérablement la consommation électrique par rapport au banc MLI, à cyclage thermique donné des puces (55W au lieu de 400W , pour un échantillon à quatre puces comparé à un module, pour ∆Tj = 50◦C, Tr = 80◦C et f = 1Hz).
Composition du SMI (Eurocircuit R) :
— 1.5mm d’aluminium avec k = 238W.m−1.K−1
— 100µm d’isolant epoxy FR4 avec k = 0.55W.m−1.K−1 — 35µm de cuivre avec k = 400W.m−1.K−1
Le substrat ainsi constitué porte 4 puces MOSFET munies chacune de 3 fils de bonding.
— Un fil de puissance 250µm (source) dans lequel circulera le courant principal. — Un fil de mesure 250µm (source), permettant de réaliser une mesure de la résistance
électrique du fil principal mais également d’évaluer le cas échéant le vieillissement d’un fil non parcouru par un courant.
— Un fil de grille 125µm pour la commande, la puce MOSFET étant utilisée ici en générateur de courant.
La figure 2.21 présente une vue 3D d’un échantillon dessiné avec le logiciel SOLIDWORKS R.
Figure 2.21: Vue 3D d’une éprouvette SMI.
Un shunt, associé à chaque puce permet une mesure du courant principal afin d’en assurer la régulation. Le système fonctionnant en mode linéaire avec une tension VDS constante, la régulation du courant permet de contrôler parfaitement les pertes dans la puce. Contrai-rement au banc de test MLI, dans lequel les pertes dépendent de la puce (conduction et commutation) donc présentant une dispersion, les pertes sont ici identiques pour toutes les puces. Deux mesures de température sont réalisées à l’aide de sondes platines de type PT1000 au niveau de la face supérieure du FR4. Ces deux mesures sont considérées ici comme température de référence Tref pour imposer le cyclage thermique. Deux connec-teurs permettent d’associer à ce substrat la carte dite « driver » sur laquelle les circuits de régulation et de conditionnement des mesures sont implantés. Des explications seront apportées lors de la présentation du banc de test associé à ces échantillons.
2.3.2.2 Simulation électrothermique
La faisabilité de cette solution a été vérifiée par des simulations éléments finis élec-trothermiques sur le logiciel COMSOL Multiphysics R, qui sera également utilisé dans la partie thermomécanique.
Figure 2.22: Simulation cyclage 1Hz (*).
*Pour des soucis de visibilité du graphique, les courants sur la partie gauche de la figure ci-dessus ne correspondent pas aux vrais courants injectés pour obtenir les profils ther-miques de droite (Réel : Dα = 0.5 Imax= 1.8A I0 = 0.5A).
Le principe consistant à imposer une tension constante et à réguler le courant de drain du MOSFET pour contrôler la source de chaleur peut être implanté dans le logiciel. Une condition de tension est imposée (Potentiel et Masse) et une conductivité des puces va-riable dans le temps est calculée pour obtenir le courant désiré. La Figure 2.22 montre un exemple de simulation avec quatre courants alternés dans les puces et les profils ther-miques correspondant, pour une fréquence de cyclage de 1Hz.
L’échantillon étant destiné à être monté sur un dissipateur à ailettes, une condition ther-mique de convection forcée est appliquée sur ces ailettes. La Figure 2.23 montre un exemple de cartographie thermique lors d’un cyclage alterné des quatre puces. Des isthmes mé-nagés dans la couche conductrice en cuivre sont visibles autour des puces et permettent "d’isoler" thermiquement chaque MOSFET. En effet, pour les basses fréquences, il faut limiter la propagation de la chaleur afin que le cyclage d’une puce n’impacte pas le cy-clage de ses voisines. Deux solutions étaient possibles pour pallier ce problème, séparer les puces par de grands intervalles ou réaliser ces isthmes. Cette dernière solution présente l’avantage de pouvoir augmenter le nombre de puces par substrat. Les isthmes doivent augmenter considérablement la résistance thermique entre puces liée à la couche conduc-trice tout en présentant une résistance électrique suffisamment faible. Les simulations ont montré localement des densités de courant de 15A/mm2 dans le cuivre pour les courants envisagés, ce qui est tout à fait acceptable.
Figure 2.23: Carte thermique d’un échantillon.
Le second point validé à l’aide de ces simulations est la faisabilité des cyclages à 0.1Hz, 1Hz et 5Hz avec des profils de température ∆Tj = 50◦C et Tr = 80◦C, pour reproduire des conditions de test similaires à celles appliquées aux modules (comparaison). Les puces subissent le même profil thermique mais un déphasage temporel est volontairement intro-duit. Cela permet d’équilibrer les courants et ainsi limiter l’ondulation du courant vu par la source d’alimentation. C’est pour cette raison qu’à l’instant t choisi pour le graphique, les puces présentent des températures différentes.
2.3.2.3 Réalisation
La Figure 2.24 montre le substrat réalisé ainsi qu’un zoom sur l’une des puces.
Figure 2.24: Substrat SMI - Zoom puce.
Les composants (shunts, PT1000, puces, pastilles de cuivre, connecteurs) sont brasés à l’aide d’une brasure étain-plomb. Cette étape réalisée sur la plateforme 3DPHI à Tou-louse, ne présente pas de contraintes particulières. Les connexions des fils de bonding constituent la cible principale de l’étude. Il est donc intéressant de s’attarder un peu plus sur la technique de report de ces fils. Cette étape est effectuée à l’aide d’une machine "Heavy Wire Bonder HB30", disponible au sein de la plateforme 3DPHI, représentée à la Figure 2.25.
Figure 2.25: Machine "Heavy Wire Bonder".
La technique consiste à amener le fil à l’aide d’un outil sur le plot où il doit être soudé. La combinaison d’une force appliquée sur le fil lors du dépôt et de vibrations mécaniques créées par un transducer permet le soudage. La force de plaquage est réglable, tout comme le temps d’application et la puissance de soudage (amplitude/fréquence des ultra-sons). L’énergie ainsi dissipée entraîne un ramollissement du fil semblable à celui obtenu par une élévation de température. Le fil est ensuite guidé vers un second plot pour réali-ser une nouvelle soudure. Un couteau permet de couper le fil une fois la liaison réalisée [Sed12][Fis13]. Le diamètre des fils utilisés pour nos échantillons est de 250µm (300µm dans les modules).
Le report des fils de bonding peut être réalisé avec ou sans reprise d’émetteur (deux pieds ou un pied, Figure 2.26). L’étude de ces deux configurations permettra d’analyser l’in-fluence éventuelle des contraintes développées dans un pied de bonding sur le second pied et d’évaluer l’impact sur le vieillissement.
Figure 2.26: Configuration de dêpot des bonding.
Un fil de 125µm est utilisé pour réaliser les contacts de grille.
Les paramètres de soudage sont identiques à ceux utilisés par les assembleurs. Puissance : 6W – Temps : 150ms – Force : 450mN
Le report des fils de bonding a été réalisé, pour un premier lot, sur la plateforme 3DPHI à Toulouse et, pour un deuxième lot, par l’entreprise MICROSEMI R afin d’avoir des échan-tillons plus proches de la réalité industrielle. Sur ce deuxième lot, un gel de passivation a été déposé. La connexion de la source de puissance est réalisée par soudure classique des câbles sur les plots prévus à cet effet sur le SMI. Durant la thèse une vingtaine d’échantillons SMI ont été réalisés et testés.