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Etude et mise en oeuvre de techniques d'assemblages hybrides pour l'intégration tridimensionnelle en électronique de puissance

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Academic year: 2021

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(1)THÈSE En vue de d l'obten ntion du. DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par p l'Univerrsité Toulou use III - Pau ul Sabatier Discip pline ou sp pécialité : Génie Elec ctrique. Présenté ée et souttenue par r Quoc Hu ung LUAN Le 20 Mai 20 010 Titre : ETUDE E ET MISE EN ŒUVR RE DE TEC CHNIQUES D'ASSEMB BLAGES H HYBRIDES POUR L'IN NTEGRATIO ON TRIDIM MENSIONN NELLE EN ELECTRON NIQUE DE E PUISSAN NCE. JURY M. David MAL LEC, Profes sseur à l'Un niversité Paul Sabatierr, Toulouse III, Préside ent ubir KHATIR R, Directeurr de Recherrche CNRS au LTN, IN NRETS, Vers sailles, Rap pporteur M. Zou M. Jean-Christophe CREBIER, Chargé de Recherche e CNRS au G2ELAB, G Grrenoble, Ra apporteur M Bruno ALLARD, Proffesseur à l'IInsa Lyon, Examinateur M. M. Eric WOIRGARD D, Professeu ur à l'Unive ersité Borde eaux , Exam minateur M.. Vincent BL LEY, Maître e de Conférrences à l'U Université Paul P Sabatie er, Toulouse e III, Direc cteur de thè èse M. Thiierry LEBEY Y, Directeurr de Recherrche CNRS au Laplace e, Toulouse,, Membre du d jury Ec cole docto orale : Génie Electriqu ue, Electron nique, Téléc communica ations:du sy ystème au nanosystèm me Un nité de rec cherche : Laboratoire L e Plasma ett Conversio on d'Energie e (UMR 521 13) Direc cteur(s) de Thèse : M. Vincentt BLEY Rapp porteurs : M. Zoubir KHATIR, K M. Jean-Chriistophe CRE EBIER.

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(19) Table des matières INTRODUCTION GENERALE ..................................................................... 13 Chapitre I Etat de l’art des technologies d’assemblage et d’interconnexion dans les modules de puissance…………………………………………………………16 I.1 Introduction ...................................................................................................................................... 17 I.2 Constitution d’un module de puissance ........................................................................................... 17 I.2.1 Puces semi-conductrices ........................................................................................................... 19 I.2.2 Substrats et semelles ................................................................................................................. 21 I.2.2.1 Substrats ............................................................................................................................. 21 I.2.2.1.1 Substrat céramique métallisé....................................................................................... 22 I.2.2.1.2 Substrat Métallique Isolé (SMI) .................................................................................. 25 I.2.2.1.3 Substrat céramique brasé Si3N4 ................................................................................... 25 I.2.2.2 Semelle ............................................................................................................................... 26 I.2.3 Connexions électriques ............................................................................................................. 28 I.2.3.1 Connexion externe ............................................................................................................. 28 I.2.3.2 Connexions internes ........................................................................................................... 29 I.2.4 Encapsulation ............................................................................................................................ 29 I.2.5 Boitiers ...................................................................................................................................... 30 I.3 Technologies d’assemblage et d’interconnexion ............................................................................. 31 I.3.1 Technologies d’assemblage ...................................................................................................... 32 I.3.1.1 Assemblage par brasure ..................................................................................................... 32 I.3.1.1.1 Brasure traditionnelle ................................................................................................. 34 I.3.1.1.2 Brasure sans plomb ..................................................................................................... 35 I.3.1.1.3 Soudure par phase liquide transitoire .......................................................................... 36 2.1.1.1. Modes de défaillance ................................................................................................. 37. I.3.1.2 Assemblage par poudre d’argent frittée à basse température ............................................. 40 I.3.1.3 Assemblage par pression .................................................................................................... 42. . .

(20) I.3.2 Technologies d’interconnexion ................................................................................................. 43 I.3.2.1 Technologie wire-bonding ................................................................................................. 43 I.3.2.2 Technologies d’interconnexion 3D .................................................................................... 47 I.3.2.2.1 Contact brasé ............................................................................................................... 47 I.3.2.2.1.1 Technologie « direct solder interconnecion » ...................................................... 47 I.3.2.2.1.2 Technologie « metal post interconnection » ........................................................ 48 I.3.2.2.1.3 Technologie « solder bump interconnection » ..................................................... 48 I.3.2.2.1.4 La technologie « dimple array interconnection » ................................................. 50 I.3.2.2.2 Contact par électrodéposition ...................................................................................... 51 I.3.2.2.3 Contact par ressort....................................................................................................... 52 I.3.2.3 Interconnexion et assemblage par Nano fils ...................................................................... 53 I.3.2.3.1 Interconnexion par nano tube de carbone ................................................................... 54 I.3.2.3.2 Interconnexion par nano fils métalliques .................................................................... 57 I.3.2.3.3 Interconnexion et assemblage par « nano scratch » .................................................... 58. Chapitre II Electrodéposition de nano fils en cuivre.......................................................... 65 II.1 Introduction..................................................................................................................................... 66 II.2 Généralités sur la fabrication des nano fils ..................................................................................... 66 II.2.1 Définition de la nano matrice................................................................................................... 67 II.2.1.1 Nano lithographie (sans membrane) ................................................................................. 67 II.2.1.1.1 Photolithographie optique conventionnelle ............................................................... 67 II.2.1.1.2 Lithographie par faisceau d’électrons (Electron Beam Lithography) ........................ 69 II.2.1.1.3 Lithographie aux ultraviolets extrêmes (Lithographie optique) ................................ 70 II.2.1.1.4 X-ray (Lithographie optique) ..................................................................................... 71 II.2.1.2 Membranes nano poreuses ................................................................................................ 72 II.2.1.2.1 Membrane d’alumine ................................................................................................. 73 II.2.1.2.2 Membrane polycarbonate .......................................................................................... 75 II.2.1.2.3 Autres types de membrane poreuse ........................................................................... 76 II.2.2 Techniques de dépôt ................................................................................................................ 77. . .

(21) II.2.2.1 L’électrodéposition ........................................................................................................... 77 II.2.2.2 Dépôt chimique (Electroless)............................................................................................ 78 II.2.2.3 Autres techniques de croissance ....................................................................................... 79 II.3 Electrodéposition des nano fils en cuivre ....................................................................................... 80 II.3.1 L’électrodéposition .................................................................................................................. 81 II.3.1.1 Rappels théoriques ............................................................................................................ 81 II.3.1.2 Mécanismes d’électrodéposition....................................................................................... 83 II.3.1.3 Procédé de fabrication des nano fils en cuivre.................................................................. 85 II.3.1.3.1 Choix de la matrice poreuse....................................................................................... 85 II.3.1.3.2 Choix du matériau déposé et du bain d’électrolyse ................................................... 87 II.3.1.3.3 Dépôt par courant pulsé ............................................................................................. 88 II.3.1.3.4 Préparation des échantillons et montage expérimental ............................................. 91. Chapitre III Assemblage ....................................................................................................... 100 III.1 Introduction ................................................................................................................................. 101 III.2 Assemblage « nano scratch » ...................................................................................................... 101 III.2.1 Principe................................................................................................................................. 101 III.2.2 Outil de pressage .................................................................................................................. 101 III.2.3 Assemblage .......................................................................................................................... 103 III.2.3.1 Réduction de la densité de nano structure ..................................................................... 103 III.2.3.1.1 Contrôle de la longueur des nano fils ..................................................................... 103 III.2.3.1.2 Réduction de la densité des nano fils ..................................................................... 105 III.2.3.1.2.1 Identification de la porosité des pores des membranes en alumine ................. 105 III.2.3.1.2.2 Obstruction partielle de la membrane .............................................................. 108 III.2.3.1.2.3 Fabrication des membranes de porosité contrôlée par anodisation d’aluminium .. ............................................................................................................................................. 109 III.2.3.1.2.4 Amincissement des nano fils par dissolution chimique ................................... 112 III.2.3.1.2.5 Utilisation de la membrane en polycarbonate ................................................. 114 III.2.3.2 Assemblage « nano scratch » ........................................................................................ 114. . .

(22) III.3 Application du procédé sur des composants de puissance .......................................................... 115 III.3.1 Dépôt électrolytique des nano fils de cuivre sur composant de puissance ........................... 116 III.3.1.1Protection des puces ...................................................................................................... 117 III.3.1.2 Couche d’accroche ........................................................................................................ 118 III.3.2 Assemblage IGBT/DBC ....................................................................................................... 120 III.3.3 Quelques caractérisations ..................................................................................................... 127 III.3.3.1 Mesure de la capacité d’entrée de l’IGBT (Ciss (Vge)) ................................................ 128 III.3.3.2 Mesure comparative de la résistance de contact de l’assemblage ................................. 131 III.3.3.3 Caractérisations mécaniques ......................................................................................... 136. CONCLUSION GENERALE ........................................................................ 140 Bibliographie .................................................................................................... 145 Références bibliographiques personnelles .................................................... 154 . . .

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(24) Introduction générale . INTRODUCTION GENERALE L'amélioration de l'efficacité énergétique du vecteur électricité passe par une conception très intégrée des systèmes électroniques, notamment des convertisseurs d'énergie électrique. La tendance générale est à une forte intégration des fonctionnalités d'une part et à l'augmentation de la densité de puissance d'autre part. C'est particulièrement le cas des systèmes nomades et des systèmes intervenant dans les transports (automobile, ferroviaire et aérien), avec en plus, l'exigence d'une très haute fiabilité. Ces applications nécessitent de nouvelles architectures matérielles d'intégration avec des contraintes toujours plus importantes vis-à-vis de la réduction du volume, du poids et des coûts tout en maintenant un niveau de fiabilité élevé. De plus, les environnements ont tendance à être plus sévères (plus chauds et quelquefois plus froids). À ce titre, l'électronique de puissance "haute température" est un enjeu majeur pour le futur. Une des pistes les plus prometteuses pour l'augmentation de la compacité des systèmes est l'intégration tridimensionnelle. En particulier, le passage des modules de puissance « planar » actuels (où toutes les puces sont coplanaires, et refroidies uniquement par leur face arrière) à des structures 3D permettra d'améliorer simultanément les performances thermiques (refroidissement double face), électriques (réduction des inductances et résistances parasites) et électromagnétiques. C’est dans ce contexte que les technologies d’interconnexion et d’assemblage dans les modules de puissance jouent un rôle fondamental. Les technologies d’interconnexion et d’assemblage en 3D sont actuellement développées pour répondre à ces exigences. Elles consistent en un contact sur les deux faces à base d’une brasure (direct solder, solder bump…), d’un frittage à basse température (LTJT), ou simplement d’un maintien mécanique par mise en pression (Press Pack). Cependant, ces technologies présentent certaines limites à savoir un procédé de mise en œuvre complexe, couteux et une fiabilité restant encore à démontrer dans une grande majorité de cas, notamment dans des applications sévères (haute température). Par ailleurs, les nanotechnologies sont à proprement parler “ révolutionnaires ” parce qu’à l’échelle du nanomètre, les matériaux et les systèmes peuvent révéler des caractéristiques complètement nouvelles qui modifient sensiblement leurs propriétés. C’est dans ce cadre que l’emploi des nano structures, qu’elles soient métalliques ou polymères, a connu une évolution importante dans les dernières années. En effet, elles sont employées dans des applications . .

(25) Introduction générale . biologiques, optiques, magnétiques ou encore plus récemment dans des systèmes d’interconnexion électrique. Grâce aux révolutions des nano technologies, un mode d’assemblage hybride a été proposé sous le nom « nano scratch » consistant en la mise en compression de deux surfaces dont l’une au moins porte une structure de nano fils, et de les faire s’interpénétrer l’une dans l’autre,. afin de réaliser un assemblage mécanique mais aussi conducteur électrique et. thermique. Ce type d’assemblage semble être un candidat prometteur pour remplacer la technique de brasure classique. Il permet d’une part de favoriser l’intégration 3D, et d’autre part, de rendre le procédé plus économique à l’aide de sa réalisation à froid. La contribution principale de ce travail de thèse se situe essentiellement en l’étude et la mise en œuvre d’un procédé d’assemblage de type « nano scratch » en utilisant des nano fils de cuivre réalisés par la voie du dépôt électrochimique en vue de l’appliquer dans le domaine électronique de puissance. La première partie du mémoire est consacrée à une synthèse des différents constituants d’un module de puissance. Par la suite, un état de l’art de différentes technologies d’interconnexion et d’assemblage utilisées dans les modules de puissance est réalisé, et notamment sur les travaux reposant sur le principe d’assemblage de type « nano scratch ». Ensuite, le deuxième chapitre est focalisé sur une évaluation des méthodes permettant de fabriquer des nano structures. La technique retenue consistant à réaliser des nano fils en cuivre par dépôt électrolytique à travers une membrane nano poreuse. Dans le dernier chapitre, nous présentons le principe et la réalisation d’un assemblage électro-thermo-mécanique de type « nano scratch » en utilisant des nano fils de cuivre. Une application de ce dernier afin d’effectuer un assemblage de la face arrière d’un composant IGBT sur un substrat DBC est également présentée. Quelques optimisations sont proposées et testées afin de rendre plus performant le procédé. La dernière partie du chapitre consiste en quelques caractérisations de l’assemblage. Enfin, nous présentons les conclusions et les perspectives que nous voyons à ces travaux.. . .

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(28)                     . . Chapitre I. Etat de l’art des technologies d’assemblage et d’interconnexion dans les modules de puissance.           .

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(30)                     . I.1 Introduction                 .       !       

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(42). I.2 Constitution d’un module de puissance. {             .              Z           .   ;|

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(107). I.2.2.1.1 Substrat céramique métallisé.       ;   ‚+@  _<      .      $   * ;   z ‡ z    <

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(144)  I.2.2.1.3 Substrat céramique brasé Si3N4.                .      %    &

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(185). I.2.3 Connexions électriques.                  

(186) #  !.                   .                   * .   

(187). I.2.3.1 Connexion externe. #        *     ;    .  <                .     \|

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(199) {       .           !   

(200). I.2.4 Encapsulation. #    $               . ;    ›Y< ;|

(201) ]]<

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(209) `            ? ‚HH–

(210). |

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(212). I.2.5 Boitiers. $  * ˆ $                 Z       Y        €       .   !  * ƒ.     .  |*     *        . $

(213).          $$       $  * .     $       ?   ?   

(214).      $          *    *.  $   .  `       $    .     *  €            \„•^.   .

(215) 

(216)                     . I.3 Technologies d’assemblage et d’interconnexion. #           *   . . ‰       ! 

(217) `         .  Ÿ      ;£        Z     .  $        $ ! < ?     @z    ‰ .      $     ; $    $ <   . ;         <    

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(219) z           .       ?    $   ˆ   . *                      .   *        

(220)       ?   .                   .    

(221) #             ˆ.     ƒ.  L'assemblage             .            ?  *   

(222) .   =           ?  $   .       

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(224).  L’interconnexion           $    .    $    .          .    

(225)     Ÿ      ; .  <   

(226).             Z                   .        

(227).  .

(228) 

(229)                     . I.3.1 Technologies d’assemblage. #                ƒ. Z #  . Z #  . Z #          $  ?   . Z #      . I.3.1.1 Assemblage par brasure. #     ‰              ‰.  ‰  $         

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(263)                     . I.3.1.1.2 Brasure sans plomb. #  *   ¢‘[ ;¢  $   $   ‘› [  .       <    *   ‚HHK    `  .  

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(283). I.3.1.1.3 Soudure par phase liquide transitoire. `         $     ?.   Z ?  @HH–.   *     ‰           .           ƒ }  # ` . ;}#`< \‚‚^

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(296)   .  . .  : Amplitude du cycle thermique (°C).. : Longueur du joint de brasure (m)..  : Coefficient d’épaisseur et de ductilité de la brasure.. 

(297)  .

(298) 

(299)                     .        *   $   $  ƒ.  z        .  #  ‰    .  ‘    }.  =       .          

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Références

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