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Composants à semi-conducteur de puissance Composants à semi-conducteur de puissance pour des applicationspour des applications

à haute température de fonctionnementà haute température de fonctionnement

B. Allard, M. Lazar, H. Morel, D. Planson : CEGELY INSA de LyonG. Coquery, L. Dupont, Z. Khatir : LTN INRETS

S. Lefebvre : SATIE ENS Cachan – CNAMR. Meuret : Hispano-Suiza

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Introduction

Problématique

Choix du semi-conducteur

Choix des puces

Assemblage

Connexions

Synergie Automobile / Avionique

Conclusion

Plan de la présentation

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Introduction

Environnement moteur (engine)

• Pompe hydraulique

• Pompe à carburant

• Moteurs

• Alternateur

• Démarreur …

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Introduction

• Puissance de sortie : quelques kW

• Température ambiante : 200 °C

• MTBF 50 000 h

• Cycles Décollage/Atterrissage : 5000 cycles (-55°C +200°C à 10°C/min)

• DC Voltage : 48 à 350Vdc

• Environnement moteur : (humidité,vibration,choc,altitude)

Collaboration HISPANO-SUIZA / SATIE / LTN INRETS / CEGELY

Projet « Avion supersonique »

Réalisation d’un convertisseur pour la commande d’un EMA (Electro-Mecanical Actuator)

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Problématique

Température de Fonctionnement élevée (Ta = 200°C)

Cycles de température(5000 cycles –55°C à 200°C à 10°C/min)

Durée de vie élevée(50000heures)

Puces AssemblageTenue en température :

Courants de fuite, Von, …

Vieillissement : Dégradation de l’oxyde…

Brasures :Délamination, fissures…

Fils de Bonding : Levé

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Choix du semi-conducteur

Limitation en température : courant de fuite (EG, VBR)

(cf. Wondrak pour des jonctions PIN - 1999)

Si SiC

100 V ≈ 250 °C 800 °C

1000 V ≈ 175 °C 600 °C

Matériaux

VBR

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Choix du semi-conducteur

Limitation en température : courant de fuite (EG, VBR)

0 50 100 150 200 250 300 350 400106

108

1010

1012

1014

1016

1018

T (°C)

ni (

cm-3)

Si 4H-SiC 6H-SiC

)2/exp(2/3 kTEgTni

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N N

S G D

N NP

P

Transistor MOS SOI, partiellement déplété.

déplétion

neutre

GS D

Transistor MOS SOI, complètement déplété.

ComparaisonMOS Bulk / MOS SOI

Honeywell HTANFETMos de puissance sur SOI

TJMAX = 225°C90V, 0,4 à 25°C

Choix du semi-conducteur : SOI

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Choix des puces : SiC

Disponibles SiC: Diodes Scottky 600V (Infineon, Cree…)

Diode Schottky SiC Cree 10 A 600V

Comparaison :Diodes Schottky SiC / Diode Si PIN (175 °C)

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Choix des puces : SiC

Echantillons SiC : JFET, JFET Cascode

Siced : MOS Si basse tensionVBR = 1000V, RON < 1,2

Chang & al. ISPSD’03

600V5 m.cm²

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Choix des puces : SiC

Développement SiC : MOSFET, diodes PIN

MOSFET 3kVPeters & al. EPE’03

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Choix des puces : Si

VBR = 1000V: TJMAX = 150°CVBR = 100V: TJMAX = 250°C

Jonction PIN

Super Jonction (CoolMOS)

Caractérisations en température

CoolMOS 47A 600V CoolMOS 20A 600V

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Choix des puces : Si

ComparaisonCoolMOS 600V / IGBT NPT 600V / MOS 200V

VDS = VBR

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Choix des puces : Si

Caractérisations électriquesCoolMOS 47A – 600 V APT47N60BC3

Caractérisation statique (RDSon) Caractérisation dynamique (à l’ouverture)

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Assemblage

Assemblage sur DCB

Automobile : Généralement : céramique Al2O3 / Socle Cuivre

Aviation : Céramique AlN / Socle AlsiC

Après 43000 cycles d’injection de puissance

Z. Khatir & al., SemiTherm XVII, San Jose, Mars 2001

Matériau CTE

(ppm/K)

(W/mK)

PuceSilicium 2,6 150

SiC 3,7 390

Brasure

CéramiqueAlN 5 170

Al2O3 7 25

Brasure

SocleCuivre 16 390

AlSiC 6,5 – 8,5 160 - 200

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Assemblage

Réalisation d’un démonstrateur (APT Europe)Céramique AlN / Socle AlSiCDiodes schottky SiC Cree 600V 10A ×2CoolMOS Si APT 600V 47A

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Connexions

Fils de bondingModule Econo-Pack 600V 200A

Une des principales causes de défaillance

à haute température

Cyclage actif Tc 115 °C / Tj 150 °C

G. Coquery & Al. ESREF 2003

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Synergie Automobile / Avionique

Développement de modules de puissance Haute Température (175°C)dans l’automobile

Utilisation à 220°C à plus faible courant ?

Onduleur triphasé IXYS75V 350ATJMAX = 175°C

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Conclusion

Caractérisation module APT (220 °C) - Electrique- Assemblage

Caractérisation module automobile- Electrique (déclassé) - Assemblage

Convertisseur tout SiC : Diodes Schottky JFET