Intégration ultime d'un système multicellulaire de commutation de puissance sur puce multi-pôles silicium. – ConvPlUS

Ce projet s’inscrit dans le contexte d'une électronique de puissance plus intégrée avec pour principal objectif de faire émerger de nouvelles structures silicium et quasi-monolithiques de cellule de commutation plus performantes et plus fiables. Ce projet consiste en particulier à développer et à démontrer la faisabilité de deux approches originales d’intégration de bras de pont montés en parallèle dans un module de puissance ultra-compact permettant la suppression des fils de bonding et la réduction des capacités parasites de couplage afin d’améliorer leurs performances électriques et leur fiabilité.
Les stratégies que nous proposons pour l’amélioration des performances des modules de puissance sont originales dans le sens où elles combinent les approches d'intégration monolithique et hybrides dans une démarche globale résolument système. Les approches suivies jusqu’à présent se focalisaient essentiellement sur des avancés au niveau du silicium seul ou au niveau du packaging seul avec une réduction des effets inductifs parasites dans le module par l’utilisation de technologies d’interconnexion parfois très complexes et dont la fiabilité reste à démontrer.
Pour les applications cantonnées à la faible puissance (quelques centaines de Watts), l’intégration monolithique de structures de conversion et de leurs circuits de commande est envisageable grâce à l’utilisation de composants de puissance à structure latérale réalisés en surface de la puce de silicium. Cette technologie est néanmoins restreinte aux domaines de l'électroménager, de la domotique et des auxiliaires de puissance. Elle présente toutefois l'avantage d'éviter toute interconnexion filaire et offre un potentiel de fabrication collective important et une productivité alignée sur la filière silicium classique.
Pour les applications de moyenne puissance (qqs kW à qqs 10kW), l’utilisation de composants de puissance à structure verticale est indispensable. Ces composants monolithiques traversent entièrement le substrat silicium dans lequel ils sont réalisés. Lorsque plusieurs sections de composants monolithiques verticaux sont réalisées sur un même substrat silicium, leurs régions de drift (faiblement dopée) ne sont pas électriquement isolées les unes des autres et cette particularité constitue un verrou scientifique et technologique à lever dans le cadre de cette proposition de projet.
Pour y répondre, nous avons récemment engagé des travaux de recherche sur le design et la technologie de réalisation de nouvelles puces "multi-interrupteurs" à architecture verticale afin d'apporter des solutions originales permettant de rendre viable le concept de réalisation de cellules de commutation en utilisant un assemblage réduit à seulement deux puces "multi-interrupteurs" et ainsi espérer réaliser un véritable saut technologique dans le domaine de l'électronique de puissance intégrée par rapport à l'approche usuelle d'hybridation multi-puces en grand nombre. Nous visons dans un premier temps la conception et la réalisation de nouvelles puces "multi-interrupteurs" à architecture verticale en version anode et cathode commune, et dans une seconde phase, la fusion de ces deux puces "multi-interrupteurs" et complémentaires au sein d'une même macro-puce verticale d’une architecture particulière. Les structures monolithiques silicium et les structures de packaging 3D compacts seront traitées simultanément et au même niveau d'homogénéité selon une approche système visant des cibles applicatives génériques et des démonstrateurs de laboratoire. La seconde phase du projet est très ambitieuse, elle constitue un challenge technique important et, si elle est atteinte, constituerait une intégration de puissance "ultime" très attractive à nos yeux.