Caractérisation et modélisation de modules de puissance « fail-to-short » pour convertisseurs sécurisés à tolérance de pannes : application véhicule électrique hybride

Dans les modules de puissance à connexion filaire de type wire-bonding (WB), les forts courants commutés (jusqu’à 200A pour une puce de 10x10mm²) imposent de faibles résistances et inductances d’interconnexion pour réduire la chute de tension et les surtensions. Pour cette raison, les concepteurs multiplient les fils de bonding de grand diamètre (jusqu’à 500μm) en parallèle. De plus, quand la surface de puce le permet, les WB sont soudés à au moins deux endroits différents pour améliorer la distribution du courant. A la différence d’un assemblage standard de type WB, dans un module de puissance de type Direct-Lead-Bonding (DLB), la puce et la diode sont généralement brasées d’un côté, via la technique du flip-chip, sur le dissipateur intégré. L’autre face est brasée ou frittée directement sur une broche (ou clip) interne large pour former la maille électrique grâce à une brasure à base d'étain, d’argent et de cuivre (SAC ou Sn-Ag-Cu), très épaisse pour éviter le claquage broche-terminaison de puce. Par conséquent, le DLB peut offrir une surface de contact plus performante sur les plans électrique et thermique que le WB, réduisant ainsi la résistance de contact d’environ 50% selon la bibliographie (d’un facteur dix selon nos simulations électromagnétiques), améliorant la distribution du courant dans les puces et homogénéisant la température au sein du composant. De plus, l’inductance parasite interne peut être atténuée de 57% comparé au WB selon la littérature. Si l’on aborde la dimension sécuritaire, la tenue en surintensité ou I²T d’un module de puissance WB rempli de gel de silicone est faible et procure un effet fusible naturel bien qu’imparfait (mode de défaut circuit-ouvert). Les fils de bonding subissent un phénomène de soulèvement même si leur design n’a pas été pensé dans ce sens. En remplaçant le gel par de la résine époxy, ce comportement se dégrade pour donner un mode de défaut intermédiaire dû à la limitation en température de la résine. A l’inverse, le DLB devrait montrer un très fort I²T et donc, un mode de défaut se rapprochant du court-circuit. Ces travaux proposent une approche innovante sur le thème du design des topologies de conversion sécurisées à tolérance de panne : pourquoi ne pas construire une topologie autour du mode de défaillance intrinsèque d’un module de puissance, au lieu de mettre en place des moyens classiques pour le contrecarrer, i.e. essayer d'isoler systématiquement le défaut avec des fusibles ? Le module de puissance DLB était le candidat idéal pour mettre à l’œuvre notre philosophie. Dans un premier temps, nous avons cherché à comparer les modes de défaillance des deux technologies, WB et DLB, grâce à des essais destructifs d’énergies maîtrisés. Les résistances de défaut, énergies critiques et I²T ont été mesurées sur un banc dédié, de même que des analyses d'endommagements des zones de défaillance ont été réalisées au sein du CNES-THALES Lab de Toulouse par une méthode non intrusive de type Lock-In-Thermography (LIT). Il a été montré que la technologie DLB pouvait présenter une résistance de défaut dix fois plus faible que celle de la technologie WB à même surface de puce et à même énergie de destruction. La présence du clip permet aussi de réduire le gradient thermique dans la région du défaut et de moins contraindre thermiquement l'encapsulant par rapport à la technologie WB. La forte épaisseur du joint de brasure broche – puce garantit aussi une meilleure métallisation par refusion de la zone de perçage et ainsi une résistance de défaut plus faible. Dans un second temps, les modules détruits WB et DLB ont subi des essais d’endurance sur 5 semaines, afin d’éprouver la robustesse et la stabilité de leur résistance de défaut à faible et fort courants. Les résultats montrent clairement la supériorité de la technologie DLB. Par la suite, une campagne de caractérisation thermique (Rth/Zth) des deux technologies WB et DLB a été réalisée sur la base d'un banc développé à cet effet.