Module PCOC avec procédé de fabrication PCB

L’élaboration d’un module PCOC avec un procédé de fabrication PCB est le fruit d’une

collaboration avec le fabricant de circuit imprimé ELVIA PCB. Ce dernier apporte son

savoir-faire industriel pour le procédé de fabrication. Le but est de concevoir le module à partir d’un

procédé standard avec le moins de modifications additionnelles pour assurer une fabrication

à faible coût et la plus industrielle possible. Le module PCOC implique de superposer deux

puces à l’intérieur d’une couche diélectrique, ce qui est un vrai challenge technologique.

Les dimensions et les caractéristiques mécaniques des puces à encapsuler sont présentées

en Figure 75 et Figure 76. La face arrière, correspondant au drain du MOSFET, a une

dimension de 3.1mm x 3.36mm. La face avant a deux plots pour la source, de dimension

1.04mm x 1.43mm, et un plot pour la grille, de dimension 0.8mm x 0.5mm. L’espacement

entre la grille et la source est de seulement 100µm.

Figure 75: Dimensions de la

puce CPM2-1200-0080B Figure 76: Paramètres mécaniques de la puce CPM2-1200-0080B

Le micro-via est retenu comme solution pour interconnecter les différents plots avec le reste

du circuit. Une grande densité de micro-via est requise sur le drain et la source pour assurer

une faible résistance électrique et une bonne conduction de la chaleur. Cependant, le

perçage laser apparaît comme un point critique pour l’intégrité de la puce. Deux types de

métallisation sont présents sur la puce : Nickel/Argent en face arrière et Aluminium en face

avant. Ils correspondent au standard pour un report par brasure en face arrière et fils de

bonding en aluminium en face avant. Nous allons donc aussi évaluer l’impact du perçage

laser et de la recharge de cuivre électrolytique sur l’intégrité de la puce et la bonne

connexion électrique.

L’épaisseur des couches de cuivre de l’entrée de puissance et de la sortie doit être

suffisamment grande pour assurer une faible résistance électrique et une bonne évacuation

de la chaleur. Le courant d’entrée du module a été évalué à 25Arms et le courant de sortie à

72Arms. A partir des recommandations du fabricant de circuit imprimé sélectionné pour le

projet, et pour faciliter la réalisation du premier prototype, une épaisseur de 210µm est

sélectionnée. A titre de comparaison, l’épaisseur de la couche de cuivre d’un DBC pour un

module de puissance est classiquement de 300µm.

Finalement, avec les précisions apportées précédemment, un procédé de fabrication a été

développé pour la réalisation d’un module PCOC. Les différentes étapes sont indiquées

Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 71

Figure 77: Procédé de fabrication simplifié d'un module PCOC

· Etapes 1, 2 et 3

Une couche de prepreg est découpée à la dimension de la puce puis cette dernière est

insérée à l’intérieur.

· Etape 4

Deux laminés simple face sont ensuite reportés de chaque côté de la couche où est insérée

la puce afin de l’enterrer complètement.

· Etape 5

Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 72

· Etape 6

Les vias sont remplis par recharge électrolytique de cuivre. La puce est donc maintenant

interconnectée aux plans de cuivre supérieur et inférieur. La suite du procédé est celle

classiquement utilisé pour les circuits imprimés multicouches.

· Etape 7

Un laminé double face est stratifié en face arrière de la puce pour réaliser le circuit de grille.

Le laminé double face utilisé pour le routage du circuit de grille permet de superposer les

pistes grille et kelvin source l’une sur l’autre afin de limiter l’inductance parasite et d’éviter le

couplage capacitif entre grille et drain. Le tout assure une reprise de connexion externe pour

le circuit de commande rapprochée.

· Etapes 8 et 9

Les étapes de perçage laser et remplissage de cuivre pour le circuit de grille (grille et Kelvin

source) et la source sont effectuées.

· Etapes 10, 11 et 12

Les couches de cuivre épais pour le drain et la source sont stratifiées, percées et remplies

de cuivre.

· Etape 13

Une prepreg conductrice thermique et électrique est appliquée sur la face inférieure du

demi-module.

· Etape 14

Enfin, une dernière étape de stratification permet d’assembler deux demi-modules

quasi-identiques pour former un assemblage PCOC. La couche supérieure du module complet

correspond à l’entrée de puissance positive, le centre du module correspond à la sortie de

puissance et la couche inférieure correspond à l’entrée de puissance négative.

La fabrication du module ne requiert aucune étape de soudure ou de brasure grâce

notamment à l’interconnexion de la puce par micro-via. La construction d’un sous-module est

symétrique ; la couche de la puce et le laminé du circuit de grille ont une épaisseur similaire

et le tout est pris en sandwich entre deux couches de cuivre épais. D’un point de vue

mécanique, l’assemblage symétrique évite le gauchissement du module par annulation des

contraintes mécaniques. Le module complet est l’addition de deux sous-modules avec le

même procédé de fabrication ce qui permet de limiter le coût de fabrication.

Une vue 3D du module complet avec ses condensateurs de découplage est présentée en

Figure 78. L’échelle n’est pas respectée dans cette vue. Le schéma électrique associé au

module complet est présenté en Figure 79. Comme exposé précédemment, le module

complet est l’assemblage de deux sous-modules qui incluent chacun quatre puces MOSFET

SiC en parallèle. On retrouve donc quatre cellules de commutation associées en parallèle.

Sans prendre en compte la connectique, le module a une forme parallélépipédique de

surface 30mm x 30mm et de 2mm d’épaisseur. Les cellules de commutation sont disposées

d’une manière symétrique (chaque carré dans la Figure 78 représente l’emplacement d’une

Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 73

cellule de commutation). Avec cet agencement, on retrouve deux cellules de commutation,

dites « amont », directement en face des entrées de puissances tandis que deux cellules de

commutation, dites « aval », sont en retrait des entrées de puissance. Des condensateurs de

découplage céramiques de type CMS sont rajoutés sur le bord du module afin de symétriser

au maximum la maille de commutation de chaque cellule.

Figure 78: Vue 3D du module complet avec les condensateurs de découplage sur la tranche

Figure 79: Schéma électrique du module complet

La surface du module a été choisie de manière arbitraire et ne correspond pas à une

optimisation électrothermique. Le but premier de ces travaux est de valider le procédé de

fabrication tout en analysant le comportement électrique et thermique d’un tel module. Dans

la suite de ce chapitre, les différentes analyses menées en simulation conduisent à des

éléments d’optimisation. On retrouvera le compromis entre optimisation thermique, qui vise à

augmenter la surface d’échange thermique et à éloigner les puces les unes des autres, et

optimisation électrique qui vise à réduire les dimensions du module pour diminuer

l’impédance parasite de la maille de commutation.

30mm

30mm

2mm

+DC bus

-DC bus

Sortie

Circuit de grille HS

Circuit de grille LS

Condensateur de

découplage

Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 74

Dans le document Onduleur à forte intégration utilisant des semi-conducteurs à grand gap (Page 73-77)