FR2817397A1 - Procede pour augmenter la duree de vie d'un composant semi-conducteur de puissance et module electronique comportant un composant ainsi protege - Google Patents

Procede pour augmenter la duree de vie d'un composant semi-conducteur de puissance et module electronique comportant un composant ainsi protege Download PDF

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Abstract

Procédé pour augmenter la durée de vie d'un composant semi-conducteur de puissance, caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir ledit composant semi-conducteur de puissance et ses fils de connexion d'une couche de parylène d'une épaisseur d'au moins 20 m.

Description

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PROCEDE POUR AUGMENTER LA DUREE DE VIE D'UN COMPOSANT
SEMI-CONDUCTEUR DE PUISSANCE ET MODULE ELECTRONIOUE COMPORTANT UN COMPOSANT AINSI PROTEGE L'invention se rapporte à un module électronique de puissance en général et porte plus particulièrement sur un procédé pour augmenter la durée de vie d'un composant semi-conducteur de puissance ainsi que sur un module électronique de puissance comportant un ou plusieurs composants semi-conducteurs de puissance ainsi protégés.
Les transistors IGBT sont devenus des composants de puissance essentiels pour les équipements convertisseur d'énergie de commande de moteurs dans le domaine de la traction électrique, en particulier pour les véhicules ferroviaires. Leur principal intérêt est dû au fait qu'ils sont susceptibles de fonctionner à haute tension et haute fréquence, mais également à la simplicité de leur circuit de commande.
Les transistors IGBT sont habituellement brasés sur des substrats céramiques appelés DCB (Direct Cooper Bonding), recouverts de cuivre sur les deux faces, puis connectés par des fils d'aluminium soudés par ultrason, également désignés par le terme de bondings , pour former un module électronique de puissance. Le module électronique de puissance ainsi réalisé est souvent brasé sur une semelle de cuivre qui est elle-même installée sur un dissipateur de chaleur afin d'assurer le refroidissement des transistors IGBT. Du fait que ces modules sont composés de différents matériaux, avec différents coefficients d'expansion thermique, des stress thermiques sont induits entre les différentes couches du module électronique lors des variations de température, pouvant atteindre 100 C, provoquées par le fonctionnement des transistors IGBT. De tels stress existent également dans les fils d'aluminium de connexion chargés de collecter les différents potentiels sur la face supérieure des composants.
Il en résulte que la fiabilité des modules électronique à transistors IGBT est liée à leur résistance au cyclage thermique et plus particulièrement à la fiabilité de
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l'interface transistor IGBT/fils de connexion qui constitue l'unité qui présente la constante de temps thermomécanique la plus courte dans l'ensemble du module. En effet, un mécanisme de dégradation du module électronique de puissance est la formation de fissures au niveau des talons des fils de connexion, où la température est maximale, lorsque le nombre de cycles thermiques augmente. Un autre mécanisme de dégradation connu du module électronique de puissance est la reconstruction de la métallisation aluminium qui recouvre les transistors IGBT en silicium, sous l'action des cycles thermiques, et forme des interruptions de la métallisation et finalement des cavités le long des joints de grains.
Il est connu de remédier à ces deux types de défaillances du module de puissance explicités précédemment en réalisant une passivation du module de puissance après l'assemblage du transistor IGBT sur son substrat. Cette passivation est réalisée classiquement par le dépôt d'une couche polyamide-imide suffisamment fluide pour enrober les plots de connexion, et devenant dure et hermétique après polymérisation à 1 75-200oC. La protection est complétée par le coulage d'un gel diélectrique à base de silicone chargé de protéger les transistors IGBT de l'humidité et de tenir les fortes tensions utilisées dans le transport ferroviaire.
Toutefois, ce dépôt de polyamide-imide présente l'inconvénient d'être difficile à réaliser d'une manière homogène avec une épaisseur constante, la couche fluide de polyamide-imide ayant parfois tendance à remonter le long des fils de connexion si bien qu'après polymérisation, des manques peuvent apparaître au niveau des talons qu'il faut justement parfaitement enrober. Par ailleurs, la température de polymérisation élevée oblige un choix de matériaux thermiquement résistants pour les brasures, les colles et les matériaux plastiques incorporés avant enrobage des transistors IGBT, et donc plus onéreux que les matériaux standard. De plus, dans le cas de modules de puissance intégrés dans lesquels l'ensemble transistor IGBT/substrat est collé sur un radiateur à eau en plastique avant connexion des transistors IGBT et leur enrobage, le dépôt de polyamide-imide impose l'utilisation d'un radiateur polyetherimide chargé en fibres de verres, très onéreux comparé à la même pièce en polycarbonate par exemple. Un autre inconvénient de la polymérisation à haute température du dépôt polyamide-imide est de générer des
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contraintes dans les soudures et brasures de matériaux ayant des coefficients de dilatations différents.
Aussi, un but de la présente invention est de proposer un procédé pour augmenter la durée de vie des composants semi-conducteurs qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur évoqués ci-dessus.
Un autre but de l'invention est un module de puissance comportant un ou plusieurs composants semi-conducteurs de puissance et des fils de connexion protégés par le procédé selon l'invention pour lesquels les modes de défaillance existant dans le composant semi-conducteur de puissance et dans ses fils de connexion sont fortement atténués.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour augmenter la durée de vie d'un composant semi-conducteur de puissance, caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir le composant semi-conducteur de puissance et ses fils de connexion d'une couche de parylène d'une épaisseur d'au moins 20 um.
L'invention a également pour objet un module électronique de puissance comportant au moins un composant semi-conducteur de puissance présentant des fils de connexion soudés sur un substrat, caractérisé en ce que le composant de puissance et les fils de connexion sont recouverts d'une couche de Parylène d'une épaisseur d'au moins 20 gm.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'épaisseur de la couche de Parylène est de l'ordre de 40 à 50 um pour des tensions de fonctionnement du composant semi-conducteur de puissance de l'ordre de 5 à 10 kV.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le composant semi-conducteur de puissance est un composant IGBT.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif.
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Figure img00040001

Conformément à une caractéristique essentielle du procédé selon l'invention, le composant semi-conducteur de puissance et ses fils de connexions sont recouverts d'une couche de Parylène d'une épaisseur d'au moins 20 um. Le Parylène est un poly-para-xylylène qui présente d'excellentes propriétés mécaniques et diélectriques. Avantageusement, la couche de Parylène est déposée, à température ambiante, par dépôt chimique en phase vapeur, également appelé CVD (Chemical Vapor Deposition) sur les composants semi-conducteurs de puissance, tels que des transistors IGBT, et sur les fils de connexion, tels que fils d'aluminium, d'un module électronique de puissance.
Le procédé de dépôt chimique de Parylène en phase vapeur s'effectuera par exemple selon les phases suivantes : - vaporisation du dimère solide du Parylène à environ 150au ; - pyrolyse du dimère ainsi obtenu à 680 C pour former un monomère stable paraxylylène ; - dépôt de Parylène et polymérisation sous vide partiel, et à température ambiante, du monomère sur les composants semi-conducteurs de puissance et sur les fils de connexion, ces derniers étant supportés par un substrat sur lequel les surfaces ne devant pas être recouvertes de Parylène sont masquées au moyen d'un ruban adhésif.
Par ce procédé, le Parylène se dépose sur toutes les surfaces non protégées d'une manière parfaitement homogène, avec une tolérance sur l'épaisseur du dépôt de l'ordre de +/-5%, tant sur les surfaces de silicium que sur les fils d'aluminium ou les plages de métallisation en cuivre nickelé.
Par ailleurs, il est possible avec un tel procédé de déposer des épaisseurs de Parylène
Figure img00040002

de 0. 1 um à 50 um. D'une manière générale, la couche de Parylène sera optimisée entre 20 um et 50 um, en fonction de la tension à laquelle sera soumis le composant semi-conducteur de puissance mais aussi de la durée de vie désirée.
Le procédé selon l'invention précédemment décrit sera avantageusement utilisé pour augmenter la durée de vie des modules électroniques de puissance utilisés dans les
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onduleurs de traction du domaine ferroviaire. Le Parylène présente d'excellentes propriétés mécaniques et diélectriques et montre en outre une très faible perméabilité aux gaz ce qui en fait une excellente barrière contre l'humidité et autre produits corrosifs.
Dans les applications du domaine ferroviaire, des épaisseurs de Parylène de 40 à 50 um sur les composants semi-conducteurs de puissance et les fils de connexion permettront de tenir des tensions de 5 à 10 kV. En outre de telles épaisseurs permettent éventuellement, en fonction des distances d'isolement, de s'affranchir du gel de silicone qui est habituellement ajouté sur la couche de polyamide-imide dans les solutions connus de l'art antérieur et qui est très coûteux.
Un autre avantage du procédé selon l'invention est la polymérisation à température ambiante du Parylène qui ne génère aucune contrainte thermique dans les soudures et brasures du module électronique de puissance. Cette polymérisation à température ambiante permet également d'utiliser des matériaux plastiques, colles et brasures standard pour la réalisation du module de puissance et des radiateurs de refroidissement et donc de réaliser un module électronique de puissance peu onéreux.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit qui n'a été donné qu'à titre d'exemple.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS 1) Procédé pour augmenter la durée de vie d'un composant semi-conducteur de puissance, caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir ledit composant semi- conducteur de puissance et ses fils de connexion d'une couche de parylène d'une épaisseur d'au moins 20 um.
  2. 2) Module électronique de puissance comportant au moins un composant semi- conducteur de puissance présentant des fils de connexion soudés sur un substrat, caractérisé en ce que ledit composant de puissance et lesdits fils de connexion sont recouverts d'une couche de Parylène d'une épaisseur d'au moins 20 um.
  3. 3) Module électronique de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que
    Figure img00060001
    l'épaisseur de la couche de Parylène est de l'ordre de 40 à 50 jam pour des tensions de fonctionnement du composant semi-conducteur de puissance de l'ordre de 5 à 10 kV.
  4. 4) Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 2 à
    3, caractérisé en ce que ledit composant semi-conducteur de puissance est un composant IGBT.
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