Contacts électro-thermo-mécaniques innovants pour les systèmes et l'électronique de puissance intégrée à grande échelle – ECLIPSE

L'efficacité énergétique passe par une conception très intégrée des systèmes électroniques et notamment des convertisseurs d'énergie électrique. Les évolutions topologiques et fonctionnelles actuelles reposent sur de nouvelles architectures de conversion de l'énergie. L'encapsulation doit maintenant être imaginée en 3D et de manière très compacte tout en autorisant le fonctionnement des structures de conversion dans des environnements sévères (au niveau électro-thermo-mécanique). Pour cela, il est nécessaire de revoir et d'innover en terme de matériaux, de report et de prise de contact au niveau des composants actifs et des assemblages. Les tendances actuelles militeraient plutôt vers une multi-fonctionnalisation des puces actives conduisant à l'encapsulation double face de composants classiques ou multi-potentiels de puissance. En tout état de cause, il est nécessaire d'innover en terme de report des composants actifs double face et multi-potentiels de puissance sur substrats en électronique de puissance intégrée à travers une prise en compte couplée des fonctions électriques, thermiques et mécaniques tout en gardant à l'esprit les aspects robustesse et fiabilité. En ce sens, le projet regroupe, développe et caractérise des développements technologiques nouveaux conduits dans ces directions et pour adresser ces problématiques. Les trois techniques étudiées ont été sélectionnées sur la base de réflexions propres à chacun des partenaires. Si elles sont toutes les trois différentes, elles ont comme point commun d'adresser la même problématique avec les mêmes gains escomptés. Elles ont été sélectionnées car, à ce jour elles sont parmi les seules à ne reposer sur aucune mise en ?uvre ou assemblage à base de brasure et de wire bonding, qui, nous le savons, sont les éléments aujourd'hui limitant vis-à-vis de la montée en température et de la robustesse des assemblages. L'objet du projet ECLIPSE consiste à franchir un cap dans la poursuite des développements technologiques de ces trois techniques de report et de prise de contact. S'en suivra leur évaluation. Pour cela, et de manière à optimiser le travail de manière globale, des véhicules de test mais aussi des puces spécifiques seront développées pour normaliser la caractérisation des technologies mais aussi pour coupler l'effort de développement technologique. Nous pourrons alors dégager les avantages et les inconvénients de chacune d'elles, identifier les domaines d'application privilégiés des approches technologiques développées dans le cadre de ce projet. Le travail de recherche repose donc sur deux efforts importants : -Des développements technologiques couplés au niveau puce de puissance (simple et double face, multi potentiels de puissance) et au niveau des contacts assurant l'amenée du courant, l'évacuation des pertes et la tenue mécanique de la puce. -La caractérisation complète des différentes techniques de prises de contact étudiées en fonction des contraintes et des conditions définies par nos soins : a) caractérisation des performances électriques, thermiques et mécaniques des solutions technologiques développées (mais aussi évaluation de la limite de tenue en température). Notre objectif en ce sens consistera à valider les techniques de prises de contact pouvant atteindre une température de fonctionnement pouvant aller jusqu'à 200°C au niveau des puces. Ce niveau de température permettra d'aborder le report des premières générations de puces "hautes températures" type SiC, ou des applications Si de puissance en basse tension. b) caractérisation en robustesse et en fiabilité de ces solutions (tests de vieillissement par cyclages thermiques et électriques actifs et passifs) On s'appuiera sur une base silicium commune et dédiée pour favoriser la cohérence et l'analyse comparative. On pourra par exemple développer la technologie sur des puces nues du commerce mais aussi sur des dispositifs spécifiques conçus et réalisés par nos soins : diodes 600V, diodes basse tension haute température, barreaux de silicium de différentes surfaces (de quelques mm² à quelques cm²), avec différents contacts (dans le sens de plusieurs contacts de puissance à potentiels différents sur la même puce). En fin de projet, une équipe pérenne sera constituée. Celle-ci sera composée de partenaires universitaires référents dans un domaine très important pour nos industries et notre tissu scientifique et technologique en électronique de puissance (à travers la compétence technologique mais aussi l'expérience et la connaissance en termes de caractérisation et d'analyse à travers l'expertise et la mise en place de protocoles et de bancs d'étude et de caractérisation).