CHAPITRE II SIMULATION D’UNE SOLUTION ORIGINALE POUR ATTÉNUER LE RENFORCEMENT DE
II.4.3. Solution par film semi-résistif 59
D’après l’étude précédente du comportement des paramètres des matériaux en fonction de la fréquence (page - 45 -), l’action sur la modification de la conductivité électrique d’un matériau pour la diminution du champ électrique peut être une solution appropriée pour les basses fréquences. Ce type de solution a également fait l’objet de travaux [21].
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Prenons l’exemple d’une couche semi-résistive d’une épaisseur de 25 µm déposée à la surface du substrat de la structure conventionnelle entre les électrodes (Figure 48), de conductivité électrique − S/m (valeur étudiée expérimentalement, issue de la référence
[21]). La Figure 48 présente le résultat de la simulation de répartition du champ électrique et du potentiel pour une fréquence de 50 Hz.
50 Hz
Figure 48 : Cartographie du champ électrique et des équipotentielles dans une structure substrat DBC, insertion d’une couche semi-résistive de � = − �/� d’épaisseur 25 µm à une fréquence de 50 Hz (application de
15 kV sur l’électrode supérieure gauche, les électrodes supérieure droite et inférieure sont à la masse)
L’équation du calcul de la densité de courant dans la couche se réduit à une simple loi d’Ohm supprimant les courants de déplacement (avec ( � = )) :
� = σE⃗⃗
Sur la Figure 48, on remarque l’influence de la conductivité sur l’étalement des lignes de champ entre les deux électrodes. La répartition des équipotentielles au niveau de la couche est indépendante de la fréquence (en négligeant les phénomènes à très hautes fréquences comme l’effet de peau influençant la valeur de la conductivité). Par contre, la cartographie du champ électrique au niveau du substrat céramique, qui peut être modélisé par le système de quadripôle classique à ligne répartie (Figure 49) est dépendante de la fréquence.
Couche semi-résistive σcouche = 10-3 S/m
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Figure 49 : modèle du comportement de la répartition du champ électrique dans la céramique
Lorsque la fréquence va augmenter, les premières cellules vont subir toute la contrainte. Alors, pour notre exemple avec une conductivité de la couche semi-résistive à − S/m, en faisant varier la fréquence (Figure 50), on constate une gamme d’efficacité vis-à-vis de la réduction du champ électrique dans la céramique restreinte en fréquence. Dans le cas présent (pour les valeurs utilisées), cette solution n’est efficace que pour des fréquences inférieures à 104 Hz (nommée « fréquence limite » sur la Figure 50).
Figure 50 : Valeur du champ électrique maximal dans la partie AlN et dans la partie encapsulant en fonction de la fréquence. Application de 15 kV sur l’électrode supérieure gauche, l’électrode supérieure droite et l’électrode
inférieure sont à la masse
Si l’on souhaite augmenter la gamme de fréquence pour laquelle cette solution par couche semi-résistive diminue la contrainte de champ, il sera nécessaire d’augmenter davantage la conductivité de la couche. Comme le montre la Figure 51, la « fréquence limite » correspondant à la fréquence pour laquelle la solution par couche semi-résistive n’est plus efficace peut être repoussée par l’augmentation de sa conductivité.
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Figure 51 : Variation de la fréquence limite en fonction de la conductivité électrique de la couche
Mais un compromis doit être trouvé avec une conductivité acceptable n’engendrant pas des pertes induites par un courant de fuite à travers la couche en basse fréquence trop importantes pour l’application visée. En effet, un calcul rapide pour cette conductivité résistive de − S/m, pour une épaisseur de couche de 25 µm sur un espacement inter-
électrode de 2 mm, et pour une profondeur de 1cm, donne un courant de 1,875 mA sous 15kV, soit une puissance à dissiper de 28 W, et pour une efficacité de protection limitée aux fréquences de variation du potentiel inférieures à 10 kHz. Le dépôt d’une couche semi- résistive à la surface de la céramique pour l’atténuation du champ électrique sur l’ensemble de la structure classique, n’entrainant pas trop de pertes ne peut être une solution retenue que pour de relativement faibles fréquences.
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Synthèse du Chapitre II
Ce chapitre a présenté une étude réalisée en utilisant des simulations par éléments finis (FEM) qui permet de mieux comprendre la distribution du champ électrique à l'intérieur d’un module de puissance et d'évaluer l'effet des propriétés des matériaux. Dans cette partie, nous nous sommes focalisés sur le phénomène de renforcement de champ au point triple, avec pour objectif de minimiser l’intensité du champ électrique pour une polarisation de 15 kV, par l'optimisation de la géométrie du substrat métallisé à l'aide des éléments finis, comparée à la géométrie conventionnelle polarisée à 6,5 kV.
Les simulations ont permis d'étudier la répartition du champ électrique pour différentes configurations du substrat métallisé. Nous avons montré que la modification de la géométrie du substrat par la création d’une structure mesa (en plateau), pour laquelle l’extrémité de la métallisation Cu affleure le flanc vertical formé dans la céramique, permet une diminution significative de l'intensité de champ électrique maximale, jusqu'à plus de 50 % en fonction de sa géométrie.
Nous avons démontré qu’il était critique d’obtenir une gravure du cuivre et de l’AlN avec une pente verticale pour ne pas perdre le gain apporté par la structure proposée sur le champ électrique maximal. Cela va s’avérer être une véritable contrainte sur le choix de la technique de réalisation des échantillons, qui fait l’objet du prochain chapitre.
Enfin, nous avons fait une étude comparative de l’intérêt de la structure en mesa par rapport à d’autres solutions de réduction de la contrainte électrique au point triple, telles que proposées dans la littérature. La solution d’une encapsulation à permittivité relative supérieure à 20 (si un tel matériau suffisamment bon isolant existe) permettrait la réduction du champ électrique à la fois dans l’encapsulant et dans le substrat céramique, sans contraintes vers les hautes fréquences. La solution par emploi d’une couche semi-résistive en surface a, quant à elle, un domaine d’efficacité pouvant être limité aux cas de variations du potentiel à basses fréquences, selon la conductivité de la couche. La structure en mesa présente alors l’avantage de permettre d’atténuer significativement les contraintes électriques avec un matériau d’encapsulation à permittivité diélectrique « standard », sans perte d’efficacité à haute fréquence, ni accroissement des pertes électriques. Ce dernier doit cependant supporter, pour une tension appliquée de 15 kV, des champs électriques plus élevés comparés à ceux présents dans une structure conventionnelle polarisée à 6,5 kV. Mais la structure mesa permettant dans le même temps de réduire les causes majeures de génération de décharges partielles dans le module, telles que les protubérances de
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métallisation ou la présence de bulles d’air au point triple (où règne le champ électrique maximal dans l’isolant), cette structure peut être une solution bénéfique pour la montée en tension des modules de puissance.
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