Assemblages innovants en électronique de puissance utilisant la technique de « Spark Plasma Sintering »

Innovative power electronics assemblies using the "Spark Plasma Sintering" technique

• Auteur / Autrice : Bassem Mouawad
• Direction : Cyril Buttay, Hervé Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, science des matériaux
• Date : Soutenance le 18/03/2013
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Camps
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Buttay, Hervé Morel, Thierry Camps, Claude Estournes, Eric Woirgard, Jean-Christophe Crébier, Vincent Bley, Damien Fabrègue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Estournes, Eric Woirgard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Contrôle de la température

Composant de puissance

Composant de puissance intégré

Packaging

Frittage

Spark Plasma Sintering

Substrat céramique métallisé

Electrodéposition

Collage direct de cuivre

Interconnexion 3D

Interconnexion en cuivre

Power Electronics

Power Component

Integrated Power Component

Sintering

3D Interconnection

Spark Plasma Sintering

Direct bonding

Electroplating

Metallized ceramic substrat

Résumé

L'augmentation des températures de fonctionnement est une des évolutions actuelles de l'électronique de puissance. Ce fonctionnement entraine d’une part des changements de la structure des modules de puissance notamment des structures « 3D » pour assurer un refroidissement double face des composants de puissance, et d’autre part l’utilisation de matériaux qui permettent de réduire des contraintes thermomécaniques, liées à la différence de coefficient de dilatation des matériaux, lors d’une montée en température. Le travail réalisé au cours de cette thèse consiste à développer une nouvelle structure « 3D » basée sur une technique de contact par des micropoteaux en cuivre, élaborés par électrodéposition et ensuite assemblés à un substrat céramique métallisé (notamment, un DBC : Direct Bonding Copper). Pour réaliser ce contact, une technique de frittage par SPS (Spark Plasma Sintering) est utilisée. Nous étudions dans un premier temps le collage direct de cuivre sur des massifs, puis effectuons dans un deuxième temps le collage de cuivre entre les micropoteaux et le DBC. Cette technique SPS est aussi utilisée pour la réalisation d’un nouveau substrat céramique métallisé basé sur des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique accordés, pour les applications à haute température.

The increase in operating temperature is one of the current trends in power electronics. This operation leads firstly to changes in the structure of power modules such as "3D" structures to provide a double-side cooling of power components, and secondly the use of materials that reduce thermomechanical stresses, related to the difference in coefficient of thermal expansion. The study realized during this thesis consisted in developing a new "3D" structure based on copper microposts prepared by electroplating, which are then assembled to a metallized ceramic substrate (eg, a DBC: Direct Bonding Copper). To realize this contact, a sintering machine (SPS: Spark Plasma Sintering) is used first to study the direct bonding of copper on solid, and second to perform the bonding between the copper microposts and the DBC. This technique is also used for the production of a new metallized ceramic substrate using materials with matching thermal expansion coefficients, for high temperature applications.