Design of Packaging Structures for High Voltage Power Electronics Devices : Electric Field Stress on Insulation

L'électronique de puissance est à l'orée d'une importante évolution avec l'introduction dans les systèmes de nouveaux composants de puissance à semi-conducteur 'grand gap'. En effet, l'évolution de la filière technologique à base de carbure de silicium (SiC) permet le développement de puces de tailles plus petites, capables de fonctionner à plus haute fréquence de commutation, et de supporter des tensions supérieures aux tensions actuelles, restreintes depuis plusieurs dizaines d'années par les propriétés physiques du silicium. L'introduction de ces composants impose par conséquent d'adapter leur environnement pour prendre en compte ces nouvelles performances. D'un point de vue électrique, les contraintes imposées aux matériaux isolants deviennent proches de leurs limites admissibles, notamment dans les configurations de packaging des modules de puissance actuellement utilisées. L'objectif de cette thèse est de proposer une solution originale permettant d'intégrer les composants de tenue en tension 15 kV, actuellement en phase de développement, dans une structure telle que le module de puissance. Après avoir étudié différentes solutions de packaging, l'étude s'est notamment focalisée sur une zone particulière, appelée zone de point triple située à l'intersection entre le substrat isolant, la métallisation et l'encapsulation. Nous proposons, à partir de simulations par la méthode des éléments finis, une nouvelle géométrie du substrat céramique métallisé capable de réduire l'intensité du champ électrique au point triple. La modification de la structure consiste en la création d'une gorge dans le substrat au bord de la métallisation. Cette nouvelle structure optimisée a montré en simulation une réduction remarquable de l'intensité du champ électrique au point triple du fait d'une meilleure répartition des équipotentielles. Après une revue des différentes techniques de réalisation, l'usinage par ultrasons a été retenu, ce mode d'usinage est particulièrement efficace pour des matériaux durs et cassants telles que les céramiques et permet d'obtenir un profil de gravure présentant notamment un excellent alignement du bord du métal avec celui de la céramique. Les résultats expérimentaux sur des échantillons tests ont permis de procéder à des essais montrant des résultats intéressants et encourageants en terme de décharges partielles et de tenue en rigidité électrique.[...]The power electronics is at the beginning of a major evolution by the introduction of new power components semiconductor 'wide bandgap' in the systems. Indeed, the evolution of silicon carbide (SIC) technology allows to develop small chips, which can operate at a higher switching frequency, and support higher voltages than current one, limited during several decades by the physical properties of silicon. Therefore, the introduction of these components must be adapted to their environment in order to take into account these new performances. From an electrical point of view, the stresses imposed on insulating materials are close to their limits, particularly in the packaging configurations currently used in the power modules. The aim of this thesis is to propose an original solution allowing to integrate the 15 KV components currently in development phase, in a structure such as power module. After studying some packaging solutions, the study focused on a particular area, called the triple point between the metallization, the substrate and the encapsulation materials. We propose, from simulations by the finite element method analysis, a new geometry for the metallized ceramic substrate able to reduce the electric field intensity at the triple point. The structure modification consists in the creation of a gap in the substrate at the edge of the metallization. This new geometric structure has shown by simulation a significant reduction of the electric field intensity at the triple point thanks to a better spreading of the equipotential lines. After reviewing several technical manufacturing, ultrasonic machining was selected, this process is particularly efficient for hard and brittle materials such as ceramics and provides an etching profile with an excellent alignment to the edge of the metallization with the ceramic. Experimental results based on samples tests made it possible to carry out tests showing interesting and encouraging results in terms of partial discharges and resistance to dielectric strength. Thanks to the simulation under FEM analysis and after first experimental results, the new geometric structure for the metallized ceramic substrate proposed for the high voltage power modules, seems to be a technologically integrable solution for the optimization of the packaging for the purpose of the voltage rise in module. Moreover, the interest of the proposed solution compared with other published strategies, such as the use of innovative encapsulation materials was discussed, as well as the advantage offered of being able to combine the strengths of two types of approaches