Structure, dégradation et modes de défaillance des puces et modules de puissance

Structure, dégradation et modes de défaillance des puces et modules de puissance

Les composants de puissance à semi-conducteur sont les composants actifs permettant au sein des convertisseurs statiques d’énergie d’assurer la conversion et le contrôle de l’énergie électrique. Les premiers composants de puissance à semi-conducteur développés furent les redresseurs en germanium (1952) puis en silicium (1955). Les premiers thyristors sont apparus en 1957.

Le transistor bipolaire de puissance est apparu au début des années 1960, puis suivirent des composants dérivés du thyristor tels que le triac, le thyristor asymétrique rapide, le thyristor à déclenchement optique, et le GTO (thyristors Gate Turn Off) dans les années 1980.

Les transistors MOS de puissance (transistor à effet de champs Métal Oxyde Semi-conducteur) développés dans les années 1980 également présentent de nombreux avantages par rapport au transistor bipolaire mais restent confinés pour les composants silicium aux applications de relativement faible tension. Le développement du transistor IGBT a permis de complètement révolutionner l’électronique de puissance, il assure la commutation de puissances élevées (jusqu’à environ 5MVA),

il est robuste (tenue de courant de court-circuit supérieure à 10µs) sa commande est relativement simple à mettre en œuvre et le compromis entre chute de tension à l’état passant et pertes par commutation autorise des fréquence de commutation élevées pour des composants faible puissance (de l’ordre de 100kHz pour des composants 600V-20A) et de l’ordre de 1kHz pour les composants les plus conséquents en puissance,

Matériaux semi-conducteurs pour composants de puissance

L’élément actif d’un composant ou module de puissance est la puce à semi-conducteur. Actuellement, le matériau utilisé pour la fabrication de puces est le silicium même si apparaissent des composants à base de matériaux grand gap tels le SiC ou le GaN. On constate également une forte volonté d’augmenter la température maximale admissible par les puces. Cette tendance forte est motivée par le développement de certaines applications plaçant les composants de puissance dans un environnement « haute température ».

On peut penser aux 29 Matériaux semi-conducteurs pour composants de puissance applications automobiles hybrides avec une température ambiante pouvant atteindre 90 à 120°C ou plus critiques, les applications aéronautiques (200°C au voisinage du réacteur) et pétrolières. La montée en température est également liée à l’intégration de plus en plus compacte des convertisseurs d’énergie.

Dans le même temps, une montée en température des puces permet de réduire le volume des refroidisseurs d’où un gain de volume et de masse conséquent sur les convertisseurs. Dans des conditions sévères à haute température, le silicium atteint rapidement ses limites lorsque par exemple la concentration intrinsèque de porteurs générés devient du même ordre de grandeur que le dopage de la région N- assurant la tenue en tension (il devient alors difficile de différencier un semi conducteur de type N d’un semi-conducteur de type P).

A titre d’exemple, la limite pour le silicium est de l’ordre de seulement 175°C pour un composant de tension de claquage 1200V alors qu’elle est de l’ordre de 250°C pour une tension de claquage d’environ 100V (cf. figure 1.2). Figure 1.2 Température théorique maximal d’utilisation des différents matériaux [WONDRAK_99] Ainsi pour les applications de puissance à haute température, les matériaux à grand gap sont extrêmement intéressants car ils repoussent les limites en températures rencontrées avec le silicium.

Ces matériaux modifient également complètement les domaines d’utilisation potentiels des composants unipolaires et bipolaires. Pour le silicium, les composants unipolaires possèdent de meilleurs performances que les bipolaires tant que la tension de claquage reste inférieure à environ 400V. Ce chiffre ne concerne pas les composants à base de super-jonction dont nous parlerons ultérieurement. Pour les composants SiC cette limite est largement repoussée vers la haute tension.

Les composants grand gap présentent en effet un champ critique d’avalanche considérablement plus élevé que celui du silicium (facteur 10 pour le SiC) ce qui permet de concevoir des composant SiC ayant une épaisseur de base 10 fois plus faible qu’un composant Si de même tenue en tension, avec un dopage 100 fois plus élevé. La résistance spécifique d’un composant SiC peut ainsi être environ mille fois plus faible que celle d’un composant

Si de même calibre en tension. C’est la raison pour laquelle tant d’efforts sont actuellement consentis sur les matériaux grand gap tels que le SiC ou le GaN. 2. Puce à semi conducteur de puissance Comme nous l’avons déjà évoqué, l’apparition du transistor MOS (Métal-Oxyde-Semi-conducteur), dans les années 1980, a provoqué un changement radical de conception dans le domaine des composants de l’électronique de puissance.

Dans cette section, nous allons présenter succinctement les structures générales de transistors MOS et transistors IGBT qui sont les deux principaux composants utilisés actuellement en électronique de puissance. Nous présenterons également les spécificités des transistors COOLMOSTM qui ont été utilisés pendant cette thèse. Nous nous attarderons particulièrement sur les mécanismes physiques pouvant être à l’origine physique de la défaillance des puces. 30