Wide Bandgap Semiconductor Components Integration in a PCB Substrate for the Development of a High Density Power Electronics Converter

par Shuangfeng Zhang

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Eric Labouré.

Le président du jury était Frédéric Richardeau.

Le jury était composé de Eric Labouré, Frédéric Richardeau, Cyril Buttay, Yvan Avenas, Zoubir Khatir, Denis Labrousse.

Les rapporteurs étaient Cyril Buttay, Yvan Avenas.


  • Résumé

    Les nouveaux composants à semi-conducteur de type grand gap ont été développés pour des applications de conversion de puissance en raison de leurs hautes fréquences de commutation (de centaine kHz à quelques MHz) et pertes faibles. Afin de bien profiter ses avantages, la technologie des circuits imprimés (PCB) est intéressante pour une intégration à haute densité de puissance grâce à sa flexibilité et son faible coût. Cependant, à cause de la mauvaise conductivité thermique du matériau FR-4 utilisé pour le substrat PCB et la haute densité de puissance réalisée, il est primordial de trouver des solutions thermiques pour améliorer les performances thermiques de la structure de PCB. Dans cette thèse, trois solutions thermiques pour les structures de PCB ont été proposées, y compris des solutions avec des vias thermiques, de cuivre épais sur le substrat de PCB ainsi que des dispositifs de refroidissement thermoélectrique (TEC). Nos études sont basées sur la modélisation électrothermique et la méthode d’éléments finis en 3D. Tout d’abord, l’optimisation des paramètres des vias (diamètre, épaisseur de placage, surface formée par des vias, la distance entre des vias etc.) a été réalisée pour optimiser l’effet de refroidissement. Ensuite, on constate que les performances thermiques des structures de PCB peuvent être améliorées en utilisant cuivre épais sur le substrat de PCB. Cuivre épais augmente le flux thermique latéral dans la couche de cuivre. Les influences de l’épaisseur de cuivre (35 à 500 µm) ont été étudiées. Cette solution est facile à réaliser et peut être combinée à d’autres solutions de refroidissement. Enfin, le dispositif thermoélectrique comme les modules Peltier est une technologie de refroidissement local. Les influences des paramètres de Peltier (Propriétés du matériau thermoélectrique, nombre d’éléments Peltier, distance entre la source de chaleur et les dispositifs Peltier, etc.) ont été identifiées. Il est démontré que des modules Peltier ont l’application potentielle pour le développement d’intégration de PCB attendu que son active contrôle des températures.

  • Titre traduit

    Intégration dans un substrat PCB de composants à semi-conducteur grand gap pour le développement d’un convertisseur d’électronique de puissance à forte densité


  • Résumé

    The emerging wide bandgap (WBG) semiconductor devices have been developed for power conversion applications instead of silicon devices due to higher switching frequencies (from few 100 kHz to several MHz) and lower on-state losses resulting in a better efficiency. In order to take full advantage of the WBG components, PCB technology is attractive for high power density integration thanks to its flexibility and low cost. However, due to poor thermal conductivity of the commonly used material Flame Retardant-4 (FR4), efficient thermal solutions are becoming a challenging issue in integrated power boards based on PCB substrates. So it is of the first importance to seek technological means in order to improve the thermal performances. In this thesis, three main thermal management solutions for PCB structures have been investigated including thermal vias, thick copper thickness on the PCB substrate as well as thermoelectric cooling (TEC) devices. Our studies are based on the electro-thermal modeling and 3D finite element (FE) methods. Firstly, optimization of the thermal via parameters (via diameter, via plating thickness, via-cluster surface, via pattern, pitch distance between vias etc.) has been realized to improve their cooing performances. We presented and evaluated thermal performances of the PCB structures by analyzing the thermal resistance of the PCB substrate with different thermal vias. Secondly, it is found that thermal performances of the PCB structures can be enhanced by using thick copper thickness on top of the PCB substrate, which increases the lateral heat flux along the copper layer. Influences of the copper thickness (35 µm to 500 µm) has been discussed. This solution is easy to realize and can be combined with other cooling solutions. Thirdly, thermoelectric cooler like Peltier device is a solid-state cooling technology that can meet the local cooling requirements. Influences of Peltier parameters (Thermoelectric material properties, number of Peltier elements, distance between the heating source and the Peltier devices etc.) have been identified. All these analyses demonstrate the potential application of Peltier devices placed beside the heating source for PCB structures, which is a benefit for developing the embedding technology in such structures.


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