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Composants à semi-conducteur de puissance pour des applications

Composants à semi-conducteur de puissance pour des applications à haute température de fonctionnement. B. Allard, M. Lazar, H. Morel, D. Planson : CEGELY INSA de Lyon G. Coquery, L. Dupont , Z. Khatir : LTN INRETS S. Lefebvre : SATIE ENS Cachan – CNAM R. Meuret : Hispano-Suiza.

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Composants à semi-conducteur de puissance pour des applications

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Presentation Transcript

  1. Composants à semi-conducteur de puissance pour des applications à haute température de fonctionnement B. Allard, M. Lazar, H. Morel, D. Planson : CEGELY INSA de Lyon G. Coquery, L. Dupont, Z. Khatir : LTN INRETS S. Lefebvre : SATIE ENS Cachan – CNAM R. Meuret : Hispano-Suiza J-EEA Cergy-Pontoise

  2. Plan de la présentation • Introduction • Problématique • Choix du semi-conducteur • Choix des puces • Assemblage • Connexions • Synergie Automobile / Avionique • Conclusion J-EEA Cergy-Pontoise

  3. Introduction Environnement moteur (engine) • Pompe hydraulique • Pompe à carburant • Moteurs • Alternateur • Démarreur … J-EEA Cergy-Pontoise

  4. Introduction Collaboration HISPANO-SUIZA / SATIE / LTN INRETS / CEGELY Projet « Avion supersonique » Réalisation d’un convertisseur pour la commande d’un EMA (Electro-Mecanical Actuator) • Puissance de sortie : quelques kW • Température ambiante : 200 °C • MTBF 50 000 h • Cycles Décollage/Atterrissage : 5000 cycles (-55°C +200°C à 10°C/min) • DC Voltage : 48 à 350Vdc • Environnement moteur : (humidité,vibration,choc,altitude) J-EEA Cergy-Pontoise

  5. Problématique Cycles de température (5000 cycles –55°C à 200°C à 10°C/min) Température de Fonctionnement élevée (Ta = 200°C) Durée de vie élevée (50000heures) Puces Assemblage Tenue en température : Courants de fuite, Von, … Vieillissement : Dégradation de l’oxyde… Brasures : Délamination, fissures… Fils de Bonding : Levé J-EEA Cergy-Pontoise

  6. Choix du semi-conducteur Limitation en température : courant de fuite (EG, VBR) Matériaux VBR (cf. Wondrak pour des jonctions PIN - 1999) J-EEA Cergy-Pontoise

  7. Choix du semi-conducteur Limitation en température : courant de fuite (EG, VBR) J-EEA Cergy-Pontoise

  8. Choix du semi-conducteur : SOI Comparaison MOS Bulk / MOS SOI Honeywell HTANFET Mos de puissance sur SOI TJMAX = 225°C 90V, 0,4W à 25°C J-EEA Cergy-Pontoise

  9. Choix des puces : SiC Diode Schottky SiC Cree 10 A 600V DisponiblesSiC: Diodes Scottky 600V (Infineon, Cree…) Comparaison : Diodes Schottky SiC / Diode Si PIN (175 °C) J-EEA Cergy-Pontoise

  10. Choix des puces : SiC Echantillons SiC : JFET, JFET Cascode Chang & al. ISPSD’03 600V 5 mW.cm² Siced : MOS Si basse tension VBR = 1000V, RON < 1,2 W J-EEA Cergy-Pontoise

  11. Choix des puces : SiC Développement SiC : MOSFET, diodes PIN MOSFET 3kV Peters & al. EPE’03 J-EEA Cergy-Pontoise

  12. Choix des puces : Si VBR = 1000V: TJMAX = 150°C VBR = 100V: TJMAX = 250°C Jonction PIN Super Jonction (CoolMOS) Caractérisations en température CoolMOS 47A 600V CoolMOS 20A 600V J-EEA Cergy-Pontoise

  13. Choix des puces : Si Comparaison CoolMOS 600V / IGBT NPT 600V / MOS 200V VDS = VBR J-EEA Cergy-Pontoise

  14. Choix des puces : Si Caractérisations électriques CoolMOS 47A – 600 V APT47N60BC3 Caractérisation dynamique (à l’ouverture) Caractérisation statique (RDSon) J-EEA Cergy-Pontoise

  15. Assemblage Assemblage sur DCB Automobile : Généralement : céramique Al2O3 / Socle Cuivre Aviation : Céramique AlN / Socle AlsiC Après 43000 cycles d’injection de puissance Z. Khatir & al., SemiTherm XVII, San Jose, Mars 2001 J-EEA Cergy-Pontoise

  16. Assemblage Réalisation d’un démonstrateur (APT Europe) Céramique AlN / Socle AlSiC Diodes schottky SiC Cree 600V 10A ×2 CoolMOS Si APT 600V 47A J-EEA Cergy-Pontoise

  17. Connexions Fils de bonding Cyclage actif Tc 115 °C / Tj 150 °C G. Coquery & Al. ESREF 2003 Module Econo-Pack 600V 200A Une des principales causes de défaillance à haute température J-EEA Cergy-Pontoise

  18. Synergie Automobile / Avionique Développement de modules de puissance Haute Température (175°C) dans l’automobile Onduleur triphasé IXYS 75V 350A TJMAX = 175°C Utilisation à 220°C à plus faible courant ? J-EEA Cergy-Pontoise

  19. Conclusion • Caractérisation module APT (220 °C) • - Electrique • - Assemblage • Caractérisation module automobile • - Electrique (déclassé) • - Assemblage • Convertisseur tout SiC : Diodes Schottky • JFET J-EEA Cergy-Pontoise

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