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Module de puissance à base de cuivre avec un refroidissement direct – COPPERPACK

COPPERPACK

Module de puissance à base de cuivre avec un refroidissement direct

Enjeux et objectifs

Le projet COPPERPACK vise à préparer une nouvelle classe de modules de puissance basée sur des technologies en rupture afin d’augmenter les performances électrique, thermique, le rendement ainsi que la fiabilité des convertisseurs. Des modules de puissance refroidis des deux côtés et présentant de hautes performances seront réalisés et évalués.

La réalisation de ces modules sera basée sur trois briques technologiques qui font l’objet d’une attention très ciblée dans ce projet :
1. La synthèse des films de cuivre nanoporeux (auto supportés ou déposés sur un substrat) ayant une microstructure contrôlée en utilisant plusieurs approches (alliage par trempe sur roue ou par électrodéposition suivi d’une dissolution sélective (chimique ou électrochimique) ainsi que l’électrodéposition de film poreux directement en contrôlant les bains et les conditions électriques lors du procédé d’électrodéposition).
2. La thermocompression des films de cuivre nanoporeux afin de réaliser les joints entre les substrats et les composants. Des techniques conventionnelles de thermocompression sous atmosphères contrôlées seront étudiées ainsi que la thermocompression rapide en utilisant une source laser pour chauffer localement le joint.
3. L’électroformage de refroidisseurs à haute performance directement sur les substrats métallisés en utilisant des structures hybrides avec du cuivre épais et dense ainsi que des structures poreuses comparables aux mousses métalliques.

Elaboration de rubans nanoporeux de quelques dizaines de micron d’épaisseur, de microstructure homogène. Porosité = 40 vol% ajustable par la composition et/ou la durée du traitement de dissolution, ligaments = 50-100 nm et pores = quelques centaines de nanomètres, ajustables par la température de dissolution et/ou par un traitement thermique post-dissolution.

Les dépôts poreux épais de Cu utilisant la technique Dynamic Hydrogen Bubble Template (DHBT) ont montré très rapidement la possibilité de la maitrise de la taille des pores et des ligaments dans une large mesure, ouvrant la porte à des nouvelles caractérisations (traitement des images des coupes, traitements des données du bruit électrochimique) et la capacité de produire des échantillons variés pour les tests de thermocompression au SIMAP et de dépôts très épais au G2ELab.

Essais de thermocompression sur des films nanoporeux réalisés par plusieurs technologies.
Réalisation de radiateur hybrides (mousses et massif) à base de cuivre par électroformage.
Réalisation et évaluation des modules de puissance utilisant ces technologies.

Publications scientifiques
1. J. SCHOENLEBER, M-P. GIGANDET, B. FEDI, J-Y. HIHN “Porous Copper Electroforming by Dynamic Hydrogen Bubble Template Using Continuous and Pulse Currents” acceptée à l’ECS 240th Orlando USA.
2. L. CHACHAY, J.M. MISSIAEN, D. BOUVARD, R. DAUDIN, « Fabrication de rubans de cuivre nanoporeux par dissolution sélective d’alliages Cu-Mn : application à l'assemblage par thermocompression», Journées annuelles de la SF2M (octobre 2021)

L’introduction sur le marché des composants à semi-conducteurs de puissance grand gap pouvant fonctionner à une température de jonction supérieure à 200 °C accélère la tendance vers le développement des convertisseurs d’électronique de puissance présentant une forte densité de puissance et s’intégrant dans des environnements présentant des contraintes thermiques sévères. Du fait des gains qui peuvent être envisagés en termes de masse et de volume au niveau des systèmes électriques, cette tendance impactera significativement le développement des avions plus électriques et permettra la réduction du coût de fonctionnement des aéronefs. Cependant, pour l’électronique utilisée dans des environnements sévères, la robustesse, la fiabilité ainsi que l’évacuation de la chaleur générée par les composants à semi-conducteurs de puissance sont des considérations critiques. L’objectif de ce projet est de développer des modules de puissance très performants refroidis sur deux faces. L’empilement est basé sur des joints et un radiateur en cuivre et intègre plusieurs technologies de rupture. Les trois briques technologiques qui nous permettront d’atteindre notre objectif et qui seront investiguées sont les suivantes:
1) L’élaboration et la synthèse de films nanoporeux en cuivre ayant une microstructure contrôlée et se présentant sous forme de films autoporteurs ou en couches directement déposées sur des substrats métallisés : Trois stratégies différentes seront adoptées et évaluées au cours du projet: la synthèse des films en alliage à base de cuivre réalisés par trempe sur roue et suivie par une étape de dissolution chimique sélective, l’électrodéposition d’un alliage à base de cuivre directement sur le substrat, suivi par une étape de dissolution anodique sélective, et finalement, l’électrodéposition directe de couches de cuivre poreux en contrôlant la formulation de l’électrolyte et les paramètres électriques lors de l’électrodéposition.
2) La thermocompression de cuivre nanoporeux pour l’attache de la puce : Le chauffage conventionnel sera réalisé à basse pression, sous atmosphères réductrices ou inertes afin de limiter les problèmes d’attache que peut engendrer l’oxydation du cuivre. Une alternative basée sur le chauffage par laser lors de la thermocompression, permettant d’augmenter rapidement la température et de limiter ainsi l’oxydation, sera aussi étudiée sous air. Une attention particulière sera dédiée à l’étude des mécanismes physiques qui prennent place lors de la thermocompression de différentes morphologies et microstructures de cuivre nanoporeux. La stabilité des joints d’attache sera évaluée sous fortes contraintes électro-thermo-mécaniques.
3) Le dépôt de couches de cuivre pour l’assemblage du radiateur sur le substrat métallisé en utilisant la technique de l’électroformage : Les couches épaisses de cuivre seront déposées sur des préformes polymères qui seront dissoutes par la suite. La technologie permettra de créer des formes de refroidisseurs complexes (convection forcée monophasique) avec de faibles contraintes résiduelles dans l’assemblage substrat/radiateur. La combinaison entre cette technologie et le prototypage virtuel permettra de concevoir et fabriquer des refroidisseurs optimisés vis-à-vis de critères de résistance thermique et de pertes de charge. Les performances thermo-hydrauliques ainsi que la robustesse des assemblages sous des variations répétitives de température seront étudiées.
Des modules de puissance (bras d’onduleur) avec des composants à semi-conducteur de puissance en Carbure de Silicium (SiC) seront ensuite réalisés en utilisant les briques technologiques mentionnées ci-dessus. L’évaluation des performances électriques, thermiques et de la robustesse des modules est prévue. Le projet COPPERPACK contribuera à la validation du concept et à le faire monter en maturité d’un niveau 2 vers un niveau 3-4 avec un évaluateur technologique fonctionnel.

Coordination du projet

Rabih KHAZAKA (SAFRAN)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SAFRAN
G2Elab Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble
Grenoble INP / SIMAP Institut polytechnique de Grenoble
INSTITUT UTINAM UNIVERS, TEMPS-FREQUENCE, INTERFACES, NANOSTRUCTURES, ATMOSPHÈRE ET ENVIRONNEMENT, MOLÉCULES

Aide de l'ANR 593 745 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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