Intégration technologique alternative pour l'élaboration de modules électroniques de puissance

Advanced technological integration for power electronics modules

• Auteur / Autrice : Bastien Letowski
• Direction : Jean-Christophe Crebier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 25/11/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble) - Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Alquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Rouger, Julie Widiez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Morancho, Frédéric Richardeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mise sous boîtier (microélectronique)

Semiconducteurs à large bande interdite

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Packaging 3D

Conception couplé composant/packaging

Collage direct métal-Métal

Fabrication collective

Packaging à l’échelle de la plaque

Power Electronics

3D packaging

Wire-Bond-Less module

Wafer-Level packaging

Direct copper bonding

Coupled design device/package

Résumé

Les performances, l’encombrement, l’efficacité et la fiabilité des dispositifs sont parmi les enjeux majeurs de l’électronique de puissance. Ils se traduisent sur la conception, la fabrication et le packaging des semiconducteurs. Aujourd’hui, le packaging 3D apporte des réponses concrètes à ces problématiques en regard de l’approche standard (2D). Malgré les excellentes propriétés de ces modules 3D au niveau de la réduction de la signature CEM et du refroidissement, la réalisation, notamment les interconnexions, est complexe. Une approche globale prenant en compte un maximum de paramètres a été développée dans cette thèse. L’ensemble de ce travail s’appuie sur deux propositions que sont la conception couplée entre les composants et le packaging ainsi qu’une fabrication collective à l’échelle de la plaque des modules de puissance. Elles se combinent par la mise en place d’une filière d’étapes technologiques appuyée sur une boite à outils de procédés génériques. Cette approche est concrétisée par la réalisation d’un module de puissance 3D performant et robuste adressant des convertisseurs polyphasés avec des gains aussi bien sur les procédés de fabrication que le module lui-même ainsi que sur le système final.Ce travail offre une nouvelle vision alternative pour l’élaboration des modules électroniques de puissance. Il ouvre également des opportunités pour une fabrication et un packaging plus performants pour les nouveaux semiconducteurs grand gap.

Performances, efficiency and reliability are among the main issues in power electronics. Nowadays, 3D packaging solutions increase standard planar module (2D) performances, for instance EMC. However such integrations are based on complex manufacturing, especially concerning interconnections. Improvements require global and advanced solutions. This work depends on two proposed concepts: a coupled design of the power devices and their associated package and a collective wafer-level process fabrication. A technological offer is proposed based on an innovative power packaging toolbox. Our approach is materialized by the fabrication of a 3D polyphase power module which proved to be more efficient and reliable. The benefits are more precise process manufacturing, lower EMI generation and lower inductive interconnections.As a matter of fact, this work offers a new and advanced technological integration for future power electronics modules, perfectly suitable for the wide bandgap semiconductors.