Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé et étudié différentes approches d’intégration du convertisseur multi-phase :
L’approche bi-puce et mono-puce (suite de la thèse d’Abdelilah El Khadiry) [46] L’approche tri-puce [47]
L’approche bi-puce sur substrats complémentaires [48] L’approche mono-puce à cellules hacheur asymétriques [49]
Ces différentes approches sont illustrées en Figure 41. Ces dernières sont représentées dans le cadre d’un convertisseur à deux phases mais peuvent être étendues à un convertisseur composé de X-phases. Les trois premières approches bi-puces, tri-puces et bi-puce à substrats complémentaires représentent une intégration sous forme de demi- cellules de commutation. Alors que l’approche à cellules asymétriques représente une réelle intégration complète de la cellule de commutation, nous permettant d’approcher le concept de convertisseur « ultime » sur puce. Les études menées sur ces différentes approches seront exposées en détails dans le chapitre 3.
Intégra on monolithique Intégra on hybride
Puissance
Circuit Intégré
Intégra on fonc onnelle
W MW
Technologie hybride 2D Technologie hybride 3D
Intégra on couplée monolithique‐hybride des cellules de commuta on Modes d’intégra on Approche interrupteur Approche mul ‐interrupteur
Figure 41 : illustration des différentes approches d’intégration proposées et étudiées dans ce mémoire de thèse
La première partie de ce chapitre était dédiée au contexte de l’intégration en électronique de puissance. Nous avons pu voir les différents modes d’intégration de puissance, allant des circuits intégrés totalement monolithique jusqu’au module de puissance hybride.
Dans la seconde partie, nous avons présenté le module de puissance standard avec ses limitations. Nous avons vu que la technologie d’interconnexion filaire représente le principal obstacle à l’évolution du module 2D. Ceci d’une part par le caractère inductif de la maille de commutation, et d’autre part par l’incapacité à réaliser un refroidissement double face. Un état de l’art de la littérature sur les solutions hybrides ou monolithiques a été exposé. Concernant l’intégration hybride, les nouvelles solutions s’orientent vers les architectures 3D et plus particulièrement avec l’utilisation d’un circuit PCB. Concernant l’intégration monolithique sur puce, les travaux sur les matériaux grand gap font l’objet de nombreux travaux. La dernière partie de ce chapitre a présenté notre positionnement au sujet de l’intégration des convertisseurs ainsi que notre démarche de conception mixte monolithique-hybride.
La suite du manuscrit est structurée de la manière suivante. Le chapitre 2 est dédié à l’état de l’art du composant RC-IGBT et à l’étude par simulations avec le logiciel Sentaurus TCAD de la structure RC-IGBT-thyristor que nous avons proposée. Le chapitre 3 est consacré à l’étude par simulations 2D des différentes architectures d’intégrations silicium proposées. Le chapitre 4 est dédié à la réalisation technologique de nos puces silicium. Le chapitre 5 présente les prototypes de convertisseurs réalisés et leurs caractérisations électriques. Approche 1 « bi-puce» Approche 3 « bi-puce à substrats complémentaires » Approche 2 « tri-puce » Approche 4 « cellules asymétriques » Le RC-IGBT Mur semi‐ traversant Mur
traversant Sans mur
Mur semi ‐tra versa nt Mur se m i‐traversant N N N N N P P N
[1] Timothé Rossignol, « Contribution à la caractérisation et à la commande rapprochée de composants à grand gap moyenne tension pour onduleur de tension », Thèse de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse), 2015.
[2] J-L. Sanchez, « State of the art and trends in power integration », in proceedings of modeling and simulation of microsystem conference (MCM), Puerto Rico, USA. [3] Jean-Louis Sanchez, Frédéric Morancho, « Composants semi-conducteurs–Intégration
de puissance monolithique », Techniques de l’ingénieur, 2007.
[4] Florence Capy, "Etude et conception d’un interrupteur de puissance monolithique à auto-commutation : le thyristor dual disjoncteur", Thèse de l'Université Paul Sabatier de Toulouse, 2009.
[5] Jean-Philippe Laine, "Mécanismes d’injection de porteurs minoritaires dans les circuits intégrés de puissance et structures de protections associées", Thèse de l'INSA de Toulouse, 2003.
[6] Cyril Buttay, "Le Packaging en électronique de puissance", Habilitation à diriger des recherches (HdR), INSA de Lyon et Université Claude Bernard Lyon 1, 2015.
[7] Manh Hung Tran, "Vers de nouveaux modules de puissance intégrés", Thèse de l'Université de Grenoble, 2011.
[8] Masayasu Ishiko, Masanori Usui, Takashi Ohuchi et Mikio Shirai, "Design concept for wire-bonding reliability improvement by optimizing position in power devices", Microelectronics Journal 37 (2006) 262-268.
[9] Mauro Ciappa, "Selected failure mechanisms of modern power modules", Microelectronics reliability 42 (2002) 653-667
[10] Ludovic Ménager, Bruno Allard, Vincent Bley, "Conditionnement des modules de puissances", Techniques de l'ingénieur, 2010.
[11] Xiaoyu He, Xiangjun Zeng, Xu Yang et Zhaonan Wang, "A hybrid integrated power electronic module based on pressure contact technology", in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf., Jun. 2006, pp. 1-5.
[12] L. Ménager, C. Martin, B. Allard, et V. Bley, "Industrial and lab-scale power module technologies : A review" IECON 2006 - 32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics, pp. 2426-2431.
[13] Jesus N. Calata, John G. Bai, Xingsheng Liu, Sishua Wen et Guo-Quan Lu, Three- Dimensional Packaging for Power Semiconductor Devices and Modules", IEEE Transactions On Advanced Packaging, Vol. 28, NO. 3, August 2005.
[14] Y. Ikeda, Y. Iizuka, Y. Hinata, M. Horio, M. Hori, et Y. Takahashi, "Investigation on wirebond-less power module structure with high-density packaging and high reliability", 23rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, May 23-26, 2011 San Diego, CA.
[15] N. Nashida, Y. Hinata, M. Horio, R. Yamada, et Y. Ikeda, "All-SiC power module for photovoltaic Power Conditioner System", 26th International Symposium on
Power Semiconductor Devices IC’s (ISPSD), pp. 342–345, June 15-19, 2014, Hawaii. [16] M. Mermet-Guyennet, "New structure of power integrated module", in 4th
International Conference on Integrated Power Systems (CIPS), 2006.
[17] S. S. Wen, D. Huff et G-Q. Lu, "A dimple-array interconnect technique for power semiconductor devices", Proceedings of the 13th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, February 2001.
[18] H. R. Chang, J. Bu, G. Kong, et R. Labayen, "300A 650V 70 um thin IGBTs with double-sided cooling", 23rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, pp. 320-323, May 23-26, 2011 San Diego CA.
[19] Z. Liang, Fred C. Lee et G-Q. Lu, "Embedded Power-An Integration Packaging Technology for IPEMs" The International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging, Volume 23, Number 4, Fourth Quarter, 2000.
[20] R. Fisher, R. Fillion, J. Burgess, and W. Hennessy, "High frequency, low cost, power packaging using thin film power overlay technology", Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC ’95.
[21] L. Stevanovic, "Packaging Challenges and Solutions for Silicon Carbide Power Electronics", ECTC panel session : Power Electronics - A Booming Market, San Diego, 29 May, 2012.
[22] T. Stockmeier, P. Beckedahl, C. Göbl, et T. Malzer, "SKiN: Double side sintering technology for new packages", 23rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, pp. 324–327, May 23-26, 2011 San Diego.
[23] P. Beckedahl, M. Spang, et O. Tamm, "Breakthrough into the third dimension – Sintered multi layer flex for ultra low inductance power modules", 8th International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS), 2014, Nuremberg. [24] E. Hoene, A. Ostmann, B. T. Lai, C. Marczok, A. Müsing, J. W. Kolar, "Ultra-
Low-Inductance Power Module for Fast Switching Semiconductors", PCIM Europe 2013, 14-16 May, Nuremberg/Germany,
[25] C. Neeb, J. Teichrib, R. W. De Doncker, L. Boettcher et A. Ostmann, "A 50 kW IGBT power module for automotive applications with extremely low DC-link inductance", 16th European Conference on Power Electronics and Applications (ECCE), 26-28 Aug. 2014, Lappeenranta/Finlande.
[26] E. Hoene, A. Ostmann et C. Marczok, "Packaging Very Fast Switching Semiconductors", CIPS 2014, February 25-27, Nuremberg/Germany.
[27] G. Feix, E. Hoene, O. Zeiter et K. Pedersen, "Embedded Very Fast Switching Module for SiC Power MOSFETs", PCIM Europe 2015, 19-21 May 2015, Nuremberg/Germany.
[28] C. Neeb, L. Boettcher, M. Conrad et R. W. De Doncker, "Innovative and Reliable Power Modules: A Future Trend and Evolution of Technologies", IEEE Industrial Electronics Magazine, pp. 6–16, September 2014.
2013, Nuremberg/Germany.
[30] "Electrical and thermal optimization of an automotive power module family– Power Electronics Information Portal", http://www.powerguru.org/electrical-and- thermal-optimization-of-an-automotive-power-module-family/.
[31] Y. Su, W. Zhang, Q. Li, F. C. Lee et M. Mu, "High frequency integrated Point of Load (POL) module with PCB embedded inductor substrate", IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) 2013, 15-19 September.
[32] B. Yang, J. Wang, S. Xu, J. Korec et Z. J. Shen, "Advanced Low-Voltage Power MOSFET Technology for Power Supply in Package Applications", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 9, September 2013.
[33] N. Rouger, L. Benaissa, JC. Crébier, J. Widiez, J. Defonseca, D. Lafond, E. Vagnon et V. Gaude, "Packaging à l’échelle du wafer pour les convertisseurs multicellulaires", European Journal of Electrical Engineering, Lavoisier, 2013.
[34] B. Letowski, J. Widiez, N. Rouger, M. Rabarot, W. Vandendaele, B. Imbert et JC. Crébier, "Mise en place d’un packaging 3D collectif de composants de puissance à structure verticale", Symposium de Génie Electrique, Juin 2016, Grenoble, France. [35] Bernd Eckardt, "Cool Systems with SiC and GaN" (Fraunhoffer IISB).
https://www.iisb.fraunhofer.de/en/press_media/brochures_flyers.html
[36] Jinchang Zhou, "A Novel SiC Power Module with 3D Integration", PCIM Europe 2017, 16-18 May 2017, Nuremberg, Germany.
[37] Ludovic Ménager, "Contribution à l'intégration des convertisseurs de puissance 3D, Thèse de l'INSA de Lyon, 2008.
[38] Bassem Mouawad, "Assemblages innovants en électronique de puissance utilisant la technique de « Spark Plasma Sintering", Thèse de L'INSA de Lyon, 2013.
[39] D. W. Green, S. Hardikar, M. Sweet, K. V. Vershinin et E. M. S. Narayanan, "Interaction between monolithically integrated JI-LIGBTs under clamped inductive switching", Proceedings of the 17th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's, May 23-26, 2005, Santa Barbara, CA.
[40] D. W. Green et E. M. S. Narayanan, "Fully Isolated High Side and Low Side LIGBTs in Junction Isolation Technology", Proceedings of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's, June 4-8, 2006, Naples, Italy. [41] Yoshihiko Ozeki, Kenji Kouno, Tetsuo Fujii, "Semiconductor device and method
for manufacturing same", 2007, US 20080135932 A1.
[42] Y. Uemoto, T. Morita, A. Ikoshi, H. Umeda, H. Matsuo, J. Shimizu, M. Hikita, M. Yanagihara, T. Ueda, T. Tanaka et Daisuke Ueda, "GaN monolithic inverter IC using normally-off gate injection transistors with planar isolation on Si substrate", in 2009 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2009.
[43] W. Chen, K. Y. Wong et K. J. Chen, "Single-Chip Boost Converter Using Monolithically Integrated AlGaN/GaN Lateral Field-Effect Rectifier and Normally Off HEMT", IEEE Electron Device Letters, vol. 30, no. 5, pp. 430-432, May 2009. [44] D. Reusch, J. Strydom et A. Lidow, "Monolithic Integration of GaN Transistors
for Higher Efficiency and Power Density in DC-DC Converters", in Proceedings of PCIM Europe 2015, 19-21 May 2015, Nuremberg/Germany.
[45] H. S. Lee, K. Ryu, M. Sun et T. Palacios, "Wafer-Level Heterogeneous Integration of GaN HEMTs and Si (100) MOSFETs", IEEE Electron Device Letters, vol. 33, no. 2, February 2012.
[46] Abdelilah El Khadiry, "Architectures de cellules de commutation monolithiques intégrables sur semi-conducteurs "bi-puce" et "mono-puce" pour convertisseurs de puissance compacts", Thèse de l'Université Paul Sabatier de Toulouse, 2014.
[47] Adem Lale, Nicolas Videau, Abdelhakim Bourennane, Frédéric Richardeau, Samuel Charlot, « Analysis of the three-chip switching cells approach for integrated multi-phase power converter combining monolithic and hybrid techniques: Experimental validation on SiC and Si power assembly prototypes », Power Electronics and Applications (EPE’15 ECCE-Europe), 2015 17th European Conference on., Genève, Switzerland.
[48] Demande de dépôt de brevet pour le compte du LAAS-CNRS et du LAPLACE- INPT-UPS-CNRS). Titre : « Convertisseur électronique de puissance utilisant deux puces multi-pôles de puissance à substrats complémentaires N et P » Déposé le 20/04/2016 sous le n° FR1653494 Inventeurs : A. Bourennane, F. Richardeau, A. Lale
[49] Demande de dépôt de brevet pour le compte du LAAS-CNRS et du LAPLACE- INPT-UPS-CNRS). Titre : « Puce(s) multipole(s) de puissance intégrant de manière monolithique des cellules de découpage asymétriques et module(s) de puissance multi-phase utilisant la ou plusieurs desdites puces multipole(s) » Déposé le 21/12/2016 sous le n° FR1663038 Inventeurs : A. Bourennane, F. Richardeau, A. Lale