FR3088138A1 - Module electronique de puissance - Google Patents
Module electronique de puissance Download PDFInfo
- Publication number
- FR3088138A1 FR3088138A1 FR1871394A FR1871394A FR3088138A1 FR 3088138 A1 FR3088138 A1 FR 3088138A1 FR 1871394 A FR1871394 A FR 1871394A FR 1871394 A FR1871394 A FR 1871394A FR 3088138 A1 FR3088138 A1 FR 3088138A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- electronic
- conductive layer
- power module
- t2hs
- bus
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
- H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
- H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
- H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
- H01L23/3677—Wire-like or pin-like cooling fins or heat sinks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
- H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
- H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
- H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
- H01L2224/0601—Structure
- H01L2224/0603—Bonding areas having different sizes, e.g. different heights or widths
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
- H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
- H01L2224/061—Disposition
- H01L2224/0618—Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
- H01L2224/06181—On opposite sides of the body
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
- H01L2224/331—Disposition
- H01L2224/3318—Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
- H01L2224/33181—On opposite sides of the body
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
- H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
- H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
- H01L23/49838—Geometry or layout
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Combinations Of Printed Boards (AREA)
Abstract
MODULE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Le module comprend au moins un substrat (SUBL) et des première et deuxième sections de commutation formant une branche de pont de commutation, les sections de commutation comprenant, en nombre égal, au moins une première puce électronique (T2HS) et une deuxième puce électronique (T1LS) ayant chacune des première et deuxième faces d’électrode supportant respectivement des première et deuxième électrodes de puissance (S, D), et le substrat comprenant une couche conductrice (CHL) sur laquelle sont implantées les puces. Conformément à l’invention, les première et deuxième puces sont implantées tête bêche, la première puce étant fixée sur la couche conductrice par sa première face et la deuxième puce étant fixée sur la couche conductrice par sa deuxième face, et la deuxième face de la première puce et la première face de la deuxième puce étant reliées respectivement à des premier et deuxième bus barre d’alimentation continue (DC-, DC+). Fig.11
Description
DESCRIPTION
TITRE: MODULE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE [0001 ]i L’invention concerne de manière générale le domaine de l’électronique de puissance. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un module électronique de puissance pour la réalisation de dispositifs électroniques de commutation de puissance tels que des onduleurs et convertisseurs de puissance, mais pas exclusivement. L’invention concerne aussi un dispositif électronique de commutation de puissance incorporant le module électronique de puissance susmentionné.
[0002] Les dispositifs électroniques de commutation de puissance sont très présents dans de nombreux domaines d’activité comme les transports, les industries, l’éclairage, le chauffage, etc. Avec la transition énergétique souhaitée vers des sources d'énergie renouvelables et moins productrices d’émissions de CO2, l’électronique de puissance est appelée à se généraliser encore davantage et doit répondre à des contraintes économiques et technologiques croissantes.
[0003] Les différentes contraintes s’appliquant aux dispositifs électroniques de puissance ont conduit vers une architecture modulaire des ponts de commutation. Ainsi, est fréquemment utilisé un module élémentaire de commutation de puissance, dit « module de puissance >>, qui correspond à une branche de commutation, ou onduleur monophasé, plusieurs modules de puissance étant associables en parallèle pour passer davantage de courant ou former un onduleur multiphasé.
[0004] Les nouveaux semiconducteurs à grand gap, comme le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et le diamant, sont devenus des acteurs majeurs de la filière électronique de puissance. Le carbure de silicium en particulier est appelé à remplacer progressivement dans les prochaines années le silicium dans les composants électroniques de puissance intégrés fonctionnant au-delà de 1000 Volts. Ces semiconducteurs à grand gap présentent un champ électrique de claquage élevé, une grande vitesse de commutation et une forte conductivité thermique qui leur confèrent d’excellentes aptitudes pour la commutation de puissance. Ces nouveaux semiconducteurs permettent aujourd’hui de disposer de composants électroniques de puissance qui fonctionnent à des tensions, des températures et des fréquences de commutation plus élevées, et qui autorisent des densités de courant supérieures.
[0005] Dans un module de puissance, une attention particulière doit être portée à la réduction de l’inductance de la boucle de commutation, afin notamment de protéger le module contre des surtensions potentiellement destructrices, limiter les rayonnements électromagnétiques et réduire la chaleur générée.
[0006] La boucle de commutation est formée essentiellement par les liaisons de connexion à travers les bus barre d’alimentation électrique continue, le substrat habituellement de type DBC (pour « Direct Bond Copper >> en anglais) et les interconnexions électriques filaires dites « wire bonding >> en anglais. La valeur de l’inductance de la boucle de commutation est proportionnelle à la surface de la boucle. L’architecture du module de puissance doit donc être conçue de façon à réduire autant que possible la surface de la boucle de commutation.
[0007] Dans US2014/0084993A1, il est proposé un dispositif électronique de puissance comportant des première et deuxième branches de commutation. La première branche de commutation comprend des premier et deuxième transistors et des première et deuxième diodes. La deuxième branche de commutation comprend des troisième et quatrième transistors et des troisième et quatrième diodes. Le premier transistor est juxtaposé au deuxième transistor dans une première direction et est juxtaposé au quatrième transistor dans une seconde direction. Le troisième transistor est juxtaposé au quatrième transistor dans la première direction et est juxtaposé au deuxième transistor dans la seconde direction. Une première tension est appliquée à des électrodes des premier et troisième transistors. Une tension de polarité opposée à la première tension est appliquée à des électrodes des deuxième et quatrième transistors.
[0008] Il apparaît aujourd’hui souhaitable de proposer une architecture de module de puissance qui soit optimisée notamment pour une réduction maximale de l’inductance de boucle de commutation et des rayonnements électromagnétiques.
[0009] Selon un premier aspect, l’invention concerne un module électronique de puissance comprenant au moins un premier substrat et des première et deuxième sections de commutation formant une branche de pont de commutation, les première et deuxième sections de commutation comprenant respectivement, en nombre égal, au moins une première puce électronique et une deuxième puce électronique d’interrupteurs électroniques et étant reliées respectivement à un premier bus barre d’alimentation continue et à un deuxième bus barre d’alimentation continue, les première et deuxième puces électroniques comprenant chacune des première et deuxième faces d’électrode supportant respectivement des première et deuxième électrodes de puissance, et le premier substrat comprenant une première couche conductrice sur laquelle sont implantées les puces électroniques et supportant une borne de sortie de commutation du module électronique de puissance. Conformément à l’invention, les première et deuxième puces électroniques sont implantées tête bêche sur la première couche conductrice, la première puce électronique étant fixée sur la première couche conductrice par sa première face d’électrode et la deuxième puce électronique étant fixée sur la première couche conductrice par sa deuxième face d’électrode, et la deuxième face d’électrode de la première puce électronique et la première face d’électrode de la deuxième puce électronique étant reliées respectivement aux premier et deuxième bus barre d’alimentation continue.
[0010] Selon une forme de réalisation particulière, le module électronique de puissance comprend, en nombre égal, une première pluralité de premières puces électroniques et une deuxième pluralité de deuxièmes puces électroniques, les premières et deuxièmes puces électroniques étant implantées sur la première couche conductrice en étant disposées en des première et deuxième rangées, les premières et deuxièmes puces électroniques étant implantées de manière alternée dans les première et deuxième rangées et avec des premières et deuxièmes puces électroniques adjacentes implantées dans une rangée en regard respectivement de deuxièmes et premières puces électroniques adjacentes implantées dans l’autre rangée.
[0011] Selon une caractéristique particulière, le premier substrat comprend une deuxième couche conductrice isolée de la première couche conductrice par une première couche diélectrique, et un premier dissipateur thermique fixé sur la deuxième couche conductrice.
[0012] Selon une autre caractéristique particulière, le premier substrat est de type DBC.
[0013] Selon encore une autre caractéristique particulière, le module électronique de puissance comprend des troisième et quatrième couches conductrices empilées sur la première couche conductrice et formant respectivement les premier et deuxième bus barre d’alimentation continue, les première, troisième et quatrième couches conductrices étant isolées entre elles par des deuxième et troisième couches diélectriques, et chaque deuxième face d’électrode de première puce électronique et chaque première face d’électrode de deuxième puce électronique étant reliées respectivement aux premier et deuxième bus barre d’alimentation continue par un fil d’interconnexion électrique.
[0014] Selon une autre forme de réalisation particulière, le module électronique de puissance comprend un deuxième substrat comprenant des cinquième et sixième couches conductrices dans lesquelles sont formés respectivement les premier et deuxième bus barre d’alimentation continue, les cinquième et sixième couches conductrices étant isolées entre elles par une quatrième couche diélectrique, et chaque deuxième face d’électrode de première puce électronique étant fixée au premier bus barre d’alimentation continue à travers une pastille conductrice aménagée dans la sixième couche conductrice et des vias métallisés aménagés dans la quatrième couche diélectrique et chaque première face d’électrode de deuxième puce électronique étant fixée directement au deuxième bus barre d’alimentation continue.
[0015] Selon une caractéristique particulière, le deuxième substrat comprend une septième couche conductrice isolée de la cinquième couche conductrice par une cinquième couche diélectrique, et un deuxième dissipateur thermique fixé sur la septième couche conductrice.
[0016] Selon une autre caractéristique particulière, le deuxième substrat est de type DBC.
[0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, les puces électroniques d’interrupteurs électroniques sont des transistors de type MOSFET.
[0018] L’invention concerne aussi un dispositif électronique de commutation de puissance comprenant au moins un module électronique de puissance tel que décrit brièvement ci-dessus.
[0019] D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
[0020] [Fig. 1] est un schéma électrique simplifié d’un exemple de réalisation d’un module de puissance selon l’invention ;
[0021] [Fig. 2] est une vue plane montrant une face d’électrode avant d’une puce électronique d’un transistor MOSFET, en tant qu’interrupteur électronique intégrable dans un module de puissance selon l’invention ;
[0022] [Fig. 3] est une vue plane montrant une face d’électrode arrière d’une puce électronique d’un transistor MOSFET, en tant qu’interrupteur électronique intégrable dans un module de puissance selon l’invention ;
[0023] [Fig. 4] est une première vue schématique en perspective montrant des concepts architecturaux relatifs à différentes formes de réalisation du module de puissance selon l’invention ;
[0024] [Fig. 5] est une deuxième vue schématique en perspective montrant des concepts architecturaux relatifs à différentes formes de réalisation du module de puissance selon l’invention ;
[0025] [Fig. 6] est une troisième vue schématique en perspective montrant des concepts architecturaux relatifs à différentes formes de réalisation du module de puissance selon l’invention ;
[0026] [Fig. 7] est une quatrième vue schématique en perspective montrant des concepts architecturaux relatifs à différentes formes de réalisation du module de puissance selon l’invention ;
[0027] [Fig. 8] est une vue schématique plane d’une forme de réalisation particulière du module de puissance selon l’invention ;
[0028] [Fig. 9] est une vue schématique en coupe de la forme de réalisation particulière de la Fig. 8 du module de puissance selon l’invention ;
[0029] [Fig. 10] est une vue schématique plane d’une autre forme de réalisation particulière du module de puissance selon l’invention ; et [0030] [Fig.11] est une vue schématique en coupe de la forme de réalisation particulière de la Fig. 10 du module de puissance selon l’invention.
[0031] Des première et deuxième formes de réalisation particulières MP1 et MP2 du module de puissance selon l’invention sont décrites ici en référence aux Figs.8, 9, et Figs. 10, 11, respectivement. Les Figs.1 à 7 montrent de manière schématique des concepts architecturaux et structures relatifs à différentes formes de réalisation de l’invention.
[0032] Comme montré par le schéma électrique de principe de la Fig. 1, un module de puissance MP selon l’invention comprend au moins une branche de pont de commutation (onduleur monophasé) et comporte une section de commutation haute HS, dite « high side » en anglais, et une section de commutation basse LS, dite « low side » en anglais.
[0033] De manière générale, conformément à l’invention, les sections de commutation haute HS et basse LS ont sensiblement la même configuration et comprennent un même nombre d’interrupteurs électroniques, chaque section de commutation HS, LS, comprenant au moins un interrupteur électronique.
[0034] Dans le module de puissance MP de la Fig.1, les sections de commutation haute HS et basse LS comprennent chacune deux interrupteurs électroniques montés en parallèle, T1hs, T2hs et T1 i_s, T2ls, respectivement. De manière générale, conformément à l’invention, les sections de commutation haute HS et basse LS pourront comprendre un même nombre quelconque d’interrupteurs électroniques montés en parallèle. Le nombre des interrupteurs électroniques montés en parallèle dépendra notamment de la puissance électrique demandée au module de puissance.
[0035] De manière générale, dans la présente invention, les interrupteurs électroniques pourront être notamment des transistors de type MOSFET, IGBT, GTO et des transistors de type semiconducteur à grand gap tels que SiC, GaN, HEMT et autres.
[0036] Comme cela est connu de l’homme du métier, il est généralement avantageux de monter une diode Schottky en antiparallèle avec chacun des interrupteurs électroniques, de façon à assurer un recouvrement rapide en commutation et à protéger les interrupteurs. Certaines formes de réalisation de l’invention pourront donc incorporer des diodes Schottky montées en antiparallèle avec les interrupteurs électroniques.
[0037] Dans les exemples de forme de réalisation décrits ici, les interrupteurs électroniques sont des transistors MOSFET de type SiC. Les transistors sont considérés ici comme ayant des diodes intrinsèques PIN performantes (PIN pour « Positive - Intrinsic - Negative >> en anglais), de sorte que les diodes Schottky montées en antiparallèle ne sont pas prévues dans ces formes de réalisation.
[0038] Comme visible à la Fig. 1, le module de puissance PM comporte trois points de connexion de puissance Phs, Pls et Ps reliés respectivement à un bus barre d’alimentation électrique continue DC+ de polarité positive, un bus barre d’alimentation électrique continue DC- de polarité négative et une borne de sortie commutée OUT du module. Le point de connexion Ps est un point de connexion commun entre les sections de commutation haute HS et basse LS.
[0039] Dans la section de commutation haute HS, des électrodes de drain D des transistors T1hs et T2hs sont connectées ensemble et reliées au point de connexion Phs. Des électrodes de source S des transistors T1hs et T2hs sont connectées ensemble et reliées au point de connexion commun Ps. Des électrodes de grille G des transistors T1 hs et T2hs sont connectées ensemble et reliées à une borne de commande Cdns du module de puissance MP.
[0040] Dans la section de commutation basse LS, des électrodes de drain D des transistors T1 ls et T2ls sont connectées ensemble et reliées au point de connexion commun Ps. Des électrodes de source S des transistors T1 ls et T2ls sont connectées ensemble et reliées au point de connexion Pls. Des électrodes de grille G des transistors T1 ls et T2ls sont connectées ensemble et reliées à une borne de commande CdLs du module de puissance MP.
[0041] Dans la présente invention, il est préconisé d’utiliser des interrupteurs électroniques ayant des première et deuxième électrodes de puissance situées respectivement sur des première et deuxième faces opposées des puces. Plus précisément, dans le cas d’un transistor MOSFET, l’électrode de source est située sur une première face de la puce, à savoir, la face avant métallisée, et l’électrode de drain est située sur l’autre face la puce, à savoir, la face arrière métallisée.
[0042] Les Figs.2 et 3 montrent à titre d’exemple une implantation d’électrodes sur les faces avant et arrière d’une puce, telle que disponible chez les fournisseurs de composants semiconducteurs pour les transistors MOSFET de type SIC. Une telle implantation d’électrodes convient pour les transistors T1hs, T2hs, et T1ls, T2ls, du module de puissance MP.
[0043] Comme visible à la Fig.2, la face avant Fav des puces de transistor T1 hs, T2hs, et T1ls, T2ls, comprend trois pavés métalliques d’électrode PS1, PS2 et PG, prévus pour une liaison par soudure ou brasage. Les pavés PS1 et PS2 correspondent à l’électrode de source S. Le pavé PG correspond à l’électrode de grille G. La Fig.3 montre la face arrière Far des puces de transistors T1 hs, T2hs, et T1ls, T2ls, qui comprend un pavé métallique d’électrode PD correspondant à l’électrode de drain D et prévu pour une liaison par soudure ou brasage.
[0044] La Fig.4 montre de manière schématique la configuration d’implantation et de connexion électrique des transistors T1 hs, T2hs, et T1 ls, T2ls, dans le module de puissance MP.
[0045] Comme bien visible à la Fig.4, les transistors T1 hs, T2hs, et T1 ls, T2ls, sont ici implantés aux quatre coins d’un rectangle, ou carrée, sur un même substrat SUB. Le substrat SUB est ici de type DBC et comprend une couche centrale diélectrique CD enserrée entre des couches conductrices haute CH et basse CL. Les couches conductrices CH et CL sont en cuivre. La couche conductrice haute CH supporte le point de connexion commun Ps du module de puissance MP, point de connexion commun Ps qui correspond à la borne de sortie commutée OUT du module MP.
[0046] Les deux transistors d’une même section de commutation sont implantés en des coins diagonalement opposés du rectangle. Ainsi, les transistors T1 hs et T2hs sont implantés respectivement dans des coins C3 et C1 diagonalement opposés du rectangle et les transistors T1ls et T2ls sont implantés respectivement dans des coins C2 et C4 diagonalement opposés du rectangle.
[0047] Conformément à l’invention, comme décrit ci-dessus en référence aux Figs.2 et 3, il est utilisé des puces de transistor avec une implantation des électrodes de puissance sur les deux faces. Cette caractéristique de l’invention permet de minimiser les longueurs des liaisons de connexion et, corrélativement, les surfaces des boucles de commutation.
[0048] Pour les transistors T1hs et T2hs, diagonalement opposés, les électrodes de drain S, présentent sur les faces avant (cf. Fig.2) des puces, sont soudées sur la couche conductrice haute CH du substrat SUB. Les électrodes de source D, présentent sur les faces arrière (cf. Fig.3) des puces, sont reliées au bus barre d’alimentation électrique continue DC+.
[0049] Les puces des transistors T1 i_s et T2ls, diagonalement opposés, sont implantées sur le substrat SUB tête bêche par rapport aux puces des transistors T1hs et T2hs (c’est-à-dire, avec un retournement de 180 degrés). Les électrodes de drain D, présentent sur les faces arrière (cf. Fig.3) des puces, sont soudées sur la couche conductrice haute CH du substrat SUB. Les électrodes de source S, présentent sur les faces avant (cf. Fig.2) des puces, sont reliées au bus barre d’alimentation électrique continue DC-.
[0050] Les différents trajets de circulation de courant possibles T12, T14, T34 et T32 entre les transistors T1hs, T2hs, T1ls et T2ls sont montrés à la Fig.4. On notera que les sens de circulation de courant sont inversés dans les trajets parallèles correspondant à deux cotés opposés du rectangle, ce qui introduit un phénomène d’auto-compensation du rayonnement électromagnétique qui réduit les émissions électromagnétiques du module de puissance MP. Ainsi, les trajets T12 et T34 ont des sens contraires de circulation de courant et il en va de même pour les trajets T14et T32.
[0051] La Fig.5 montre schématiquement à titre d’exemple la surface de la boucle de commutation pour le trajet de circulation de courant T34 entre les transistors T1 hs et T2ls. Avec la configuration d’implantation et de connexion électrique des transistors décrite ci-dessus, la surface de la boucle de commutation est grandement réduite par rapport aux solutions connues de la technique antérieure. En effet, comme cela apparaît dans l’exemple illustratif de la Fig.5, la largeur La de la boucle de commutation peut être faible compte-tenu que l’épaisseur des puces de transistor qui n’est que de quelques centaines de micromètres. La longueur Lo de la boucle de commutation est déterminée par l’écartement entre les puces de transistor.
[0052] Les Figs.6 et 7 montrent d’autres exemples d’architecture correspondant respectivement à des modules de puissance MPa et MPb.
[0053] Le module de puissance MPa est une forme de réalisation minimale avec un seul transistor Ths, Tls, par section de commutation HS, LS.
[0054] Le module de puissance MPb est une forme de réalisation avec trois transistors en parallèle par section de commutation. La section de commutation haute HS comprend les transistors T1 hs, T2hs et T3hs. La section de commutation basse LS comprend les transistors T1 ls, T2ls et T3ls.
[0055] Comme bien illustré par la forme de réalisation de la Fig.7, de manière générale dans la présente invention, les puces des transistors sont implantées sur le substrat SUB en étant réparties sur deux rangées sensiblement parallèles R1 et R2. La rangée R1 comprend ici les transistors T1 ls, T2hs et T3ls et la rangée R2 comprend les transistors T1hs, T2ls et T3hs. Dans une même rangée R1 ou R2, les puces sont implantées de manière alternée, une puce d’une section de commutation étant suivie d’une puce de l’autre section de commutation, et deux puces adjacentes sont implantées tête bêche. De plus, les puces en regard dans les rangées R1 et R2 sont implantées tête bêche.
[0056] En référence aux Figs.8 et 9, il est maintenant décrit en détail l’architecture du module de puissance MP1, en tant que premier exemple de réalisation particulière de la présente invention.
[0057] Dans l’architecture du module de puissance MP1, les transistors T1hs, T2hs, T1 ls et T2ls sont soudés sur la couche conductrice haute CH du substrat SUB de type DBC, comme décrit ci-dessus en référence aux Figs.4 et 5.
[0058] Comme visible aux Figs.8 et 9, la couche conductrice haute CH comporte une portion majoritaire, supportant la connexion (Ps) à la borne de sortie commutée OUT, sur laquelle sont soudées les électrodes de source S des transistors T1 hs et T2hs et les électrodes de drain D des transistors T1ls et T2ls. Quatre pistes conductrices de commande de grille PG1 hs, PG2hs, PG1 ls et PG2ls sont formées dans la couche conductrice haute CH pour la connexion des électrodes de grille des transistors T1 hs, T2hs, T1 ls et T2ls, respectivement.
[0059] Un dissipateur thermique DIS est fixé, en contact thermique étroit, contre la couche conductrice basse CB du substrat SUB. La couche diélectrique CD a une épaisseur qui est réduite au minimum requis de façon à faciliter l’évacuation des calories émises par les transistors T1hs, T2hs, T1ls et T2ls vers le dissipateur thermique DIS.
[0060] Comme bien visible à la Fig.4B, les bus barres d’alimentation électrique continue DC+ et DC- sont formés respectivement par des couches conductrices CS1 et CS2 en cuivre. Les couches conductrices CS1 et CS2 sont empilées et stratifiées sur le substrat SUB, au-dessus de la couche conductrice haute CH, en étant isolées électriquement par des couches diélectriques DS1 et DS2. La couche diélectrique DS1 est interposée entre la couche conductrice haute CH et la couche conductrice CS1. La couche diélectrique DS2 est interposée entre la couche conductrice CS1 et la couche conductrice CS2.
[0061] Des fils d’interconnexion électrique soudés WB sont utilisés pour relier les transistors T1hs, T2hs, T1ls et T2ls aux couches conductrices CS1 et CS2 correspondant respectivement aux bus barres d’alimentation électrique continue DC+ et DC-. Les électrodes de drain D des transistors T1hs et T2hs sont reliées par des fils d’interconnexion soudés WB à la couche conductrice CS1. Les électrodes de source S des transistors T1 i_s et T2ls sont reliées par des fils d’interconnexion électrique soudés WB à la couche conductrice CS2.
[0062] Comme bien visible aux Figs.8 et 9, les pistes conductrices de commande de grille PG1 hs, PG2hs, PG1 ls et PG2ls, pour la connexion électrique des électrodes de grille G des transistors T1hs, T2hs, T1ls et T2ls, sont aménagées dans la couche conductrice haute CH par retrait de métal, typiquement par les techniques connues de photolithographie et gravure humide.
[0063] Les électrodes de grille G des transistors T1 hs et T2hs sont soudées directement aux pistes conductrices de commande de grille PG1hs, PG2hs, respectivement. Les électrodes de grille G des transistors T1 ls et T2ls sont reliées aux pistes conductrices de commande de grille PG1ls et PG2ls, respectivement, par l’intermédiaire de fils d’interconnexion électrique soudés WB.
[0064] En référence aux Figs. 10 et 11, il est maintenant décrit en détail l’architecture du module de puissance MP2, en tant que deuxième exemple de réalisation particulière de la présente invention.
[0065] Dans l’architecture du module de puissance MP2, les transistors T1hs, T2hs, T1 ls et T2ls sont soudés entre un substrat inférieur SUBl et un substrat supérieur SUBh.
[0066] Le substrat inférieur SUBl, de type DBC, est analogue au substrat inférieur SUB du module de puissance MP1. Les transistors T1 hs, T2hs, T1 ls et T2ls sont soudés sur la couche conductrice haute CHl du substrat SUBl.
[0067] Comme visible aux Figs. 10 et 11, la couche conductrice haute CHl comporte une portion majoritaire, supportant la connexion (Ps) à la borne de sortie commutée OUT, sur laquelle sont soudées les électrodes de source S des transistors T1 hs et T2hs et les électrodes de drain D des transistors T1 ls et T2ls. Deux pistes conductrices de commande de grille PL1hs et PL2hs sont formées dans la couche conductrice haute CHl pour la connexion des électrodes de grille G des transistors T1hs et T2hs, respectivement. Les électrodes de grille G des transistors T1 hs et T2hs sont soudées directement sur les pistes conductrices de commande de grille PL1hs et PL2hs, respectivement.
[0068] Un dissipateur thermique DISl est fixé, en contact thermique étroit, contre la couche conductrice basse CBl du substrat inférieur SUBl. La couche diélectrique CDl a une épaisseur qui est réduite au minimum requis de façon à faciliter l’évacuation des calories émises par les transistors T1 hs, T2hs, T1 ls et T2ls vers le dissipateur thermique DISl.
[0069] Le substrat supérieur SUBh est aussi de type DBC et comporte trois couches conductrices CBh, CIh et CHh et deux couches diélectriques CD1h et CD2h. Les couches conductrices CBh et CHh sont respectivement des couches conductrices basse et haute du substrat supérieur SUBh. La couche conductrice CIh est une couche conductrice intermédiaire du substrat supérieur SUBh. La couche diélectrique CD1h est interposée entre la couche conductrice basse CBh et la couche conductrice intermédiaire CIh. La couche diélectrique CD2h est interposée entre la couche conductrice intermédiaire CIh et la couche conductrice haute CBh.
[0070] Un dissipateur thermique DISh est fixé, en contact thermique étroit, contre la couche conductrice haute CHh du substrat SUBh. Les couches diélectriques CD1 h et CD2h ont des épaisseurs qui sont réduites au minimum requis de façon à faciliter l’évacuation des calories émises par les transistors T1 hs, T2hs, T1 ls et T2ls vers le dissipateur thermique DISh.
[0071] La couche conductrice basse CBh comporte une portion majoritaire, correspondant au bus barre d’alimentation électrique continue DC-, sur laquelle sont soudées les électrodes de source S des transistors T1 ls et T2ls et les électrodes de drain D des transistors T1hs et T2hs. Deux pistes conductrices de commande de grille PL1ls et PL2ls sont formées dans la couche conductrice basse CBh pour la connexion des électrodes de grille G des transistors T1 ls et T2ls, respectivement. Seule la piste conductrice de commande de grille PL1 ls est visible à la Fig.11. La localisation des pistes conductrices de commande de grille PL1ls et PL2ls au-dessus des grilles G des transistors T1 ls et T2ls est montrée en trait fin à la Fig.10. Les électrodes de grille G des transistors T1 ls et T2ls sont soudées directement sur les pistes conductrices de commande de grille PL1 ls et PL2ls, respectivement.
[0072] Les électrodes de drain D des transistors T1hs et T2hs sont reliées électriquement à la couche conductrice intermédiaire CIh, correspondant au bus barre d’alimentation électrique continue DC+, à travers des pastilles conductrices de connexion de drain et des vias métalliques. Une pastille conductrice de connexion de drain et une pluralité de vias sont formées pour la connexion de chacune des électrodes de drain D des transistors T1 hs et T2hs. Chaque électrode de drain D est soudée à une pastille conductrice de connexion de drain. La pastille conductrice de connexion de drain C2hs et des vias V2hs pour le transistor T2hs sont visibles à la Fig.11. Les pastilles conductrices de connexion de drain sont formées dans la couche conductrice basse CBh et sont reliées électriquement à la couche conductrice intermédiaire CIh par les vias formés dans la couche diélectrique CD1 h.
[0073] Les pastilles conductrices de connexion de drain pourront être formées dans la couche conductrice basse CBh par retrait de métal, typiquement par les techniques connues de photolithographie et gravure humide. Les vias pourront être formés par perçage et métallisation.
[0074] Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications considérées, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.
Claims (1)
- REVENDICATIONS [Revendications 1] Module électronique de puissance comprenant au moins un premier substrat (SUB) et des première et deuxième sections de commutation (HS, LS) formant une branche de pont de commutation, lesdites première et deuxième sections de commutation (HS, LS) comprenant respectivement, en nombre égal, au moins une première puce électronique (Ths) et une deuxième puce électronique (Tls) d’interrupteurs électroniques et étant reliées respectivement à un premier bus barre d’alimentation continue (DC+) et à un deuxième bus barre d’alimentation continue (DC-), lesdites première et deuxième puces électroniques (Ths, Tls) comprenant chacune des première et deuxième faces d’électrode (Fav, Far) supportant respectivement des première et deuxième électrodes de puissance (S, D), et ledit premier substrat (SUB) comprenant une première couche conductrice (CH) sur laquelle sont implantées lesdites puces électroniques (Ths, Tls) et supportant une borne de sortie de commutation (OUT, PS) dudit module électronique de puissance, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième puces électroniques (Ths, TLS) sont implantées tête bêche sur ladite première couche conductrice (CH), ladite première puce électronique (Ths) étant fixée sur ladite première couche conductrice (CH) par sa première face d’électrode (Fav, S) et ladite deuxième puce électronique (Tls) étant fixée sur ladite première couche conductrice (CH) par sa deuxième face d’électrode (Far, D), et ladite deuxième face d’électrode (Far, D) de ladite première puce électronique (Ths) et ladite première face d’électrode (Fav, S) de ladite deuxième puce électronique (Tls) étant reliées respectivement auxdits premier et deuxième bus barre d’alimentation continue (DC+, DC-).[Revendications 2] Module électronique de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend, en nombre égal, une première pluralité de dites premières puces électroniques (T1hs, T2hs, T3hs) et une deuxième pluralité de dites deuxièmes puces électroniques (T1ls, T2ls, T3ls), lesdites premières et deuxièmes puces électroniques (T1hs, T2hs, T3hs ; T1ls, T2ls, T3ls) étant implantées sur ladite première couche conductrice (CH) en étant disposées en des première et deuxième rangées (R1, R2), lesdites premières et deuxièmes puces électroniques (T1hs, T2hs, T3hs ; T1ls, T2ls, T3ls) étant implantées de manière alternée (T1ls, T2hs, T3ls ; T1hs, T2ls, T3hs) dans lesdites première et deuxième rangées (R1, R2) et avec des premières et deuxièmes puces électroniques adjacentes (T2hs ; T1 ls, T3ls) implantées dans une dite rangée (R1) en regard respectivement de deuxièmes et premières puces électroniques adjacentes (T2ls ; T1hs, T3hs) implantées dans l’autre rangée (R2).[Revendications 3] Module électronique de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit premier substrat (SUB) comprend une deuxième couche conductrice (CB) isolée de ladite première couche conductrice (CH) par une première couche diélectrique (CD), et un premier dissipateur thermique (DIS) fixé sur ladite deuxième couche conductrice (CB).[Revendications 4] Module électronique de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit premier substrat (SUB, SUBl) est de type DBC.[Revendications 5] Module électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend des troisième et quatrième couches conductrices (CS1, CS2) empilées sur ladite première couche conductrice (CH) et formant respectivement lesdits premier et deuxième bus barre d’alimentation continue (DC+, DC-), lesdites première, troisième et quatrième couches conductrices (CH, CS1, CS2) étant isolées entre elles par des deuxième et troisième couches diélectriques (DS1, DS2), et chaque dite deuxième face d’électrode (Far, D) de première puce électronique (T1hs, T2hs) et chaque dite première face d’électrode (Fav, S) de deuxième puce électronique (T1ls, T2ls) étant reliées respectivement auxdits premier et deuxième bus barre d’alimentation continue (DC+, DC-) par un fil d’interconnexion électrique (WB).[Revendications 6] Module électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend un deuxième substrat (SUBh) comprenant des cinquième et sixième couches conductrices (CIh, CBh) dans lesquelles sont formés respectivement lesdits premier et deuxième bus barre d’alimentation continue (DC+, DC-), lesdites cinquième et sixième couches conductrices (CIh, CBh) étant isolées entre elles par une quatrième couche diélectrique (CD1h), et chaque dite deuxième face d’électrode (Far, D) de première puce électronique (T1hs, T2hs) étant fixée audit premier bus barre d’alimentation continue (DC+) à travers une pastille conductrice (C2hs) aménagée dans ladite sixième couche conductrice (CBh) et des vias métallisés (V2hs) aménagés dans ladite quatrième couche diélectrique (CD1h) et chaque dite première face d’électrode (Fav, S) de deuxième puce électronique (T1ls, T2ls) étant fixée directement audit deuxième bus barre d’alimentation continue (DC-).[Revendications 7] Module électronique de puissance selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit deuxième substrat (SUBh) comprend une septième couche conductrice (CHh) isolée de ladite cinquième couche conductrice (CIh) par une cinquième couche diélectrique (CD2h), et un deuxième dissipateur thermique (DISh) fixé sur ladite septième couche conductrice (CHh).[Revendications 8] Module électronique de puissance selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit deuxième substrat (SUBh) est de type DBC.[Revendications 9] Module électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites puces électroniques d’interrupteurs électroniques sont des transistors de type MOSFET.[Revendications 10] Dispositif électronique de commutation de puissance caractérisé en ce qu’il comprend au moins un module électronique de puissance (MP, MPa, MPb, MP1, MP2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1871394A FR3088138B1 (fr) | 2018-11-07 | 2018-11-07 | Module electronique de puissance |
| PCT/FR2019/052605 WO2020094959A1 (fr) | 2018-11-07 | 2019-11-04 | Module electronique de puissance |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1871394A FR3088138B1 (fr) | 2018-11-07 | 2018-11-07 | Module electronique de puissance |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3088138A1 true FR3088138A1 (fr) | 2020-05-08 |
| FR3088138B1 FR3088138B1 (fr) | 2022-01-21 |
Family
ID=66530105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1871394A Active FR3088138B1 (fr) | 2018-11-07 | 2018-11-07 | Module electronique de puissance |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3088138B1 (fr) |
| WO (1) | WO2020094959A1 (fr) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070164423A1 (en) * | 2006-01-13 | 2007-07-19 | Martin Standing | Multi-chip semiconductor package |
| US20140084993A1 (en) | 2012-09-24 | 2014-03-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
| FR3050571A1 (fr) * | 2016-04-20 | 2017-10-27 | Centre Nat Rech Scient | Convertisseur electronique de puissance utilisant deux puces multi-poles de puissance a substrats complementaires n et p. |
| WO2018096147A1 (fr) * | 2016-11-25 | 2018-05-31 | Abb Schweiz Ag | Module semi-conducteur de puissance |
-
2018
- 2018-11-07 FR FR1871394A patent/FR3088138B1/fr active Active
-
2019
- 2019-11-04 WO PCT/FR2019/052605 patent/WO2020094959A1/fr active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070164423A1 (en) * | 2006-01-13 | 2007-07-19 | Martin Standing | Multi-chip semiconductor package |
| US20140084993A1 (en) | 2012-09-24 | 2014-03-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
| FR3050571A1 (fr) * | 2016-04-20 | 2017-10-27 | Centre Nat Rech Scient | Convertisseur electronique de puissance utilisant deux puces multi-poles de puissance a substrats complementaires n et p. |
| WO2018096147A1 (fr) * | 2016-11-25 | 2018-05-31 | Abb Schweiz Ag | Module semi-conducteur de puissance |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3088138B1 (fr) | 2022-01-21 |
| WO2020094959A1 (fr) | 2020-05-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7285801B2 (en) | LED with series-connected monolithically integrated mesas | |
| JP5040765B2 (ja) | 半導体装置 | |
| US8541271B1 (en) | Monolithic integration of multiple compound semiconductor FET devices | |
| US7084475B2 (en) | Lateral conduction Schottky diode with plural mesas | |
| US7880183B2 (en) | Light emitting device having a plurality of light emitting cells and method of fabricating the same | |
| US20060151801A1 (en) | Light emitting diode with thermo-electric cooler | |
| US20060227827A1 (en) | Semiconductor laser device and heat sink used therein | |
| US9324645B2 (en) | Method and system for co-packaging vertical gallium nitride power devices | |
| TWI844645B (zh) | 用於三族氮化物元件的整合設計 | |
| FR2842352A1 (fr) | Dispositif a semiconducteur de puissance | |
| JPH05243430A (ja) | 冷却構造体及びチツプパツケージモジユール | |
| FR3099965A1 (fr) | Structure de boitier pour dispositif d’alimentation | |
| US8166769B2 (en) | Self-cooled vertical electronic component | |
| EP2521175B1 (fr) | Dispositif d'interconnexion électrique d'au moins un composant électronique avec une alimentation électrique comprenant des moyens de diminution d'une inductance de boucle entre une première et une deuxième borne | |
| EP3610503A1 (fr) | Module électronique de puissance et convertisseur électrique de puissance l'incorporant | |
| KR20130119496A (ko) | 캐리어 기판 및 반도체칩 제조 방법 | |
| US10686085B2 (en) | Power electronics assemblies having opticondistors and an embedded active cooling chip | |
| US5068715A (en) | High-power, high-performance integrated circuit chip package | |
| EP3216056A1 (fr) | Dispositif electronique de puissance a cellule de commutation 3d verticale | |
| US11133303B2 (en) | Semiconductor device and semiconductor arrangement comprising semiconductor devices | |
| FR3088138A1 (fr) | Module electronique de puissance | |
| US20170317003A1 (en) | Thermal Management Structure with Integrated Heat Sink | |
| EP3242322B1 (fr) | Dispositif electronique de puissance a structure d'interconnexion electrique plane | |
| JP2018206871A (ja) | 半導体素子及びその製造方法 | |
| CN100470866C (zh) | 一种半导体固态光源器件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20200508 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 6 |