Technologies for integrated power converters

Les convertisseurs électroniques de puissance sont aujourd’hui très largement utilisés dans tous les domaines de la conversion d’énergie. Ils sont des outils désormais incontournables de tout processus de gestion des transferts de l’énergie électriques depuis les puissances les plus faibles (quelques mW) jusqu’à plusieurs dizaines voire centaines de MW. Le domaine de l’électronique de puissance subit actuellement une double mutation liée aux possibilités offertes par les technologies d’intégration d’une part et l’arrivée de nouveaux composants à semi-conducteur de puissance de type grand-Gap d’autre part.Dans cette thèse supportée par l’ANR, nous avons étudié et évalué les potentialités associées à l’intégration de composants de puissance traditionnels (Silicium) et à base de matériaux grands Gap (GaN). Nous avons, pour cela, développé des procédés de fabrication destinés à l’intégration de composants GaN à structure latérale et de composants Silicium à structure verticale. Le contexte applicatif de cette thèse est celui de l’accroissement du niveau d’électrification dans les avions de nouvelle génération.Pour les composants grand Gap de type GaN à structure latérale (basse tension), nous avons proposé un nouveau procédé de report sur substrat céramique (DBC) et nous avons démontré que cette solution permettait d’améliorer considérablement la gestion thermique de ces composants. Sur la base de ces structures, nous avons également présenté et évalué des méthodes de modélisation permettant la conception de ces dispositifs. Cette modélisation, utilisant des méthodes numériques de type éléments finis ou des méthodes analytiques, traite de deux aspects de la conception : la prédétermination du comportement thermique et la prédétermination du comportement électrique et CEM (en ce qui concerne les aspects conduits)Pour les composants à structures verticales (haute tension), nous avons démontré la faisabilité technologique d’une solution alternative aux packagings traditionnels (assemblage sur DBC et connexion par fils de Bonding). Le process proposé permet, par enterrement des puces dans le PCB, de réaliser une interconnexion 3D permettant de réduire les inductances parasites de boucle très largement dues aux inductances parasites des fils de Bonding. Ceci a pu être démontré sur un prototype de convertisseur complet. Ce procédé d’enterrement des puces s’avère donc particulièrement adapté dans le cas de composants à commutation très rapide.Power Electronic converters are now widely used in all areas of energy conversion. They are tools that cannot be ignored in any process of managing electrical energy transfers from the lowest powers levels (a few mW) to several tens or even hundreds of MW. Power electronics technologies are currently undergoing a double mutation linked to the possibilities offered by integration technologies on the one hand and the arrival of new Wide-Band-Gap power semiconductor components on the other hand.In this thesis supported by the French ANR, we studied and evaluated the potentialities associated with the integration of traditional power components (Silicon) as well as those based on Wide-Band-Gap materials (GaN). We have developed new technological processes for the integration of GaN components with a lateral structure and silicon components with a vertical structure. The application context of this thesis is linked to the problematic of increasing the level of electrification in new generation of aircrafts.For Wide-Band Gap GaN type power devices with a lateral structure (low voltage), we proposed a new method of device-attachment to a metalized ceramic substrate (DBC) and we demonstrated that this solution made it possible to considerably improve the thermal management of these components. On the basis of these structures, we also presented and evaluated modeling methods allowing the design of the whole packaging. This modeling, using numerical tools based on finite element method or analytical equations, deals with two aspects of the design: the predetermination of the thermal behavior and the predetermination of the electrical and electromagnetic behavior (with regard to the conducted aspects)For components with vertical structures (high voltage), we have demonstrated the technological feasibility of an alternative solution to traditional packaging (assembly on a DBC substrate and electrical connection by wire bonding process). The proposed process allows, by embedding the power dies in the PCB, to carry out a 3D interconnection making it possible to reduce the parasitic loop inductances mainly linked to the parasitic inductances of the bondwires. This has been demonstrated on a converter prototype. Embedding power devices is thus particularly suitable in the case of components with very fast switching capabilities