Contribution à l'intégration 3D de composants passifs pour l'électronique de puissance

par Thi Bang Doan

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Thierry Lebey et de François Forest.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    L'intégration des composants à semi-conducteur, qui s'est développée depuis de nombreuses années, a conduit à une augmentation des performances des systèmes électroniques. L'intégration d'un module compact, regroupant le composant actif et son circuit de commande, permet d'atteindre une réduction du volume de la partie liée à la commutation de puissance. Cependant, les interconnexions et les composants passifs tels que les inductances, les condensateurs ou les transformateurs constituent encore une limite tant pour les performances que pour l'intégration (3D ou non) des systèmes de puissance. La tendance actuelle est à la réduction substantielle du volume occupé par les composants passifs associés aux composants actifs, ceci afin d'augmenter la miniaturisation, les performances, la fiabilité tout en réduisant les coûts. La conception de modules intégrant des composants actifs et des composants passifs qui soient de plus intégrés en 3D peut maintenant être envisagée en raison des progrès technologiques réalisés dans le domaine de l'intégration et par l'utilisation de matériaux présentant de fortes permittivités. Notre thèse s'inscrit dans cette démarche en se focalisant plus particulièrement sur les condensateurs, très largement utilisés et consommateurs de volume importants dans le convertisseur. Les matériaux ferroélectriques sont choisis en raison de leurs fortes permittivités, leur compatibilité avec la technique de sérigraphie, procédé relativement simple et économique permettant de réaliser des composants planaires. En plaçant les semi-conducteurs et leurs circuits de commande directement sur les condensateurs multicouches sérigraphiés, il en résulte une réduction des boucles d'interconnexions, une diminution du volume et une augmentation de la fiabilité et des performances. Des fonctions de découplage et de stockage ont été expérimentalement vérifiées dans deux topologies de convertisseurs continu-continu (DC-DC). Une étude a également été menée afin de statuer sur l'impact du pressage isostatique à froid (CIP) sur les propriétés diélectriques des couches ferroélectriques. Outre la réduction de l'épaisseur des couches diélectriques, et ainsi, une augmentation de la valeur du condensateur, la comparaison entre des condensateurs ayant subis ou non le CIP montre que c'est une méthode efficace pour augmenter la valeur de leur capacité. L'intérêt de cette méthode est substantiel pour des applications nécessitant de fortes valeurs de capacités en vue d'un meilleur découplage et filtrage.

  • Titre traduit

    3D passive component integration for power electronics applications


  • Résumé

    The performance of power electronics systems has been driven by relentless progress in semiconductor component integration over the past many years. Assemblies of active power switches and their drive circuits in compact modules enable miniaturization of the power switching part of the converters. However, the number of interconnections and discrete passive electromagnetic components such inductors, capacitors, and transformers, still limit the performance and possibilities for three-dimensional (3D) integration. An evolutionary new trend will require substantial reduction in the structural passives associated with active devices and system-level packaging to support increased demands for miniaturization, high performance, high reliability, and cost-effectiveness for power electronics. The designs of 3-Dimensional Integrated Passive and Active Component (3D IPAC) modules are being developed thanks to advances in integrated technology and high dielectric permittivity materials, which are the focus of this dissertation. This work is performed mainly on capacitors because they are widely-used passive components, found in almost all electronic circuits with high volume and large footprint. High permittivity ferroelectric material is selected for compatibility with a simple and economical screen-printing technology aimed at fabricating planar integrated capacitors for different application purposes. Semiconductor dies and their drivers, placed directly on the surface of multilayer capacitive substrates, make it possible to reduce the size and interconnection lengths between active and passive devices, thus increasing reliability as well as performance of power electronic modules. The decoupling and flying functions of planar multilayer integrated capacitors are verified through experimentation thanks to two proposed DC-DC converter topologies. Further study is also carried out to observe the effects of the cold isostatic pressing (CIP) process on dielectric properties of ferroelectric thick films. Under high pressure on multiple directions, the dielectric layer thickness is reduced, resulting in a higher capacitance value. Comparisons between compressed and uncompressed capacitors with the same configuration show that CIP is an effective way to increase capacitance value. This benefit suggests the opportunity for a design trend using a high capacitance value for greater filtering efficiency and decoupling purposes.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (139 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 136-139

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0168

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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2014TOU30168
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