Electronique - Les modules IGBT

Les modules IGBT
Accroître la fiabilité et la durée de vie du module IGBT, minimiser les inductances parasites, diminuer le volume du boîtier tout en abaissant les coûts d'assemblage sont au centre des préoccupations. Quant aux dernières technologies de puces embarquées, elles visent à optimiser l'éternel compromis entre pertes en commutation et en conduction, et à augmenter la densité de courant.

Philippe Corvisier , Electronique Mensuel, le 19/01/2007 à 08h00

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	Sommaire du dossier
	Les modules IGBT
	Tenir compte des contraintes électriques, thermiques et mécaniques

Les modules IGBT couvrent aujourd'hui une large gamme, allant d'une dizaine à quelques milliers d'ampères et de 300 à 6 500 V, afin de se conformer aux desideratas d'une multitude d'applications, dans les domaines des fortes et des moyennes puissances. Sous diverses formes, on retrouve ainsi le module IGBT dans la commande industrielle de moteurs, les alimentations ininterruptibles (UPS), la traction électrique, la gestion de sources d'énergie éolienne ou solaire, les véhicules électriques, les ascenseurs, les appareils domestiques...

Dans un module, les puces IGBT sont disposées en parallèle afin d'obtenir le calibre en courant désiré, tout en bénéficiant d'un rendement satisfaisant en production. Des associations plus ou moins complexes sont envisageables, allant du simple interrupteur formé d'un IGBT avec sa diode en antiparallèle, en passant par le hacheur, le bras de pont, les ponts en H ou triphasé (six-pack). Pour s'acheminer vers le module de puissance complet, baptisé CIB (converter, inverter, brake) ou PIM (power integrated module), réunissant dans un même boîtier : un pont redresseur à diodes, un hacheur de freinage, ainsi que les six IGBT de l'onduleur avec leurs diodes de roue libre. Quant aux modules dits « intelligents » ou IPM (intelligent power module), ils incluent en sus le driver et différents capteurs chargés de mettre en évidence un échauffement de température excessif, une surcharge ou un court-circuit.

Les dernières avancées technologiques ont pour objectif d'améliorer la fiabilité des modules, et portent sur l'éternelle optimisation du compromis entre les pertes en régimes de commutation et de conduction dans les éléments semiconducteurs. Pour ce faire, de nouvelles variantes de structures existantes sont régulièrement dévoilées, permettant au final d'accroître la densité de courant, ou inversement de diminuer la surface de silicium à intensité donnée.

Quant à la tenue en tension, elle ne semble guère pouvoir aller bien au-delà des 6 500 V actuels, tant les perspectives offertes par la technologie silicium semblent limitées.

Des puces pour tous les usages
Afin de répondre aux attentes d'un large éventail d'applications, chacune étant caractérisée par des conditions opératoires (fréquence de commutation, tension de blocage...) et des modes de fonctionnement particuliers, les fabricants de modules n'hésitent pas à recourir à des puces IGBT de natures différentes.

Historiquement, les structures PT (punch through) et NPT (non punch through) sont les plus anciennes. Pour schématiser, la structure PT traditionnelle permet par principe d'obtenir des pertes en conduction réduites, tandis que le procédé NPT donne des composants intrinsèquement plus rapides avec de faibles pertes en régime de commutation. On optait souvent pour les premières dans les gammes 600 et 1 200 V, pour les secondes en 1 200 V et au-delà. Les progrès technologiques aidant (incluant les procédés de réalisation sur wafer mince), la donne a depuis été quelque peu redistribuée.

Sans entrer dans les détails, précisons simplement que les différences se situent au niveau du dessin et des dopages des couches basses de la cellule. Les NPT sont développés sur une base de silicium homogène, sur laquelle sont diffusés le collecteur et les autres couches. La tension inverse est supportée par une couche épaisse n-, ce qui confère à l'IGBT une chute de tension à l'état passant assez élevée. Un problème contourné par les dernières générations de puces sur wafer mince, caractérisées par une faible tension de saturation, au prix d'une certaine fragilité mécanique.

Dans le cas d'une technologie PT, une couche tampon fortement dopée n+ et une seconde faiblement dopée n-, obtenues par croissance épitaxiée, reposent sur un substrat p+. La minceur de la couche n- se traduit par l'obtention d'une chute de tension très faible à l'état passant. Cependant, afin de réduire la durée de vie des porteurs dans la zone tampon, et ainsi conserver de faibles pertes en commutation, on a recours à des procédés d'irradiation ou d'injection de métaux lourds qui ont le fâcheux inconvénient de remonter le V CE(sat) et, par voie de conséquence, les pertes en conduction.

Du fait des effets d'autorégulation naturels facilitant la mise en parallèle des IGBT, les composants de type NPT bénéficiaient à l'origine d'un attrait supplémentaire. Et ce grâce à un coefficient de dérive thermique de la tension V CE(sat) positif au courant de travail, minimisant le risque d'emballement thermique.

Les nouvelles technologies apparues ces dernières années ont tenté de réunir les avantages des structures PT et NPT. Ainsi en est-il de l'IGBT à champ limité, appelé « field stop » par Infineon et Fuji. Le profil de champ électrique, de forme trapézoïdale, est ici similaire à celui d'une puce PT, tandis que le coefficient de température est positif à l'état passant. Lors de l'ouverture de l'IGBT, le champ électrique est arrêté par une couche tampon faiblement dopée n, ce qui permet de réduire le phénomène de queue de courant dû à l'accumulation des charges.

Un principe similaire a été adopté par Mitsubishi et ABB pour leurs puces baptisées LPT (light punch through) pour le premier, SPT (soft punch through) pour le second. Cependant, si le principe reste similaire, la structure peut être bien différente. Ainsi, si d'un côté Infineon met en oeuvre une grille en tranchée pour ses IGBT ³ et IGBT ⁴ , ABB a recours à une construction planaire plus classique. Notons que cette dernière société a introduit l'an dernier de nouvelles puces SPT, dites SPT ⁺ . Celles-ci conservent les caractéristiques de leurs aînées, si ce n'est le V CE(sat) réduit de quelque 30 % (cas d'une puce 3 300 V), ou la densité de courant améliorée (cas d'une puce 1 200 V).

Appliquée aux IGBT, la structure en tranchée (trench) a pour intérêt d'éliminer l'effet JFet parasite des cellules IGBT classiques. La chute de tension à l'état passant et la résistance de canal de l'IGBT sont également réduites. La faible largeur de la grille enterrée, et non plus disposée en surface comme dans une cellule planar conventionnelle, autorise une densité de courant plus importante, tandis que les effets de latch-up sont minimisés. L'inconvénient principal est l'accroissement de la capacité grille-émetteur qui modifie le comportement dynamique de l'IGBT.

Du fait de ses nombreux atouts, la technologie trench a ouvert de belles perspectives quant au développement de modules performants et compacts. La complexité du procédé de fabrication étant ici compensée par une moindre quantité de silicium consommé.

Un boîtier aux multiples fonctions
Accroître la fiabilité et la durée de vie des modules, minimiser les inductances parasites, diminuer le volume du boîtier tout en abaissant le coût d'assemblage, sont également au centre des préoccupations.

Le plus souvent, le module est présenté dans un boîtier plastique avec semelle métallique. Les puces reliées aux connexions métalliques par des fils de bonding reposent sur un substrat céramique (figure). Celui-ci est chargé de l'isolation électrique avec la semelle, elle-même se trouvant à son autre extrémité en contact avec le dissipateur, au travers d'un film ou d'une graisse thermique. Le module est rendu solidaire du dissipateur par l'intermédiaire de vis, dont le couple de serrage doit être respecté.

Des joints de brasure sont réalisés entre puces et céramique isolante, entre céramique et semelle métallique. Classiquement, il est fait appel à un procédé de type DCB (Direct copper bonding) pour une bonne adhésion du cuivre sur la surface en céramique.

La fatigue des joints de brasure est une source potentielle d'aléas. D'un côté, les forces électro-magnétiques créées à chaque impulsion de courant peuvent créer des microfissures au niveau de la liaison entre puce et bonding. De l'autre, lors des cyclages thermiques, les points de raccordement entre puces et substrat et entre ce dernier et la semelle sont soumis à de fortes contraintes mécaniques, si les coefficients de dilatation thermiques (CTE, Coefficient of thermal expansion) des différents matériaux sont différents.

Le cuivre, du fait de son excellente conductivité thermique, et l'AlSiC sont des matériaux courants pour la semelle. Pour les isolants, l'alumine (Al 2 O 3 ) et le nitrure d'aluminium (AlN) sont les choix traditionnels.

Dans certaines applications, où les modules sont soumis à rude épreuve, les phénomènes de fatigue thermique sont minimisés en privilégiant l'association AlSiC et AlN. Le premier affiche une conductivité thermique satisfaisante, certes inférieure à celle du cuivre, tout en se dilatant dans les mêmes proportions que le nitrure d'aluminium du substrat céramique.

Dans le cas de très fortes puissances et lorsque les conditions sont particulièrement sévères (applications de traction par exemple), et ce à l'instar des composants bipolaires (thyristor, GTO), il est parfois fait usage de boîtiers pressés ou « press-pack » . La dissipation des calories est ici optimisée par un refroidissement double face.

Pour sa part, partant du principe que les interfaces brasées entre le substrat et l'embase sont des causes de défaillance importantes, Semikron privilégie l'alternative sans semelle dans ses modules SKiiP. Les contacts électriques sont ici pressés sur le substrat, de même que la céramique directement sur le dissipateur en de nombreux points. En l'absence de toute embase en cuivre, le nombre ainsi réduit des interfaces thermiques est tout bénéfice pour abaisser la résistance thermique de l'ensemble. Quant à la contrainte exercée sur le joint de brasure, normalement présent entre la céramique et la semelle, elle n'existe plus. De fait, la tenue aux cycles de température de grande amplitude est améliorée.

Dans les MiniSKiiP de la même société, ce principe des contacts pressés est combiné à la technologie des contacts ressorts. Ceux-ci sont chargés d'établir toutes les connexions électriques entre le module de puissance et la carte de commande. Ce qui, vis-à-vis des pratiques traditionnelles faisant usage de connecteurs à broches et de joints de brasure, se révèle avantageux à bien des égards. En premier lieu, les coûts d'investissement (aucun équipement de brasage n'est en effet requis) et de mise en oeuvre sont réduits. En second lieu, l'éviction des joints de brasure et des phénomènes néfastes associés, tels ceux causés par les vibrations mécaniques, se traduit par une fiabilité accrue.

Au-delà du simple module de puissance
Dans les convertisseurs de puissance, les modules IGBT sont couplés à une carte de commande, dont la mission est non seulement de piloter les IGBT (c'est-à-dire initier et contrôler les passages de l'état passant à l'état bloqué), mais aussi d'en assurer l'intégrité en cas d'anomalies diverses. Auquel cas, le driver doit en informer l'organe de commande globale.

Dans un module IPM, l'étage de puissance et le circuit de commande de grille cohabitent dans le boîtier. L'appariement entre les deux entités est alors réalisé. De surcroît, tout un éventail de protections contre les surintensités, les températures excessives, les sur et sous-tensions est fourni. Ce type de module est très en vogue dans les applications grand public (réfrigérateurs, machines à laver...), où une politique de prix agressive est de mise, ou plus généralement pour la commande de moteurs de puissance modeste. Dans cette catégorie, nous citerons par exemple les SPM (Smart power module) de Fairchild, les nombreuses séries proposées par Mitsubishi ou Fuji...

L'heure est aussi à la mise en place de plates-formes par application, associant le driver, cette fois-ci sous forme de carte, et le boîtier de puissance. Plus encore, les condensateurs de filtrage, les capteurs, des fonctions de supervision additionnelles, le système de refroidissement peuvent alors être aisément greffés afin de constituer un sous-ensemble de puissance complet et reproductible. Et ce pour des applications mettant en oeuvre des variateurs de vitesse de moteurs électriques, ou touchant des domaines aussi variés que la gestion de sources d'énergie renouvelable éolienne ou solaire, la traction ferroviaire, les ascenseurs...

Une politique qui se révèle avantageuse en termes de temps de développement et de coût.