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Du composant à la cellule de commutation - Grenoble INP - G2Elab

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Du composant à la cellule de commutation

Semi-conducteurs et intégration : drivers, packaging et refroidissement


L’axe Semi-conducteur et intégration est structuré en trois sous axes : Driver, Packaging, Modélisation comportementale et Caractérisation.


- Driver
- Packaging
- Modélisation comportementale et Caractérisation

Driver

Cette partie concerne la mise en œuvre et l’intégration de circuits Driver pour transistors de puissance Si et Grand Gap. L’activité a été en forte croissance dans l’équipe au cours du quinquennat écoulé avec l’implication de 3 puis 4 chercheurs permanents. La recherche est menée sur les drivers en s’appuyant sur un accès aux technologies CMOS pour le prototypage de circuits intégrés sur mesure adaptés aux contextes, ainsi qu’une intégration ou co-intégration monolithique au sein de composants de puissance via la PTA / RENATECH : Driver pour transistors avec une approche SoC, Driver pouvant fonctionner à hautes températures ou à hautes fréquences pour composants Grand Gap, systèmes d’alimentation Driver, circuits Driver multi-transistors polyvalents/universels, fonctions monolithiques périphériques. Trois grands verrous sont adressés :

  • La commutation très haute fréquence des composants Grand Gap avec pour objectif la commutation optimisée transistor/transistor (sans temps mort ni court-circuit) en lieu et place de la commutation spontanée transistor/diode. Les obstacles concernent la conception de drivers à fort courant de sortie, les conditions de mise en œuvre adaptées aux très faibles impédances parasites, les consommations d’énergie de commande réduites, des mises en œuvre les plus intégrées possibles. Dans ce contexte, l’intégration des drivers au plus près des composants de puissance augmente les contraintes en température auxquelles sont soumis les drivers.

  • Le transfert d’ordre isolé est un problème récurrent en EP. Le G2Elab conduit depuis de nombreuses années des travaux de recherche originaux en ce sens avec pour objectif de simplifier et fiabiliser la mise en œuvre des transistors de puissance. Les thèmes phares consistent à intégrer directement sur le Driver et/ou le transistor de puissance, la fonction de transfert d’ordre isolée compatible avec le procédé technologique de réalisation et offrant des niveaux de performances satisfaisant pour le domaine. Les actions phares concernent le transfert d’ordre électromagnétique via des coupleurs sans noyau magnétique ou des transferts optiques, en intégrant la chaîne de détection optique et son traitement électronique, permettant un pilotage optique à faible puissance de transistors de puissance1.

  • L’alimentation du driver avec pour objectif de simplifier et de fiabiliser la mise en œuvre des transistors de puissance via l’intégration des sources d’alimentation au sein même des transistors de puissance ou au plus près de ceux-ci. Dans ce contexte et celui de la montée en fréquence, la réduction des chemins parasites est un objectif de premier ordre.

Packaging

Cette partie concerne la mise en œuvre et le packaging des composants de puissance, Si et Grand Gap. Les principaux verrous adressés par l’équipe concernent la réduction des parasites de connectique, l’adaptation des composants à leur environnement électro-thermo-mécanique, l’augmentation des capacités d’évacuation de la chaleur par cm², la robustesse des assemblages. Pour ce faire, l’équipe s’est investie dans la réalisation à façon de prototypes que ceux-ci soient des composants de puissance, des packages originaux ou des systèmes de refroidissement. Trois actions majeures en ressortent :

  • L’étude de nouvelles solutions de refroidissement permettant une amélioration de la gestion thermique des composants de puissance avec la prise en compte forte de l'aspect packaging (2D ou 3D) : refroidissement direct par structuration du composant de puissance au sein de packaging 3D, diffuseur de chaleur actif à métal liquide , refroidissement double-face2.

  • L’intégration 3D, avec la caractérisation des apports du package de type Power Chip-on-Chip (PCoC) permettant une réduction des surtensions à l’ouverture et des chemins de mode commun. Proposition d’une réalisation se basant sur des technologies « classiques » de type PCB et DBC. Mise en œuvre des capacités de découplage dans l’assemblage3.

  • Le travail sur le package en tenant compte de l’architecture convertisseur considérée, les topologies multiniveaux ou entrelacées par exemple et la mise en œuvre 3D des transistors. L’ambition de ce thème consiste à pousser au maximum le packaging des composants de puissance (découpe, interconnexions électriques, passivation, tenue mécanique) à l’échelle du wafer via des procédés collectifs de fabrication et d’assemblage garantissant reproductibilité, fiabilité et performances.

Modèle et caractérisation

Un troisième axe se distingue et concentre les aspects outils, modèles comportementaux et méthodes de caractérisation des composants de puissance. Dans ce contexte, l’équipe met en place des outils de caractérisation des performances thermiques (coefficient d’échange, pertes de charge) pour des dispositifs de refroidissement basés sur l’utilisation de fluides caloporteurs comme par exemple les ferrofluides. Concernant la caractérisation des technologies de packaging et de mise en œuvre des composants de puissance, un travail original d’instrumentation électrothermique non intrusive a été développé pour répondre aux difficultés de caractérisation des packages très denses. Cette approche est complétée par le développement de capteurs embarqués intégrés directement au niveau des composants de puissance pour caractériser la qualité des assemblages. Depuis quelques années, certains membres de l’équipe s’impliquent dans la modélisation, conception et la caractérisation des composants Grand Gap. Ces actions s’inscrivent toutes dans le cadre de collaborations avec des instituts spécialisés dans la fabrication et les aspects matériaux relatifs à ces types de composants (Institut Néel, CEA-Leti, Labex GaNEX, IEMN).

       
Driver autoalimenté, avec transfert d’ordre isolé et commande bipolaire. Diode de puissance à structure verticale 600V, 40A avec canaux verticaux pour le refroidissement par circulation de fluide diélectrique caloporteur. Réalisation CIME/PTA. Module vrai 3D multiphases Power Chip on Chip pour composants de puissance à structure verticale.
Collaboration CEA LETI.
Convertisseurs à composants GaN et circuits drivers conçus et mis en œuvre au laboratoire.
Collaboration Thales.

Pour ce faire, l’équipe profite de l’environnement Grenoblois et de son partenariat privilégié avec certains laboratoires du CEA-Leti via la Collaboration Stratégique de Recherche (CSR) mise en place au cours du quinquennat. Une forte implication a été développée au niveau de Minatec avec l’utilisation des moyens conception, salle blanche, caractérisation, la localisation de moyens de caractérisation au CIME-Nanotech/PTA, l’achat et l’installation d’équipements spécifiques partagés par la communauté scientifique du site. Des partenariats récents avec l’Institut Néel ouvrent des perspectives scientifiques élevées concernant les composants Grand Gap4 et les composants et matériaux magnétiques en particulier. Un autre point important de cet axe est le niveau grandissant des collaborations ANR et Int. Carnot (ECLIPSE, SIPOWLIGHT, MEMPHIS, Carnot POWER) et industrielles (MEGaN, Mitsubishi, Thales, Schneider) qui démontre à la fois un investissement en amont pour le ressourcement de la thématique mais également une activité de transfert importante et valorisante.
1 R. Vafaei, N.D. To, N. Rouger, J.-C. Crébier, "Experimental Investigation of an Integrated Optical Interface for Power MOSFETs Drivers', IEEE Electron Device Letters, volume 33 Issue 2, 2012.

2 K. Vladimirova, Y. Avenas, J.-C. Crébier, C. Schaeffer, "Modeling of Power Devices with Drift Region Integrated Microchannel Cooler", Microelectronics Journal, Elsevier, Ref. MEJ3376, DOI information: 10.1016/j.mejo.2012.10.006.

3 E. Vagnon, P-O. Jeannin, J.-C. Crebier, Y. Avenas, "A Busbar Like Power Module Based on 3D Power Chip on Chip Hybrid Integration", IEEE Transactions on Industry. Application, Vol 46 , Issue 5, 2010 , Page(s): 2046 – 2055.

4 A. Marechal, N. Rouger, JC. Crebier, J. Pernot, S. Koizumi, T. Teraji, E. Gheeraert, "Model implementation towards the prediction of J(V) characteristics in diamond bipolar device simulations". Diamond and Related Materials. Vol 43, March 2014, pp 34-42.
Bibliographie
 
HAL
 
 
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