Note publique d'information : Les convertisseurs de puissance occupent une place importante dans l'ingénierie des
systèmes électriques. Les puissances nominales augmentent et les convertisseurs statiques
doivent répondre à ces besoins notamment en termes de compacité. Cette amélioration
s'explique notamment par l'utilisation de dispositifs semi-conducteurs à large bande
interdite (WBG) à base de carbure de silicium (SiC) et de nitrure de gallium (GaN)
qui autorisent des fréquences de découpage et une température de fonctionnement nettement
plus élevées. Cependant, les temps de commutation plus courts qui en découlent ne
sont exploitables que si les éléments parasites du boîtier sont réduits au minimum
afin de profiter pleinement de ces nouveaux composants.Les éléments parasites, inductances
en particulier, sont source de pertes qui réduisent l'efficacité et la fiabilité du
convertisseur, et ce en générant du bruit par IEM (Interférences électromagnétiques).
Les améliorations à apporter sont fondamentalement difficiles à obtenir avec les boîtiers
d'aujourd'hui utilisant la technologie de câblage filaire comme interconnexion des
composants actifs. Dans certaines applications, les dispositifs WBG peuvent fonctionner
à des températures plus élevées que les composants en silicium (Si). La température
maximale de jonction (Tj) des composants en SiC peut être supérieure à 200°C, alors
que celle des interrupteurs en Si est d'environ 125°C. Les assemblages doivent pouvoir
supporter des températures plus élevées et résister aux régimes transitoires de température
qui en découlent. La technologie des PCB a l'avantage d'être un processus peu coûteux
et bien maitrisé offrant la possibilité de produire des dispositifs à grande échelle,
d'utiliser un pas fin, du cuivre épais pour le transport de la chaleur et du courant,
des structures multicouches répétables, etc. L'intégration de puces de puissance dans
les PCB a récemment suscité un grand intérêt. Plusieurs types d'interconnexion ont
été proposés, sachant que l'un des plus grands avantages de la technologie d'enfouissement
PCB des interrupteurs de puissance est la réduction des inductances parasites à un
niveau proche du minimum théorique. La tendance est d'interconnecter les composants
par micro-vias laser. Cependant, la conductivité thermique du diélectrique utilisé
est inférieure à 1 W.m-1.K-1 pour le matériau polyimide, tel que le kapton, contre
170 W.m-1.K-1 pour le nitrure d'aluminium (AlN) des substrats céramique (DBC). À cela
s'ajoutent des limites en termes de densité imposée par le procédé de fabrication,
ce qui entraîne des limitations de courant et de flux thermique. Les commutations
des composants actifs du convertisseur sont une source de variations de température
du système. Un gradient de température est présent le long des interconnexions qui,
combiné aux différents coefficients de dilatation thermique de chaque matériau, peut
conduire à la fissure de l'interface micro- vias/puce et donc à la défaillance dans
le temps. Ces mises en défaut des interconnexions attribuées aux contraintes cycliques
appliquées affectent fortement la fiabilité du convertisseur. La solution proposée
et développée au cours de ces travaux combine des technologies avancées des circuits
imprimés et une solution d'interconnexion innovante " non rigide ", basée sur le dépôt
électrolytique d'interfaces macro et nano structurées, suivi d'une thermocompression.
L'ensemble peut ainsi constituer un bloc élémentaire pour la conception de convertisseurs
de puissance avec un haut niveau d'intégration et de fiabilité grâce à une interconnexion
entièrement en cuivre, espérée flexible, permettant un refroidissement double face.
Les nano-fils utilisés comme interface thermique et électrique de la puce sont également
espérés résistants aux contraintes cycliques.
Note publique d'information : The power converters hold a central position in electrical engineering. The power
ratings are increasing and the converters have to meet these needs in compact systems.
For example, the current power density of commercialized power converters of 2 kW
for photovoltaic application is around 1 kW.l-1, whereas in the "Little Box Challenge"
organized by Google and IEEE reached 12 kW.l-1. This improvement is mainly explained
by using wide band-gap (WBG) semiconductor devices based on silicon carbide (SiC)
and gallium nitride (GaN) materials that permit significantly higher switching frequencies.
However, the associated shorter switching times are only possible when all stray elements
in the package are minimized in order to take all the benefit of these new components.
The parasitic elements, and the package stray inductances in particular, are source
of losses which reduce the efficiency and also cause less reliable operation and EMI
noise. This is fundamentally difficult to achieve with the popular packages using
wire-bonded interconnections. In some application, the WBG devices are expected to
be able to work at higher temperature than silicon (Si) components. The junction temperature
(Tj) of SiC components can be higher than 200°C in comparison of Si switches around
125°C. The package must endure high temperature and resist the ensuing large temperature
transitions as well. The PCB technology has the advantage of being a cost efficient
and well-established process. There is a possibility of massive parallel manufacturing,
fine pitch, thick copper for heat and current transport, repeatable multilayer structures,
etc. The embedding of power dies in PCB recently has solicited great interest. There
are several kinds of proposed interconnections. The greatest advantage of the technology
for power device packaging is the strip-line approach of distributing current, bringing
down the stray inductance close to the theoretical minimum. The trend in PCB-embedding
technology is to interconnect the components by using laser micro-vias. The thermal
conductivity of the PCB core is less than 1 W.m-1.K-1 for the polyimide material such
a kapton against 170 W.m-1.K-1 for aluminum nitride (AlN) for direct bonded copper
(DBC) substrate. The micro-via approach suffers from the manufacturing limits imposed
on their density, resulting in current and heat flux limitations. This variation of
the conveyed power through the converter is a source of temperature variations in
the power assembly. Temperature gradient is present along the interconnections which,
combined with different thermal expansion coefficient of each material, leads to crack
at micro-via/die interface and delaminates over time. These interconnection defects
are affecting strongly the reliability of the converter, attributed to the applied
cyclical stresses. The proposed solution combines advanced PCB technologies and "
not rigid " innovative interconnection, based on electrolytic deposition of macro
and nano structured interfaces, followed by thermo-compression. The assembly may thus
be an elementary block for the design of power converters with high level of integration
and reliability by means of a full copper and flexible interconnection allowing double-sided
cooling. It is expected that the nano wires used as thermal and electrical die interface
will be also more resistant to cyclical stresses.
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