Caractérisation et modélisation de modules de puissance « fail-to-short » pour convertisseurs sécurisés à tolérance de pannes : application véhicule électrique hybride

par William Sanfins

Thèse de doctorat en Génie Électrique

Sous la direction de Frédéric Richardeau et de Damien Risaletto.

Le président du jury était François Forest.

Le jury était composé de Frédéric Richardeau, Damien Risaletto, Stéphane Lefebvre, Cyril Buttay, Mounira Bouarroudj-Berkani.

Les rapporteurs étaient Stéphane Lefebvre, Cyril Buttay.


  • Résumé

    Dans les modules de puissance à connexion filaire de type wire-bonding (WB), les forts courants commutés (jusqu’à 200A pour une puce de 10x10mm²) imposent de faibles résistances et inductances d’interconnexion pour réduire la chute de tension et les surtensions. Pour cette raison, les concepteurs multiplient les fils de bonding de grand diamètre (jusqu’à 500μm) en parallèle. De plus, quand la surface de puce le permet, les WB sont soudés à au moins deux endroits différents pour améliorer la distribution du courant. A la différence d’un assemblage standard de type WB, dans un module de puissance de type Direct-Lead-Bonding (DLB), la puce et la diode sont généralement brasées d’un côté, via la technique du flip-chip, sur le dissipateur intégré. L’autre face est brasée ou frittée directement sur une broche (ou clip) interne large pour former la maille électrique grâce à une brasure à base d'étain, d’argent et de cuivre (SAC ou Sn-Ag-Cu), très épaisse pour éviter le claquage broche-terminaison de puce. Par conséquent, le DLB peut offrir une surface de contact plus performante sur les plans électrique et thermique que le WB, réduisant ainsi la résistance de contact d’environ 50% selon la bibliographie (d’un facteur dix selon nos simulations électromagnétiques), améliorant la distribution du courant dans les puces et homogénéisant la température au sein du composant. De plus, l’inductance parasite interne peut être atténuée de 57% comparé au WB selon la littérature. Si l’on aborde la dimension sécuritaire, la tenue en surintensité ou I²T d’un module de puissance WB rempli de gel de silicone est faible et procure un effet fusible naturel bien qu’imparfait (mode de défaut circuit-ouvert). Les fils de bonding subissent un phénomène de soulèvement même si leur design n’a pas été pensé dans ce sens. En remplaçant le gel par de la résine époxy, ce comportement se dégrade pour donner un mode de défaut intermédiaire dû à la limitation en température de la résine. A l’inverse, le DLB devrait montrer un très fort I²T et donc, un mode de défaut se rapprochant du court-circuit. Ces travaux proposent une approche innovante sur le thème du design des topologies de conversion sécurisées à tolérance de panne : pourquoi ne pas construire une topologie autour du mode de défaillance intrinsèque d’un module de puissance, au lieu de mettre en place des moyens classiques pour le contrecarrer, i.e. essayer d'isoler systématiquement le défaut avec des fusibles ? Le module de puissance DLB était le candidat idéal pour mettre à l’œuvre notre philosophie. Dans un premier temps, nous avons cherché à comparer les modes de défaillance des deux technologies, WB et DLB, grâce à des essais destructifs d’énergies maîtrisés. Les résistances de défaut, énergies critiques et I²T ont été mesurées sur un banc dédié, de même que des analyses d'endommagements des zones de défaillance ont été réalisées au sein du CNES-THALES Lab de Toulouse par une méthode non intrusive de type Lock-In-Thermography (LIT). Il a été montré que la technologie DLB pouvait présenter une résistance de défaut dix fois plus faible que celle de la technologie WB à même surface de puce et à même énergie de destruction. La présence du clip permet aussi de réduire le gradient thermique dans la région du défaut et de moins contraindre thermiquement l'encapsulant par rapport à la technologie WB. La forte épaisseur du joint de brasure broche – puce garantit aussi une meilleure métallisation par refusion de la zone de perçage et ainsi une résistance de défaut plus faible. Dans un second temps, les modules détruits WB et DLB ont subi des essais d’endurance sur 5 semaines, afin d’éprouver la robustesse et la stabilité de leur résistance de défaut à faible et fort courants. Les résultats montrent clairement la supériorité de la technologie DLB. Par la suite, une campagne de caractérisation thermique (Rth/Zth) des deux technologies WB et DLB a été réalisée sur la base d'un banc développé à cet effet.

  • Titre traduit

    Characterisation and modelling of fail-to-short power modules in fault-tolerant converters : electric hybrid vehicle application


  • Résumé

    In wire-bonding (WB) power-modules, high current commutated by fast power chips (up to 200A on a 10x10mm² chip) implies low resistance and low stray inductance interconnections in order to reduce voltage drop and overvoltage. For this purpose, designers use numerous large-diameter bonding wires (up to 500μm) in parallel. Whenever the die surface is large enough (like IGBTs), bonding wires are soldered at least in two different spots to improve current distribution. Compared to conventional WB structure, inside Direct-Lead-Bonding (DLB) power-modules, chip and diode are generally soldered on one side, using flip-chip method, to the heat spreader. The other side is directly soldered or sintered to the large inner lead (or clip) to form the electrical loop with a thick standard SAC soldering (Sn-Ag-Cu) in order to avoid electrical breakdown between chip and clip. Therefore, DLB would provide a wider bonding area than WB design, reducing the emitter contact resistance by almost 50% in the literature (by a factor of 10 according to our simulation results), improving current uniformity in the chips and thus resulting in a uniform surface temperature distribution inside the device. Besides, DLB internal inductance could be reduced to 57% of wire-bonded modules according to literature. Considering safety aspects, the overcurrent capability of a gel-filled wire-bonding power module is low and provides a natural but imperfect wire-fuse-effect (as an open-failure mode). Lift-offs happen even if WB design is not optimized for it. Replacing the gel with an epoxy resin, this behaviour gets worse and an intermediate failure-mode is reached due to the epoxy temperature limitation. On the opposite, DLB should have a very high overcurrent capability characteristic and thus short-failure mode behaviour. This work offers a quite new approach in the field of fault-tolerant structure design: what if we use the faulty power module in a new way, instead of getting rid of it using classic methods to disconnect it, i.e. systematically isolating the power device using fuses? The DLB power module was the perfect candidate to experience our philosophy. In the first place, a comparison of both technologies has been performed through post-fault-behaviour characterisation using controlled energy failure tests. Post-fault resistances, critical energies and overcurrent capability have been measured on a dedicated test-bench, along with defect localization and analysis through micro-section thanks to the CNES-THALES Lab in Toulouse, using non-intrusive Lock-In Thermography (LIT) method. Failed DLB power-modules have showed post-fault resistances 10 times lower than wire-bonded power-modules with the same die size and the same destruction energy. The clip also reduces temperature gradient around the defect location and thus, releases the resin’s thermal constraints compared to WB technology. The very thick solder joint between clip and chip ensures a better metallic reforming and therefore a less resistive post-fault resistance. In the second place, faulty power modules under low and high destruction energy, both WB and DLB, have been tested during 5 weeks for durability and robustness. Results clearly show DLB supremacy. Then, a long campaign of thermal characterization of both designs (Rth/Zth) has been carried out thanks to another dedicated bench. We have proposed a new heating technique setting the die in its linear mode, which avoids using a high current power supply. We have modelled both designs using COMSOL Multiphysics in order for them to be simulated and compared in terms of thermal resistance and impedance, electrical resistance and inductance. The DLB thermal diffuser effect has been analysed. Thermal resistances are very similar (~0,13°C/W) meanwhile, surprisingly, WB is better than DLB in terms of thermal impedance with a maximum difference of 20% at 0.1s.


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