Etude du comportement sous haute température de matériaux polyimides en vue de la passivation de composants de puissance à semi-conducteurs grand gap

Study of the high temperature behaviour of polyimide materials in view of the passivation of wide band gap semiconductor power device

• Auteur / Autrice : Sombel Diaham
• Direction : Marie-Laure Locatelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectriques

Propriétés thermiques

Polyimides

Résistance des matériaux

Mots clés libres

Polyimides

Matériaux diélectriques

SiC

Passivation

Haute température

Haute tension

Packaging

Résumé

L'objectif de cette étude a été d'évaluer les potentialités d'utilisation d'une nouvelle résine polyimide (PI) dans le but d'assurer le rôle de couche de passivation des composants de puissance en carbure de silicium (SiC) fonctionnant au-delà de 200°C. De tels composants représentent un enjeu pour répondre aux besoins de l'électronique de puissance avec des systèmes plus intégrés ou capables de fonctionner à des températures ambiantes plus élevées. Les mesures électriques effectuées ont permis de montrer que le PI présente une bonne compatibilité du point de vue de la fonctionnalité électrique avec des valeurs du champ de rupture EBR comprises entre 2 et 4 MV/cm jusqu'à 400°C. Par ailleurs, des conductivités électriques statiques (DC) typiques de celles des matériaux semi-isolants (10-12 à 10-8 O-1. Cm-1) ont été observées entre 200 et 400°C. L'une des contributions majeures du travail de caractérisation, appuyé par une compréhension des phénomènes physico-diélectriques, a été de montrer la corrélation entre les mesures de conductivité DC du PI effectuées à l'aide de deux techniques de mesure différentes (courants de conduction et spectroscopie diélectrique). La spectroscopie diélectrique, couplée à une modélisation des phénomènes de polarisation aux électrodes, apparaît ainsi comme un outil de mesure rapide et efficace pour déterminer la conductivité électrique des isolants à hautes températures. Le second temps de l'étude a concerné la détermination de la limite d'utilisation du PI du point de vue de la stabilité de ses propriétés électriques dans le temps à hautes températures et selon la nature de l'atmosphère (inerte ou oxydante). Lors des mesures sous contraintes isothermes, les films de PI ont montré des comportements différents selon la température et/ou la nature de l'atmosphère du milieu environnant. Il a tout d'abord été observé qu'aucune utilisation ne pouvait être envisagée à 400°C car les films présentent rapidement des dégradations dues à la thermolyse quelle que soit l'atmosphère. En revanche, à 300°C sous azote, les propriétés électriques restent relativement stables. . .

The aim of this study deals with the evaluation of the feasibility of using a new polyimide (PI) resin as a passivation layer for silicon carbide (SiC) semiconductor power devices operating above 200°C. Such components seem to be adapted to the needs of power electronics with more integrated systems or able to operate at higher environmental temperatures. The electrical measurements performed have shown that PI presents a good dielectrical rigidity with values of the breakdown field EBR in the range between 2 and 4 MV/cm up to 400°C. In addition, values of the static (DC) electrical conductivity typical of those of semi-insulating materials (10-12 to 10-8 O-1. Cm-1) have been observed between 200 and 400°C. One of the main contributions of this experimental work, supported by an understanding of the physico-dielectrical phenomena, has been to show the correlation between the DC conductivity measurements performed in PI using two different techniques (conduction current measurements and dielectric relaxation spectroscopy). Dielectric relaxation spectroscopy, coupled to a modeling of electrode polarization phenomena, appeared also as a quick and powerful tool to determine the electrical conductivity in insulators at high temperature. The second step of the study focused on the evaluation of the operating limit of PI in the point of view of the electrical property stability versus time at high temperature and as a function of the atmosphere nature (inert or oxidant gases). First, it has been shown that the targeted PI properties were not suitable at 400°C mainly because of a rapid occurrence of the material thermolysis whatever the environment atmosphere nature. By contrast, at 300°C in nitrogen, electrical properties remained relatively stable. In air, an atypical improvement versus time has been observed. . .