Contraintes Limites – régimes extrêmes

Dans le champ des contraintes que l’on peut appliquer aux composants de puissance, il existe une frontière entre régime de fonctionnement normal (cf. ci-dessus) et régime extrême. Cette frontière est définie par les contraintes limites applicables au composant.

Ces contraintes limites sont liées soit au packaging, soit aux puces semi-conductrices (IGBT et diode). En ce qui concerne le packaging, ces limites sont d’ordre :

E V L dt di ce c off c − =      

Figure II.15 : commutation à l’ouverture d’un IGBT dans une cellule de commutation, formes

d’ondes E E I_ch I_ch V+ V-

V

V

I

V

I

- Thermique. En effet, comme nous le verrons plus tard, l’assemblage d’un module IGBT (bondings / puces / brasures / substrat / semelle) est très sensible au cyclage thermique. La durée de fonctionnement de cet assemblage dépend de l’amplitude de ce cyclage.

- Electrique. Les puces étant soumises à des potentiels élevés, il est nécessaire d’avoir une bonne isolation entre les puces, et entre ces puces et l’environnement extérieur. Le substrat en AlN ainsi que le gel silicone joue ce rôle ; cependant, une tension trop importante peut provoquer un défaut d’isolement.

- Environnementale. Le boîtier du composant protège les puces contre les agressions liées à l’environnement du module (humidité, attaque chimique…). Un environnement trop sévère peut altérer le fonctionnement du composant (corrosion).

Ensuite, il y a les contraintes électriques limites applicables aux puces semi-conductrices. Ces limites forment la frontière entre le régime de fonctionnement normal et les différents régimes extrêmes. Les passages entre le régime normal et les régimes extrêmes peuvent être de deux types :

- contraintes statiques trop importantes (tension à l’état bloqué, courant à l’état passant, température des puces),

- contraintes dynamiques trop élevées (di/dt, dv/dt au blocage).

Ces contraintes trop élevées appliquées à une puce peuvent provenir soit de l’extérieur de la cellule de commutation (surtension sur le bus continu…) soit de la cellule en elle-même (court-circuit au sein de la cellule, coupure rapide de ce court-circuit…)

Dans ce paragraphe, nous allons lister tous les régimes extrêmes que peuvent subir les puces diodes et IGBT au sein d’une cellule de commutation.

2.3.5.1 Limite thermique locale

En régime de fonctionnement normal, la température de jonction des puces ne doit pas être trop importante. La température critique peut être définie comme une des quatre températures ci-dessous :

1) La valeur spécifiée par les constructeurs de module IGBT qui est égale à 125°C en fonctionnement continu, 150°C en régime de surcharge de courte durée.

2) La température de fusion des brasures. Cette température dépend de la brasure (la fusion de la brasure substrat/semelle se produit avant celle de la brasure puces/substrat) et est comprise entre 180 et 200°C. Cette température dépend du mélange plomb-étain utilisé.

3) La température intrinsèque du silicium (entre 200 et 300°C). Cette température dépend du matériau utilisé, de la quantité de dopant, de la largeur de bande interdite [Duong]. Au-delà de cette température, la concentration intrinsèque n’est plus négligeable par rapport à la concentration extrinsèque. Les propriétés du silicium sont considérablement dégradées. La résistivité de la puce décroît très rapidement ce qui génère un échauffement fatal pour le module IGBT [Baliga].

4) La température de fusion des métallisations qui se situe à 600°C pour des métallisations en aluminium.

La première température citée ne représente pas une limite en soi. Nous verrons par la suite qu’il est possible de faire fonctionner des puces IGBT à une température moyenne de 150°C. La deuxième, quant à elle, peut être limite. La troisième température représente bien une limite à ne pas dépasser au cours du fonctionnement du composant, sous peine de “perdre le contrôle” de la puce IGBT. De plus, les limites physiques des composants de puissance sont modifiées à haute température [Wondrak].

2.3.5.2 L’avalanche électronique

Lorsqu’un composant se bloque, la zone de charge d’espace s’agrandit à l’intérieur du silicium et le champ électrique augmente. Ce champ électrique intense a une action sur les porteurs mobiles présents dans cette région : les électrons se déplacent dans le sens inverse du champ et les trous dans l’autre sens. Ce mouvement s’ajoute au mouvement désordonné dû à l’agitation thermique. Ces porteurs de charge sont donc accélérés par le champ électrique. S’ils acquièrent une énergie cinétique suffisante entre deux collisions successives sur le réseau cristallin, ils peuvent briser des liaisons de covalence et donc générer des pairs électrons/trous.

Ces porteurs ainsi générés sont accélérés par le champ et peuvent à leur tour générer d’autres porteurs. Ce phénomène qualifié d’avalanche électronique, se traduit par une augmentation brutale du courant inverse. Au-delà d’un certain seuil, le processus de multiplication est autonome et entraîne le claquage de la puce. Si

le courant d’avalanche n’est pas maîtrisé, l’énergie dissipée au sein du composant peut devenir très importante, entraînant sa destruction par dépassement de la température de fusion du silicium.

La tension de claquage par avalanche électronique dans le silicium représente une limite à ne pas atteindre, en statique comme en dynamique. Cette valeur dépend de la quantité de dopant, de la température, et est rarement atteinte. Elle correspond à une valeur idéale pour une jonction semi-infinie. La tenue en tension de la terminaison de jonction peut faire chuter cette valeur de 10 à 20% selon la technologie choisie (terminaison plane diffusée, anneau flottant, puce biseautée,...) [Baliga]. Un article des Techniques de l’Ingénieur traite de ces problèmes complexes de tenue en tension des composants de puissance [Leturcq]. La tenue en tension d’une puce peut être influencée par autres aspects : imperfection dans le silicium entraînant l’apparition d’un point faible, inhomogénéité du courant de fuite entraînant l’apparition d’un point chaud où les caractéristiques du silicium sont dégradées…

La détermination de la tension d’avalanche électronique est très complexe sur des structures de type IGBT car cette tension dépend de la structure (PT ou NPT), de la quantité de dopant de chaque couche … Dans tous les cas, il y a claquage lorsque la zone de charge d’espace (dans la région de base), qui s’élargit au fur et à mesure que la tension augmente, entre dans la couche P+ au niveau de l’émetteur : les trous contenus dans cette zone sont accélérés par le champ et il apparaît un courant de trous important susceptible de détériorer la puce par dissipation importante d’énergie. Dans le cas de la structure PT, la couche tampon permet de modifier la répartition du champ électrique [Baliga]. En effet, pour cette structure, le champ est quasiment trapézoïdal et la puissance dissipée (produit du champ par la densité de courant) y est plus homogène.

2.3.5.3 Retournement ou Latch-up

Le retournement dit statique se produit lorsque le transistor parasite de l’IGBT entre en conduction. Cette mise en conduction est due à un fort courant parcourant la résistance parasite de la couche P+ prise entre les couches N- et N+ (cf. figure II.4). Ce courant génère une chute de tension supérieure à 0.6V, engendrant la mise en conduction du transistor parasite N+P+N-. Ce transistor assure, à la place du MOS, l’injection de charges dans la région de base du transistor principal. Ces deux transistors s’auto alimentent. La densité de courant augmente, provoquant le retournement du champ électrique dans la région de base N-. Dans ce cas, la grille de l’IGBT ne peut plus bloquer le composant et ce défaut irréversible provoque la destruction du composant de puissance. Le latch-up est sensible à la température par l’intermédiaire de la mobilité des trous de la couche P+.

Sur les composants actuels, ce retournement se produit lorsque l’IGBT conduit des forts courants (courant de court-circuit).

Le retournement dynamique se produit, quant à lui, lorsque l’IGBT est soumis à un transitoire de forte puissance correspondant à la présence simultanée d’un fort courant et d’une forte tension localisée dans la couche vitale du composant. Ce retournement peut se produire lors de la commutation ou lors d’un court- circuit. Le champ électrique dans la région de base N- dépend du dopage et du nombre de porteur qui y transite. Si la densité de courant est importante (300A/cm²), elle peut modifier la répartition du champ électrique [Baudesson]. De manière générale, la valeur de courant pour laquelle se produit le latch-up dynamique est inférieure à celle du latch-up statique [Baliga].

2.3.5.4 Claquage de la grille

Une tension entre grille et émetteur trop importante induit un champ électrique important dans l’oxyde de silicium. Au-delà d’une certaine valeur (100V en statique et 50V à 20KHz) la grille entre en avalanche électronique entraînant la destruction de l’oxyde et l’impossibilité de commander le composant. Avec un champ de rupture de 107V/cm, et une épaisseur de 100nm, la tension de rupture est supérieure à 100V. Pour une épaisseur de 50nm, cette tension est inférieure à 50V [Baliga].

2.3.5.5 Cas particulier de la diode

Une dynamique trop importante sur le courant à la fermeture de l’IGBT peut causer la défaillance de la diode de roue libre lors de son blocage. Ce phénomène est d’autant plus important que les diodes de puissance utilisées dans les applications de type onduleur sont rapides. Celles-ci ont l’avantage d’avoir une faible charge stockée à l’état passant qui, lors de leurs ouvertures, s’évacue très rapidement. Le temps de fermeture est alors très inférieur à celui de l’IGBT et le courant de recouvrement inverse maximal est faible.

Cela revient à réduire la durée de commutation, la surtension suite à l’annulation du courant de recouvrement, la surintensité et l’échauffement dans l’IGBT. Par contre ces diodes sont plus fragiles vis-à- vis des surtensions inverses.

A partir de ce constat, cette contrainte survient lorsque le courant de recouvrement est trop élevé. La dynamique du recouvrement est alors augmentée ce qui génère, via l’inductance de la maille de commutation, une surtension inverse aux bornes de la diode. Le cas le plus critique est obtenu lorsque le recouvrement du courant s’effectue brutalement (snapp off). Ce phénomène se produit lorsque les charges stockées dans la diode ne sont pas en nombre suffisant dans la zone vitale [Rahimo]. La forte augmentation du di/dt entraîne alors une très forte surtension aux bornes de l’interrupteur pouvant provoquer la défaillance (court-circuit) de la diode ou bien de l’IGBT en parallèle.

Un autre mode de défaut possible pour une diode de roue libre est sa mise en avalanche dynamique. Ce phénomène apparaît lorsque les conditions de fort courant, de forte tension, de haute température et d’important di/dt sont réunies [Shammas]. Toutefois, les diodes fonctionnant sous des tensions inférieures à 600V sont peu concernées. Celles ayant des calibres supérieurs à 1200V sont par contre plus sensibles puisque l’homogénéisation du courant dans la puce est plus délicate.

2.3.5.6 Résumé

Cette étude nous permet de déterminer une aire de sécurité complète pour l’un interrupteur d’un module IGBT (courant, tension, température), en connaissant à chaque fois la limite entre le régime de fonctionnement normal et les différents régimes extrêmes dans lesquels le composant peut entrer. La figure II.16 représente cette aire de sécurité.

J (I) E (V) Avalanche électronique statique isolement Pertes, température Avalanche dynamique Latch-up dynamique Echauffement local, focalisation

Latch-up statique

Aire de sécurité

Figure II.16 : aire de sécurité pour un composant de puissance : limite entre le régime de fonctionnement normal et les différents régimes extrêmes