Etude de l'assemblage d'un module de puissance SiC sur radiateur céramique avec refroidissement double face

Design of a double sided liquid cooled SiC phase leg module using ceramic heatsink

• Auteur / Autrice : Nicolas Botter
• Direction : Yvan Avenas, Jean-Michel Missiaen, Didier Bouvard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 02/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble) - Equipe de recherche Electronique de puissance (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Fiqiri Hodaj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alberto Castellazzi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Silvain, Xavier Jorda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Céramique industrielle

Frittage d'argent

Modules de puissance (électronique)

Carbure de silicium

Mots clés libres

Céramique

Frittage

Module de puissance

Ceramic

Sintering

Power module

Résumé

Dans un contexte de réchauffement climatique, l’opinion publique pousse les constructeurs aéronautiques à réduire les émissions de gaz à effet de serre produits par les vols commerciaux. Un levier d’action envisagé consiste à augmenter la part de l’électricité comme source d’énergie des actionneurs présents à l’intérieur des aéronefs dans le but de réduire leur masse. Néanmoins, les composants utilisés dans les convertisseurs d’électronique de puissance ne sont pas conçus pour fonctionner dans des environnements sévères tels que celui de l’aviation. Les boitiers des composants semi-conducteurs doivent donc être repensés afin de présenter des niveaux de fiabilités satisfaisants.Ce travail de thèse avait pour objectifs l’étude et la réalisation d’un module de puissance innovant à base de composants SiC, d’argent fritté et de substrats céramiques. L’étude de faisabilité a été réalisée en trois étapes. Tout d’abord, une attention toute particulière a été apportée à l’optimisation du procédé de frittage d’argent étant donné que l’accroche des composants mais aussi les pistes de puissance de ce module sont réalisées par frittage. Cette optimisation a été réalisée grâce à une étude dilatométrique inédite faite sur des échantillons de pâte d’argent d’une épaisseur de l’ordre de 100 µm. Cette étude a été particulièrement intéressante car elle a permis d’accéder à la cinétique de frittage, alors qu’en général seul l’état final de l’argent fritté est inspecté par analyse de coupe métallographique. Par la suite, les caractéristiques physiques ainsi que l’impact du vieillissement sous stockage et cyclage thermiques ont été étudiés sur des assemblages simples afin de sélectionner la meilleure association de matériaux et de procédés d’élaboration pour la réalisation du module final. Des résistances au cisaillement de l’ordre de 10 MPa ont été mesurées sur des échantillons ayant subis 1000 cycles thermiques sévères de -50°C à 180°C. Enfin, dans une dernière partie, les différentes étapes de réalisation du module de puissance ont été mises en place et ont permis la fabrication de dispositifs fonctionnels. Ce dispositif a finalement été caractérisé afin de quantifié l’impact de tout le processus de réalisation sur les composants de puissance. Des axes d’amélioration ont finalement été présenté dans le but d’améliorer l’assemblage des futurs modules double face.

In the context of global warming, public opinion is pushing aircraft manufacturers to reduce the greenhouse gas emissions produced by commercial flights. One possible way of doing this is to increase the share of electricity as a source of energy for the actuators inside the aircraft in order to reduce their weight. However, the components used in power electronics converters are not designed to operate in harsh environments such as aviation. The semiconductor component packages must therefore be redesigned to provide satisfactory levels of reliability.The objectives of this thesis were to study and develop an innovative power module based on SiC components, sintered silver and ceramic substrates. The feasibility study was carried out in three stages. Firstly, special attention was paid to the optimization of the silver sintering process, as the components and the power tracks of this module are sintered. This optimization was carried out thanks to a novel dilatometric study carried out on silver paste samples with a thickness of around 100 µm. This study was particularly interesting because it allowed access to the sintering kinetics, whereas usually only the final state of the sintered silver is inspected by metallographic section analysis. Next, the physical characteristics as well as the impact of ageing under thermal storage and cycling were studied on simple assemblies in order to select the best combination of materials and manufacturing processes for the final module. Shear strengths of the order of 10 MPa were measured on samples that were subjected to 1000 severe thermal cycles from -50°C to 180°C. Finally, in the last part, the different steps of the power module realization were implemented and allowed the fabrication of functional devices. This device was finally characterized in order to quantify the impact of the whole realization process on the power components. Thanks to those results, a number of improvements were presented to enhance the assembly of future double-sided modules.