Etude et mise en oeuvre de techniques d'assemblages hybrides pour l'intégration tridimensionnelle en électronique de puissance

par Quoc Hung Luan

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Vincent Bley.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    L'amélioration de l'efficacité énergétique du vecteur électricité passe par une conception très intégrée des systèmes électroniques, notamment des convertisseurs d'énergie électrique. La tendance générale est à une forte intégration des fonctionnalités d'une part et à l'augmentation de la densité de puissance d'autre part. C'est particulièrement le cas des systèmes nomades et des systèmes intervenant dans les transports (automobile, ferroviaire et aérien), avec en plus, l'exigence d'une très haute fiabilité. Ces applications nécessitent de nouvelles architectures matérielles d'intégration avec des contraintes toujours plus importantes vis-à-vis de la réduction du volume, du poids et des coûts tout en maintenant un niveau de fiabilité élevé. De plus, les environnements ont tendance à être plus sévères (plus chauds et quelquefois plus froids). À ce titre, l'électronique de puissance "haute température" est un enjeu majeur pour le futur. Une des pistes les plus prometteuses pour l'augmentation de la compacité des systèmes est l'intégration tridimensionnelle. En particulier, le passage des modules de puissance " planar " actuels (où toutes les puces sont coplanaires, et refroidies uniquement par leur face arrière) à des structures 3D permettra d'améliorer simultanément les performances thermiques (refroidissement double face), électriques (réduction des inductances et résistances parasites) et électromagnétiques. C'est dans ce contexte que les technologies d'interconnexion et d'assemblage dans les modules de puissance jouent un rôle fondamental. Grâce aux révolutions des nano technologies, un mode d'assemblage hybride a été proposé sous le nom " nano scratch " consistant en la mise en compression de deux surfaces dont l'une au moins porte une structure de nano fils, et de les faire s'interpénétrer l'une dans l'autre, afin de réaliser un assemblage mécanique mais aussi conducteur électrique et thermique. Ce type d'assemblage semble être un candidat prometteur pour remplacer la technique de brasure classique. Il permet d'une part de favoriser l'intégration 3D, et d'autre part, de rendre le procédé plus économique à l'aide de sa réalisation à froid. La contribution principale de ce travail de thèse se situe essentiellement en l'étude et la mise en oeuvre d'un procédé d'assemblage de type " nano scratch " en utilisant des nano fils de cuivre réalisés par la voie du dépôt électrochimique en vue de l'appliquer dans le domaine électronique de puissance. La première partie du mémoire est consacrée à une synthèse des différents constituants d'un module de puissance. . .


  • Résumé

    In Power Electronics Applications, the general trend is to develop integration leading to an increase of the power density and a decrease of volume, weight and cost while maintaining a high level of reliability. It is particularly, the case for mobile systems or systems involved in transportation (automotive, railways and aeronautics). One of the most promising issues to improve the compactness of the systems is three-dimensional (3D) integration. The shift from classic power modules (where all the chips are coplanar, and the heat only transferred by the back side) to 3D structures allows improving simultaneously the thermal performances (double sides' cooling), the electric ones (reduction of parasitic inductances and decrease of the resistances) and the electromagnetic ones. Interconnections and assembly, improperly called "packaging", play a fundamental role in this field. In this Thesis, thanks to development of nanotechnologies, a hybrid assembly method is proposed. Named " nano scratch ", it consists in a structure of nano copper wires, deposited on at least one of the surfaces to be joined. The interpenetration of these nanowires is then achieved by pressing the surfaces against each other. Hence, not only a mechanical assembly but also an electrical and a thermal connection is realized. This type of assembly is a promising candidate for the replacements of solder technology. This simple and low cost process may favor 3D integration in power electronics applications. In a first part, the different components of a power module are reminded, Then, a state of art of the different interconnection technologies and assemblies used in power modules is presented. The second chapter focuses on an evaluation of the different methods used to fabricate the nanostructures. Electroplating through a nano porous membrane appears to be the most reproducible one and will be the one studied in this thesis. The last chapter, the principle and implementation of an electro-thermo mechanical assembly are presented and tested. . .

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Informations

  • Détails : 1 vol. (155 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 145-155

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010TOU30020
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