Étude du vieillissement de polymères isolants utilisés dans le packaging des modules de puissance haute température

par Rabih Khazaka

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Pierre Bidan et de Marie-Laure Locatelli.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .

  • Titre traduit

    Study of the aging of insulating polymers used in the high temperature power module packaging


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    La recherche permanente de l'intégration et/ou du fonctionnement dans des régions chaudes des dispositifs électroniques de puissance se traduit par une augmentation du niveau des contraintes électriques et thermiques imposées à tous leurs constituants. Cela concerne en particulier les constituants des modules de puissance. Comme suite à une étude bibliographique qui a permis d'analyser les différentes structures de packaging pouvant être adaptées à un fonctionnement à haute température, il ressort en particulier un besoin en couches diélectriques minces afin d'isoler les différentes parties du module. Dans ce contexte, les travaux ont porté sur la détermination de la limite d'utilisation en température de deux matériaux diélectriques polymères (un polyimide BPDA/PDA et un parylène fluoré PA-HT), pouvant être aptes à constituer la couche de passivation des puces de carbure de silicium, ou la couche intermétallique ou de protection de surface au sein des modules de puissance. Afin de parvenir à ce but, des caractérisations électriques à l'instant initial (t0) ont été menées sous hautes températures, jusqu'à 400 °C. Ensuite, l'évolution des propriétés (en particulier électriques) des matériaux durant le vieillissement thermique et thermo-oxydatif, à des températures supérieures ou égales à 250 °C, pour des milliers d'heures, a été mesurée et analysée. A t0, le champ de rupture moyen des matériaux reste élevé et supérieur à 2 MV/cm à 300 °C, pour les films les plus épais testés (8 µm). La conductivité DC, dans une gamme de température entre 300 °C et 400 °C, montre un comportement semi-résistif pour le BPDA/PDA et un comportement qui passe d'isolant à semi-résistif pour le PA-HT. Durant le vieillissement sous N2, aucune dégradation du BPDA/PDA n'est observée jusqu'à 360 °C. A 300 °C sous air, une stabilité de la tension de rupture lorsque ce dernier est vieilli sur substrat en silicium (Si), et une dégradation lente dépendante de l'épaisseur initiale lors du vieillissement sur substrat en acier inoxydable (A. I. ) sont observées. La dégradation se révèle surfacique liée à la présence de l'oxygène ambiant. Elle est d'autant plus prononcée que la température du vieillissement augmente, et apparaît alors également sur les substrats en Si. Le PA-HT déposé sur un substrat en A. I. A été vieilli sous air entre 300 °C et 360 °C. L'étude montre que ces films paraissent prometteurs pour les applications à 300 °C, avec une cristallisation isotherme qui affecte favorablement les propriétés diélectriques du matériau. Pour les températures plus élevées, une dégradation activée thermiquement apparaît et les films inférieurs à 5 µm d'épaisseur, ne peuvent pas dépasser 1000 heures de vieillissement sous air à 360 °C. Par conséquent, en se basant sur les propriétés électriques intrinsèques ainsi que sur leur évolution en vieillissement isotherme, les films de BPDA/PDA et de PA-HT semblent appropriés pour fonctionner pendant de longues durées à 300 °C sous air. Pour les températures plus élevées (360 °C), la stabilité sous air pour de longues durées reste problématique en particulier sur A. I. Par ailleurs, des solutions permettant de limiter la dégradation thermo-oxydative ou paraissant plus prometteuses, ainsi que des traitements thermiques permettant l'amélioration de la résistivité électrique à haute température à t0 sont proposés.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (245 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 229-244

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2011 TOU3 0238
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