Le packaging du module de puissance est réalisé à travers différents constituants qui introduisent chacun des limitations électriques, thermiques et mécaniques. Parmi les constituants, on retrouve les fils de bonding qui représentent le principal facteur limitant de la technologie d’intégration hybride 2D. D’une part, ces derniers se comportent d’un point de vue électrique comme des résistances et des inductances limitant les performances électriques. D’autre part, ces fils peuvent se décoller ou se casser pour conduire à la défaillance du module. De plus, ces fils ne permettent pas de réaliser une architecture d’assemblage qui pourrait bénéficier d’un refroidissement double face. Pour finir, le substrat de report, de par son empilement de couches conducteur/diélectrique, introduit des éléments parasites de types « capacitif » dans l’assemblage.
3.2.1. Limitations électriques
Le schéma électrique suivant est celui d’un bras d’onduleur composé de deux transistors (Figure 12). L’ensemble des connexions introduit des éléments parasites de comportements inductifs et résistifs dans le circuit. Les transistors de puissance introduisent eux aussi leurs éléments parasites de natures capacitives dans le circuit.
Figure 12 : schéma électrique d’un bras d’onduleur mettant en évidence les éléments parasites [6]
L’inductance de grille (LGh et LGl) a souvent une valeur élevée (jusqu’à la centaine
de nanohenrys [6]) car les circuits de commande sont éloignés des composants de puissance. Une valeur élevée de LG conduira à un ralentissement des ordres de
commande et voire des oscillations en interagissant avec les capacités d’entrées des composants formées par CGD et CGS. Ceci est d’autant plus vrai pour les composants
SiC et GaN qui ont des capacités d’entrées faibles. Une augmentation de la résistance de grille offrirait un amortissement de ces oscillations aux dépens d’un ralentissement de la commutation. De plus, une valeur élevée de la résistance de grille peut conduire à une commutation non désirée lorsque le transistor subit un dV/dt imposé par son homologue.
L’inductance de drain (LDC2 et LD1) stocke de l’énergie pendant la phase de
conduction quelle restitue au blocage du transistor, entraînant des surtensions aux bornes du composant et des pertes. L’inductance couplée avec les capacités des transistors et les condensateurs de découplages forment un réseau oscillant et ralentit les commutations. Ces surtensions peuvent mener à la défaillance du transistor et imposent un derating des composants. Il est donc utile de réduire la valeur de l’inductance en rapprochant les condensateurs de découplage au plus près des composants pour former la maille la plus courte et la moins inductive. La réduction de surface des mailles de puissance et de commande permet aussi de réduire la source EMI en rayonnement.
L’inductance de source LS introduit une contre-réaction négative qui ralentit la
commutation des composants. Même une valeur extrêmement faible de cette inductance a de réelles conséquences sur la commutation comme le montre la Figure 13.
(a) (b)
Figure 13 : mises en évidence des surtensions et oscillations sur le transistor MOSFET
liées aux inductance parasites : (a) inductance de drain LD et (b) inductance de source LS
[6]
Une autre problématique liée à l’assemblage hybride 2D concerne les courants de mode commun. En effet, le point milieu du bras de pont qui est à un potentiel flottant évolue selon les forts dV/dt de commutations, et les pires cas sont bien connus : l’amorçage à faible courant et le blocage à fort courant. Ce point milieu, en contact avec le substrat de report par la connexion des fils de bonding, génère des courants de mode commun à travers les capacités parasites formées par l’empilement des différentes couches du substrat et du dissipateur (Figure 14). Les nouvelles structures d’assemblage de modules visent à supprimer ce phénomène parasite. L’alimentation auxiliaire du buffer, positionné sur le transistor high-side du bras d’onduleur, constitue également un chemin de circulation du courant de mode commun. Il est très important de pouvoir limiter l’amplitude de ce courant de mode commun et de circonscrire la boucle au plus court par l’insertion d’un filtre de mode commun.
Figure 14 : mise en évidence des capacités parasites et du potentiel flottant dans un module 2D [7]
3.2.2. Limitations thermiques
Une des principales limitations de l’assemblage hybride 2D est son refroidissement par une face unique, due à sa technologie d’interconnexion filaire. La puce de puissance est un composant actif non parfait qui génère des pertes se traduisant par une conduction thermique. Les performances du composant et sa fiabilité sont fortement liées à sa température de fonctionnement. La puce doit donc être maintenue en dessous d’une température maximum pour ne pas dégrader ses performances. De plus, le cyclage thermique impacte la tenue mécanique des fils. Des études ont montré que la température de la puce était dépendante de la configuration d’interconnexion des fils sur la face avant [8]. La Figure 15 montre la répartition de la température pour deux configurations d’interconnexion. Pour la première configuration, les cinq fils de bonding sont alignés sur la puce. Pour la seconde configuration, les fils sont répartis sur la puce. Il s’avère que la seconde configuration permet une meilleure répartition du flux de chaleur sur la puce et donc une diminution de la température. Toutefois, cette diminution de température ne semble pas notable. Le refroidissement des modules à wire-bonding ne pouvant se faire de manière efficace que par la face arrière, il est nécessaire de trouver de nouvelles technologies d’interconnexion permettant un refroidissement double face.
Figure 15: répartition de la densité de chaleur pour deux configurations d’interconnexion
de fils de bonding[8]
3.2.3. Limitations mécaniques
Outre les limitations électriques et thermiques, la technologie d’assemblage hybride 2D est sujette à la défaillance mécanique. Les variations de puissance qui transite à travers la
accumulation de micro-endommagement, puis à la défaillance du fil comme un décollement ou une fissuration, comme montré en Figure 16a. Deux solutions ont été envisagées en réponse à cette problématique. La première consiste à déposer une résine polymère sur le pied du fil pour renforcer l’attache de ce dernier. La seconde solution proposée par ABB, repose sur l’insertion d’une couche tampon de coefficient thermique (CTE) intermédiaire entre le fil et la métallisation tel que le molybdène.
La corrosion est également un phénomène de dégradation des modules de puissance à considérer. L’ensemble des parties métalliques du module comme les fils, les métallisations et les plots de connexions y est concerné (Figure 16b).
Figure 16 : (a) rupture mécanique d’un fil de bonding et (b) corrosion d’un fil de bonding [9]