Technologies d'intégration
- Packaging et refroidissement des composants actifs
- Le refroidissement statique
- Intégration des composants passifs
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Intégration monolithique
Nous travaillons sur cet axe pour tenter de créer une rupture au niveau de la conception et mais aussi et surtout au niveau de la mise en oeuvre des composants actifs, L'enjeux majeur consiste à sensibiliser la communauté scientifique, assez écrasée sur cette thématique par le dictat du milieu industriel et des fournisseurs de composants de puissance, sur le fait que le comportement et la mise en œuvre des composants de puissance ne sont pas gravés dans le marbre. Pour ce faire, nous travaillons et retravaillons sur les techniques simples mais quelquefois négligées. Nous essayons aussi de développer des concepts et fonctionnalités originaux et innovants permettant de revoir l'utilisation et la mise en oeuvre des composants. Enfin, nous introduisons de nouvelles technologies et procédés technologiques pour la réalisation des composants de puissance de demain. Notre ambition : repousser les limites actuelles de mise en œuvre des composants de puissance sur silicium tant au niveau électrique (mise en série, mise en parallèle, gestion des commutations, performances globales de la fonction interrupteur, communication avec l'environnement, signature électromagnétique) qu'aux niveaux thermique et mécanique (les contacts électro-thermo-mécanique, les échangeurs thermiques intégrés, la prise de contact électrique, l'intégration en 3D en surface de la zone active...).
Pour illustrer cette thématique, quatre exemples concrets sont présentés ci-dessous :
1- Le composant de puissance de demain, intégrant tout l'environnement électronique et les périphériques de contrôle commande.
2- Tranches 100mm contenant 400 composants de puissance à structure verticale intégrant alimentation, commande et isolation optique.
3- Micro convertisseur intégrant un onduleur de tension complet avec ses commandes ainsi qu'une logique de commande éloignée configurable. Le système est ainsi autonome et versatile.
4- Empilement en 3D d'une structure de conversion type hacheur avec gestion optimale et découplée de la thermique et de la CEM conduite et rayonnée.
Packaging et refroidissement des composants actifs
Le packaging
Le fonctionnement des composants de puissance est très dépendant de leur environnement extérieur (isolation, refroidissement, connectique électrique, maintien mécanique...). L'étude de leur encapsulation dans des modules est donc primordiale afin de les utiliser de la manière la plus optimale possible.
L'objectif d'amélioration des modules de puissance que nous nous sommes fixé nous amène à travailler sur l'étude, la mise en œuvre et la caractérisation du contact (électrique, thermique et mécanique) entre la puce et le reste du module. En particulier, nous étudions des solutions permettant une évacuation de la chaleur par les deux faces : contact pressé et contact flip-chip. En effet, nous pouvons obtenir pas ce biais des structures d'empilement 3D originales qui amènent une diminution des inductances parasites internes ainsi qu'une réduction des couplages CEM au sein du module et avec l'environnement extérieur. La figure suivante présente un exemple de structure de module que nous envisageons (structures Chip-On-Chip) ainsi qu'une réalisation.
Dans le cas de puces commerciales, le contact double face est complexifié par la structure de la face avant des composants (anneaux de garde permettant la tenue en tension, électrode multi-cellulaire dans le cas des composants à grille). L'originalité des travaux que nous conduisons repose donc sur la volonté de faire une conception couplée de la puce et du contact. Ceci est rendu possible par la possibilité que nous avons de réaliser des composants au Centre Interuniversitaire de Microélectronique et nous permet de repenser la surface du composant ainsi que sa structure interne de tenue en tension afin qu'elles soient totalement adaptées à leur environnement.
En conclusion, notre volonté est d'arriver à imaginer des modules innovants par une conception et une intégration allant de la puce jusqu'au convertisseur statique.
Toujours dans le cadre du packaging, nous avons mené de nombreux travaux sur l'amélioration des propriétés de conduction thermique des substrats par insertion de caloducs miniatures plats. En particulier, nous avons, conjointement avec le CEA LETI, travaillé sur la réalisation et la modélisation de caloducs dans le silicium. L'intérêt du silicium est sa faible masse volumique et la possibilité qu'il offre de réaliser des motifs très fins servant de réseau capillaire. Nous avons également proposé et étudié des structures métalliques pour le packaging 3D (projet Microcooling) et des structures utilisant des substrats DBC (projet Microcool). Les figures suivantes présentent différentes réalisations :
| Wafer de silicium contenant un réesau de capillaire à rainures | Vue de profil d'un caloduc intégré entre 2 substrats isolés | Caloduc avec un réseau capillaireà poudre de cuivre |
Le refroidissement statique
Au niveau du laboratoire nous avons entamé des travaux annexes suivant plusieurs voies. Nous nous sommes tout d'abord intéressés aux systèmes passifs : caloducs et caloducs pulsés. L'intérêt principal est que, non seulement il n'y a pas de pompe mécanique, mais qu'en plus le fluide circule de manière autonome. Lors du projet H2T-Tech, nous avons proposé la réalisation d'un caloduc pulsé dont l'évaporateur était intégré entre deux substrats DBC.
Actuellement, nous nous intéressons à d'autres modes de mise en mouvement des fluides caloporteurs faisant appel à d'autres types de forces que les forces capillaires. Il s'agit d'une part des forces électro-hydrodynamiques qui sont dues à la présence d'un champ électrique. Nous avons ainsi réalisé et testé des pompes électro-osmotiques dont le principe est la génération d'une force grâce à l'action du champ électrique sur la double-couche électrique présente à l'interface entre un solide isolant et un fluide. Nous envisageons également de profiter de la force électro-thermique pour réaliser des systèmes autonomes comme les caloducs.
Nous avons également entamé, en collaboration avec l'équipe MADEA, des travaux sur l'utilisation de fluides magnétiques (ferrofluides). Il s'agit alors d'arriver à créer des gradients de champ magnétique au sein du fluide pour créer des forces volumiques suffisantes pouvant mettre le fluide en mouvement dans un circuit de refroidissement. Ces travaux s'intègrent dans le cadre du projet Thermelec.
Intégration des composants passifs
Les travaux conduits dans cet axe ont pour but, d'une part, la réalisation d'alimentations à découpage à forte puissance volumique et, d'autre part, l'amélioration du rendement et la simplification de la mise en œuvre de ces alimentations. Afin d'arriver à ces résultats une des pistes explorées ici est de travailler sur une meilleure intégration des passifs nécessaires aux structures de conversion utilisées en électronique de puissance.
Pour cela nous travaillons dans trois directions complémentaires :
- Les structures des composants passifs permettant la création de composants multifonctionnels de type LCT (inductance-condensateur-transformateur).
- Les techniques de réalisation collectives.
- Les outils de modélisation et d'optimisation des structures passives.
Collaborations :
Microspire : Intégration monolithique de passifs. Modélisation des composants bobinés.
Thalès : Modélisation et optimisation de transformateurs planars.
DIOM, AMPERE, LAAS : Conception d'inductances intégrées sur silicium.
Exemples de réalisations :
- Conception de composants intégrés multifonctionnels LCT
Alimentation à commutation ZVS - 48V - 5V - 60W Circuit imprimé poliymide 21 couches intégrant la fonction LCT
- Intégration nonolithique de composants passifs :
Travail réalisé dans le cadre d'une collaboration entre le G2ELab, le LAAS, Microspire et ST Microelectronics
| Circuit magnétique FeNi feuilleté électrodéposé Bobinage : cuivre electrodéposé, dimensions : 4x7 mm² | |
- Modélisation de composants passifs :
Modélisation d'un composant passif LCT par la méthode LEEC (Lumped Electric Equivalent Circuit)
Modélisation d'un LCT (: L = 124µH, C = 4nF, m = 1/20, 60W)
site Campus - Bat. Dsite Polygone/CNRS - Bat. G
Saint Martin d'HèresGrenoble
site LMMCFsite MINATEC - CIME Nanotech
HerbeysGrenoble Copyright Grenoble INP