Les besoins actuels dans le domaine de l’électronique de puissance embarquée poussent les concepteurs dans une course effrénée vers toujours plus d’allègement et de compacité de leurs. Pour certaines applications, comme celles liées à l’automobile, l’on arrive même à sacrifier la qualité du refroidissement pour des raisons de facilité d’intégration et de réduction des coûts. Ainsi dans de nombreux cas, les composants de puissance sont poussés au maximum de leurs capacités, en réduisant les marges de sécurité et en augmentant à la fois la densité de puissance et la température maximum de jonction. Dans certaines applications, les circuits électroniques de puissance sont amenés à fonctionner dans un milieu à température ambiante élevée, et dans une majorité des cas, la température ambiante peut varier de manière considérable en peu de temps.

Dans ces conditions très contraignantes, l’aide apportée par une modélisation qui cible bien les paramètres que l’on souhaite optimiser s’avère nécessaire. Par ailleurs, on sait depuis longtemps que la température représente l’un des paramètres les plus influents sur les paramètres physiques et électriques des composants à semi-conducteurs. De plus, une modification de ces paramètres entraine des répercussions importantes sur les ondes de courant et de tension, ce qui, à son tour, modifie la puissance dissipée. Pour ces raisons, le calcul réaliste de la température de jonction doit, dans une grande majorité des cas, prendre en compte ce véritable couplage électrothermique.

Travaux en cours :

Packaging haute performance thermique pour convertisseurs en SiC

L'avènement des matériaux semi-conducteurs à grand gap dans le domaine de l'électronique de puissance vise l'exploitation des propriétés physiques supérieures à celles du silicium pour s'approcher le plus possible de l'interrupteur idéal. Ces composants en plein développement sont supposés repousser les limites de fonctionnement en interrupteurs de puissance pour opérer à des températures de jonction et des fréquences de commutation plus élevées, tout en gardant des performances satisfaisantes (pertes à l'état passant et en commutations limitées). Cependant, ces performances ne peuvent pas s'exprimer pleinement si ces nouveaux composants sont encapsulés dans des modules prévus pour les interrupteurs en silicium. Un soin particulier est actuellement porté aux "packaging" de composants à grand gap afin de gagner réellement en performances à l'échelle de l'équipement. L'équipe ESE, participe à des programmes de recherche impliquant des industriels qui développent ces nouvelles techniques de packaging particulièrement adaptées aux modules de MOSFETs et Diodes SiC. Les type de modules en développement sont ultra compacts et offrent un double refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur. Les verrous sont nombreux:

• Assemblage double face des puces à l'aide de billes et de brasures spécifiques
• Mise en parallèle de plusieurs MOSFETs dont il faut garantir l'équilibre des courants
• Non accessibilité de la température individuelle de jonction de chaque puce
• Modèle électrique thermosensible du MOSFET SiC à développer
• Implémentation d'une méthode de détection et de repérage de défauts dans l'assemblage, basée sur une comparaison entre une modélisation thermique 3D et une mesure de réponses thermiques transitoires
• Implémentation de modèles compacts électrothermiques à destination de l'équipementier appelé à intégrer ces nouveaux modules dans une application réelle avec son environnement spécifique

Fiabilité des Hemts de puissance en GaN

Dans le domaine des applications spatiales, les interrupteurs à grand gap en GaN sont particulièrement attendus du fait notamment de leur tenue aux rayonnements cosmiques. L'équipe ESE a participé à un programme de recherche qui a visé la caractérisation des modes de défaillance de ces interrupteurs. Les différents modes de défaillance des composants HEMT de puissance ont été répertoriés et mis en lien avec les comportements macroscopiques de ces composants.

L'un des effets le plus limitatif des performances des HEMTs de puissance concerne la résistance à l'état ON en mode transitoire lors d'une commutation. Un phénomène de piégeage et de dépiégeage de charges a été identifié comme responsable de cette limitation importante dans l'utilisation de ces composants en commutation haute fréquence.

Une étude des effets du vieillissement sur le comportement de la résistance dynamique à l'état passant a été réalisée.

Modèles électrothermiques compacts

Depuis plusieurs décennies, nous développons au LAAS une méthodologie de modélisation thermique et électrothermique. L'une des pistes pour tenir compte du couplage électrique-thermique pour obtenir avec finesse les températures de jonction des composants en fonctionnement consiste en une réduction du modèle thermique tout en gardant la prise en charge des non linéarités, de l'évolution du flux thermique dans les structures multicouches en fonction des conditions aux limites. Ces modèles doivent par ailleurs prendre en compte des couplages thermiques internes et la présence de plusieurs chemins de refroidissement.