MOS i-stars. Projet ANR-08-VTT-003. Coordinateur : G.Filloux

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1 MOS i-stars Projet ANR-08-VTT-003 Coordinateur : G.Filloux 1

2 Contexte Le projet MOS i-stars est le complément du projet i-stars version intégrée d alterno-démarreur pour : - réduire le volume - réduire les coûts - économiser l énergie Les machines StARS permettent : - De stopper le moteur en phase d arrêt : Ni consommation, ni rejet de CO 2 - Un redémarrage rapide et silencieux : Réduction des nuisances sonores - D améliorer le rendement en mode générateur : Réduction de consommation de 10 à 28% en cycle urbain 2

3 Objec.fs Développer un transistor MOS de puissance spécifique pour système alterno-démarreur i-stars - Haute température : Tj > 150 C - Tenue en avalanche : plusieurs millions de cycles - Faible surface : Intégrable dans une mécatronique -Très haute performance Qualité-Fiabilité : < 1 FIT Le valider dans une mécatronique Power Module Définir, réaliser les essais de validation MOS dans les PM Cyclages de courant ; de puissance ; en avalanche Développer la traçabilité à la puce et le data management. 3

4 Méthodologie Partenaires : Equipe pluridisciplinaire - Valeo Equipements Electriques Moteurs : réalisation et qualification des modules - Freescale France : fabrication et qualification des MOS - Hirex : réalisation d essais de fiabilité - CEITECS : mise en place «data management» et analyse - LAAS-CNRS : support semi-conducteur - IFSTTAR : support assemblage module Début du projet TM 16 Avril 2009 ; durée 36 mois Labellisation par pôle de compétitivité MOV EO et Aerospace-Valley 4

5 Défis scien.fiques et techniques Améliorer la connaissance du phénomène d Avalanche Maîtriser la fabrication du MOS in silicon Développer et mettre en place la traçabilité à la puce Développer le data management et algorithmes d analyse Intégrer les MOS dans une mécatronique innovante - Technologie IML : Insulated Molded Lead frame - Brasage laser des MOS Maîtriser la qualité : Recherche et analyse de pièce atypique par Data management 5

6 Résultats sur le MOS Conception du MOS - Tenue en Avalanches répétitives selon CdC - ΔBvdss par classe < 1V Amélioration continue - Des procédés de fabrication : Epitaxie, oxide de grille, dépôt métal épais - Du suivi qualité in process : DPAT, AOL, tri par classe de Bvdss. - Des niveaux de tests : sous pointes plaquettes, puces nues KGD - Tests de fiabilité ( Hirex / FSL) - Développement de mesures Qbd/Vbd à la puce - Traçabilité à la puce Mise en bande et sérialisation alvéole % Failed dies HTGB 175 C 1000H C 100H (480 dies) HTGB historical trend Contrôle au FIB 6

7 Résultats sur le MOS (LAAS- FSL) Impact de la défectivité : Corrélation défectivité / courant de fuite! Caractérisation électrique : Charge to breakdown Qbd Qualité Test destructif de de l robustesse oxyde de de l oxyde grille de grille (type ECRS). Evaluation rapide de la qualité de l oxyde de grille à la puce. Effet tunnel Fowler-Nordheim è impact sur la tension de grille max Impact process de nettoyage au niveau Gate oxide! Impact d un traitement de surface au niveau de l oxyde. - Amélioration de la qualité intrinsèque (charges injectées en C/cm2). Contexte : amélioration de la fiabilité de l oxyde de grille par l amélioration des interfaces - SiO Amélioration 2 /Silicium et SiO du coude 2 /Polysilicium. de l Avalanche --- Mécanique Le Qbd met en évidence l amélioration de la --- Chimique de fiabilité l Avalanche du produit par la modification du --- Mécanique avancé traitement de surface après oxydation de la grille. Simulation électromécanique Essais de qualification (HIREX) HTGB, Une dégradation HTRB, IOL de type mécanique de HTGB l interface et HTRB oxyde-polysilicium à 200 C semble expliquer les défaillances mises en évidence. Qualité de l oxyde de grille Freescale and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc. All other product or service names are the property of their respective owners. Freescale Semiconductor, Inc TM

8 Principaux résultats: Post Test Analyse/Traçabilité Traçabilité à la puce- CEITECS! CEITECS + FSL (Tâches 6) : Mise en place de la traçabilité puce Atteindre le niveau de qualité identique à celle des diodes existantes actuellement sur les alternateurs (1 ppm). LOT ID WAFER ID X,Y LOT ID WAFER ID X,Y 180 degré LOT ID WAFER ID X,Y -90 degré T&R ID LOT ID WAFER ID X,Y T&R ID MODULE ID POCKET ID HS,LS MACHINE ID MODULE ID IN PROCESS DEFECTIVITE AIT/KLA PRN PROBE PHN KGD RETICULE A B C T&R ID POCKET ID TRACABILITE DIE GENEALOGY Freescale Valeo Revue de projet MOS i-stars 14 8

9 Traçabilité et analyse FSL- Ceitecs- Valeo Recueil des données de la puce et module: - Au niveau silicium : Traçabilité de la puce sur wafer, des procédés, des paramètres de tests électriques, des paramètres d inspection - Au niveau power module : Traçabilité des puces dans le module, du module, des tests électriques à différentes étapes, de la machine i-stars Analyse de variances de la puce et du module Recherche de pièces atypiques dans une population de pièces : - Analyse standard intra étape - - Analyse de type «drift» inter étapes - Analyse géographique des puces au niveau wafer et lot. Oxide ini.al 9

10 Résultats Power Module Réalisation du Power Module. - Design pour intégrer 3 ou 7 PM sur arrière machine + contrôle - Report MOS par soudage laser Update date I 3 - Ajustement du gradient thermique du brasage des MOS pour répondre aux effets de dilatation différentielle entre les constituants - Optimisation du câblage des MOS pour homogénéiser la densité de courant sur toute la surface du MOS. Exigences qualité - Nombreux tests à différents niveaux de l assemblage : en cours d assemblage, burn in, après burn in et final; - Traçabilité à la puce au niveau module et machine. 10

11 exigences qualité - Réalisation du Power Module. " Design pour intégrer 3 ou 7 PM sur arrière machine + un circuit de contrôle " Report MOS par soudage laser + ajout d un élément à gradient thermique pour répondre aux effets de dilatation différentielles entre les Update constituants date I 3 " Optimisation du câblage des MOS : 8 fils pour homogénéiser la densité de courant sur toute la surface du MOS. Résultats Power Module Essais de fiabilité Power Modules - Essais de fiabilité des Powerdes Modules équipés. ESSAIS de fiabilité Cyclage Exigence équipés. Résultats Evaluation of solder void impact on the chip temperature En courant 500A, 100ms MTTF > 10 kcycles et! > 2 MTTF > 22 kcycles et! =8 Puissance 50A, 75 à175 C MTTF > 10 kcycles et! > 2 > 13 kcycles et! >10 In avalanche mode : close to an uniform MTTF temperature distribution Avalanche 400A, 80µs, 150 C Pas de défaillance avant 60 Mcycles Premières défaillances entre 300 et 400 Mcycles IR measure measure - Analyses des défaillants et actions correctives procédésir(valeo et externes) Essais complémentaires IFSTAAR Analyse RX Revue de projet MOS i-stars 16 - Analyse et corréla.on des contraintes thermiques / voids - Comparaison et corréla.on entre modélisa.on électrothermique dynamique et l expérimenta.on Without void With void The chip solder void seems to not have an impact on the temperature distributioncduring avalanche mode. It s probably due to the limitation olloque Energies 12 et 13 janvier of the heat flux propagation depth I

12 Conclusions Le MOS répond aux exigences techniques du CdC Il est l objet d une mise en œuvre qualité innovante par : Son approche «in silicium» du suivi de fabrication Une traçabilité complète montante et descendante L identification de pièces atypiques via le «data management» La machine i-stars bénéficiant pleinement de ces avancées répond à ses objectifs de : Mise en œuvre et recyclage aisés Protection de l environnement : î CO 2 et bruit Depuis 1 an de commercialisation environ tonnes de CO 2 ont été économisées! Réduction importante des coûts. 12

13 Impact et valorisa.on Ce projet a fait l objet de publications et conférences de la part du LAAS, FSL ; en particulier Sur le phénomène d avalanche (peu décrit dans la littérature) Sur un nouveau test non intrusif de mesure Qbd La Valorisation se résume par MOS utilisable en avalanche (en tant que fonction propre!) Protection de l environnement : î CO 2 et bruit Approche qualité renforcée et transposable à d autres projet Bénéfice transversal a_endu pour les mul.chips modules appelés à se généraliser dans les onduleurs pour le transport décarbonné... (véhicules µhybrides, hybrides et électriques). 13