Aiguilleurs de courant intégrés monolithiquement sur silicium et leurs associations pour des applications de conversion d'énergie

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1 Aiguilleurs de courant intégrés monolithiquement sur silicium et leurs associations pour des applications de conversion d'énergie ABDELILAH EL KHADIRY ABDELHAKIM BOURENNANE MARIE BREIL DUPUY FRÉDÉRIC RICHARDEAU

2 Plan I. CONTEXTE & OBJECTIF II. APPROCHES D INTEGRATION MULTI-INTERRUPTEURS SUR PUCE 1. INTEGRATION SERIE 2. INTEGRATION QUASI-PARALLELE III. INTEGRATION SUR PUCE DE DEUX AIGUILLEURS ELEMENTAIRES IV. ASSOCIATION DES DEUX PUCES INTÉGRÉES DANS DES APPLICATIONS 1. PONT REDRESSEUR 2. PONT ONDULEUR 3. INTERRUPTEUR BIDIRECTIONNEL V ET I V. TECHNOLOGIE DE REALISATION VI. TABLEAU DE SYNTHÈSE DES PERFORMANCES VII. TECHNIQUES DE REPORT ENVISAGÉES VIII. CONCLUSION ET PERSPECTIVES

3 I. Contexte & objectif Contexte L intégration en électronique de puissance Modes d intégration Gammes de courant et de tension Applications usuelles Intégration Hybride substrat DBC/SMI PCB I>10 A et V<6,5 kv Alimentations industrielles Variateur de vitesse Traction Intégration Monolithique «Smart Power» et HVIC Intégration fonctionnelle I<10 A et V<1000 V I<50 A et V<3,3 kv Automobile EV, Domotique, éclairage, Avantages de l intégration monolithique en électronique de puissance Miniaturisation Réduction du coût (1 seule filière silicium, interconnexions réduites) Réduction des effets inductifs parasites dans les modules de puissance (par la réduction des longueurs ou la suppression des fils de connexion)

4 I. Contexte & objectif Objectif: Intégration sur puce(s) des différents interrupteurs d un convertisseur. Niveau de courant élevé Tension élevée Composants verticaux Intégration sur deux puces séparées Intégration sur une seule puce (Si) Cas en cours d étude Cas en cours d étude

5 II. Approches d intégration multi-interrupteurs sur puce (Si) 1) Intégration série (D. Green, ISPSD'06 ): Utilisation de structures latérales Avantage Toutes les électrodes sur une seule face du wafer Inconvénients > IGBTs Latéraux : Faible capacité en courant V on élevée > Connexion anode cathode par wire bonding (trop d effets inductifs)

6 II. Approches d intégration multi-interrupteurs sur puce (Si) 2) Intégration quasi parallèle (1/2 cellule) multi interrupteurs Anode commune (Face arrière de la puce) Deux versions de cellules aiguilleurs (multi pôles) complémentaires et génériques Cathode commune Avantages attendus : Facilité d intégration (mutualisation d électrodes de même nature) Pas de fils de connexion au sein de chaque puce Généricité des puces Inconvénients et études connexes : Report et interconnexion puce à puce (hacheur et onduleur) (Face avant de la puce)

7 III. Intégration monolithique de deux aiguilleurs élémentaires et complémentaires Objectif: Mettre en évidence la démarche ainsi que les contraintes d intégration sur les structures élémentaires Aiguilleur Anode commune (éq. 1/2 cellule onduleur) Intégration monolithique Tri pôle Anode commune (photo virtuelle) Aiguilleur Cathode commune (éq. 1/2 cellule onduleur) Intégration monolithique Tri pôle Cathode commune (photo virtuelle)

8 III. Intégration monolithique de deux aiguilleurs élémentaires et complémentaires 1. Aiguilleur àanode commune (éq. 1/2 cellule Onduleur) +600V Section RC IGBT2 Section RC IGBT1 Intégration monolithique Section passante Section bloquée Puce symétrique Position de l ilôt N+ (diode et gestion de la fuite croisée) Région de base (drift) latérale croisée 100 A

9 III. Intégration monolithique de deux aiguilleurs élémentaires et complémentaires 1. Aiguilleur àanode commune (éq. 1/2 cellule Onduleur) Influence de la distance inter section RC IGBT séparation L N Rdrift la fuite

10 III. Intégration monolithique de deux aiguilleurs élémentaires et complémentaires 1. Aiguilleur àanode commune (éq. 1/2 cellule Onduleur) a) Structure intégrée simulée RC IGBT AC +600V V>0 b) Tenue en tension (LATERALE ET VERTICALE) AC +600V Potentiel (V) IGBT1 (ON) Cathode 1 IGBT1 (OFF) Cathode 2 (ON) (OFF) Puce anode commune intégrée Anode 100A 100A Répartition des lignes équipotentielles c) Distribution du courant dans la structure (VERTICALE) Courant A/cm2 Conduction directe IGBT1 (ON) AC +600V IGBT1 (OFF) Cathode 1 Cathode 2 Courant A/cm2 IGBT1 (ON) Cathode 1 Conduction inverse AC +600V IGBT1 (OFF) Cathode 2 Anode 100A Anode 100A Conduction IGBT IT2(OFF)= 2,82 µa Conduction diode PIN IT2(OFF)=2,9 µa

11 III. Intégration monolithique de deux aiguilleurs élémentaires et complémentaires 2. Aiguilleur à Cathode commune (éq. 1/2 cellule Onduleur) 100A Section RC IGBT2 Section RC IGBT1 IGBT 1 (Grille 1) Cathode IGBT 2 (Grille 2) P+ P P P P P+ Intégration monolithique P+ Mur d isolation P+ N+ P P P+ N+ Anode 1 Anode 2 2mm 0,54mm 1,25mm 5,6mm Section passante Section bloquée Layout des plans de métal identique /symétrique avec celui de la puce anode commune. +600V

12 III. Intégration monolithique de deux aiguilleurs élémentaires et complémentaires 2. Aiguilleur à Cathode commune (éq. 1/2 cellule Onduleur) a) Structure intégrée simulée RC IGBT b) Tenue en tension (LATERALE ET VERTICALE) 100A Potentiel (V) IGBT1 (ON) 100A Cathode IGBT2 (OFF) (ON) (OFF) Puce cathode commune intégrée V>0 AC +600V c) Distribution du courant dans la structure (VERTICALE) Conduction directe Anode 1 Anode 2 AC +600V Répartition des lignes équipotentielles Conduction inverse Courant A/cm2 IGBT1 (ON) 100A Cathode IGBT2 (OFF) Courant A/cm2 IGBT1 (ON) 100A Cathode IGBT2 (OFF) Conduction IGBT IT2(OFF)= 2,72 µa Anode 1 AC +600V Anode 2 Anode 1 Anode 2 AC +600V Conduction diode PIN IT2(OFF)=2,82 µa

13 IV. Association des deux puces intégrées dans des applications 1. Pont redresseur PONT REDRESSEUR I S1 S1 (OFF) V S1 =V (OUT) (ON) I S2 V S2 S2 (ON) (OFF) Puce anode commune intégrée Puce cathode commune intégrée Chronogramme des commandes (empiètement) V (out) V (out) I (S2) I (S2) V (in) V (in) Source de courant unidirectionnelle Source de courant bidirectionnelle TBF

14 IV. Association des deux puces intégrées dans des applications 2. Pont onduleur I S1 S1 V S1 (OFF) (ON) I S2 V S2 =V (OUT) S2 (ON) (OFF) Puce anode commune intégrée Puce cathode commune intégrée Chronogramme des commandes (temps mort)

15 IV. Association des deux puces intégrées dans des applications 3. Interrupteur Bidirectionnel en courant et en tension Application PFC D1 300 V Ig +100A Courant d entrée S t Ig Is 100A VT2(CC)=VT1(CC) 15V 10 µs D2 300 V 10 µs Tr=10 ns Tf=1 µs t Puce anode ou cathode commune intégrée Tension d entrée Courant dans la puce intégrée Ig < 0 Ig > 0

16 V. Technologie 1. Vue des masques des deux puces en cours de réalisation 2xRC IGBT 600V/5A 11,2 mm 11,2 mm,9 mm Anode commune Process IGBT classique + Diffusion N+ face arrière Cathode commune Process IGBT classique + Mur P+ d isolation + Diffusion N+ face arrière + Diffusion P face arrière

17 V. Technologie 2. Filière IGBT flexible (Process flow)

18 VI. Tableau de synthèse des performances Comparaison des caractéristiques électriques statiques des puces proposées avec celles des RC IGBT en discret (résultats de simulations) RC IGBTx2 Anode Commune CathodeCommune Surfaceactive 1cm 2 x2 1cm 2 x2 1cm 2 x2 Surface du N+ 0,3cm 2 x2 0,3cm 2 +0,3cm 2 0,3cm 2 +0,3cm 2 face arrière Surface du P+ face 0,7cm 2 x2 0,7cm 2 +0,7cm 2 0,7cm 2 +0,7cm 2 arrière V ON (pour 2,04V 2V 2.01V 100A/cm 2 ) V d en inverse 1,94V 1.86V 1.9V (pour 100A/cm 2 ) Courant de fuite 2,03 µa 2,82µA 2,72µA (pour 600V) Surface totale 1cm 2 x2 1cm 2 x2 + (0,15cm 2 ) 1cm 2 x2 + (0,15cm 2 ) Technologie IGBT classique + diffusion N+(face arrière) IGBT classique+ diffusion N+ (face arrière) IGBT classique+ diffusion N+ (face arrière) + diffusion P (face arrière) + mur P+ traversant

19 VII. Technologie et techniques de report envisagées Techniques de report sur substrat DBC/SMI Technique 1: Report face arrière Technique 2: Report flip chip partiel Puce anode commune Puce cathode commune (anodes séparées) Puce anode commune Puce cathode commune (anodes séparées Flip Chip) G1 SK1 AC1 G3 SK3 G1 SK1 G3 SK3 AC1 AV AV AV capa AR Anode Cathode Anode Cathode G2 SK2 AC2 G4 SK4 G2 SK2 G4 SK4 AC2 découplage ext. Maille de commutation onduleur "longue" découplage local Maille de commutation onduleur "courte 1 section de WB Cette version autorise l'insertion de condensateurs CMS céramiques de découplage Absence de dv/dt sur les plages de report SMI

20 VII. Technologie et techniques de report envisagées Techniques de report sur substrat DBC/SMI Technique 2 VERSUS Assemblage avec puces classiques : Puce anode commune Puce cathode commune (anodes séparées Flip Chip) Packaging de référence Simple RC IGBT G1 SK1 G3 SK3 AC1 G1 SK1 A1 G3 SK3 AV capa AR AV Anode Cathode Anode Cathode G2 SK2 G4 SK4 AC2 G2 SK2 A2 G4 SK4 découplage local Puces 1 RC IGBT discrets Avantages L'assemblage proposé n'utilise qu'une seule section de wire bondings par cellule onduleur La section de wire bonding est "alignée" et peut être réalisée sur un plan, sous forme de pistes (PCB + DRIVER + connexion LOAD)

21 VIII. Conclusion et perspectives Proposition de deux structures silicium "multi pôles" à topologies aiguilleurs "complémentaires" Conception, dimensionnement et pré optimisation des deux structures sous 600V/100A (simulation) et 600V/5A (process) Validation par simulations 2D du fonctionnement des puces conçues en modes redresseur, onduleur et inter. 4 segments. Comparaison des techniques de report des puces tri pôles et mise en évidence de l'intérêt d'un report flip chip et de son évolution Les puces sont en cours de réalisation et les substrats de report en préparation Fusionner les deux puces (anode commune et cathode commune) dans une seule puce.