FR3127346A1 - Element de commutation electrique pour interconnecter des barres de courant d’un systeme de distribution d’energie electrique - Google Patents

Element de commutation electrique pour interconnecter des barres de courant d’un systeme de distribution d’energie electrique Download PDF

Info

Publication number
FR3127346A1
FR3127346A1 FR2109838A FR2109838A FR3127346A1 FR 3127346 A1 FR3127346 A1 FR 3127346A1 FR 2109838 A FR2109838 A FR 2109838A FR 2109838 A FR2109838 A FR 2109838A FR 3127346 A1 FR3127346 A1 FR 3127346A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
switching element
transistor
electrical switching
electrical
source
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.)
Pending
Application number
FR2109838A
Other languages
English (en)
Inventor
Francis Roy
Simon GAUTIER
Tarik MOUDAKIR
Nossikpendou SAMA
Walid EL HUNI
Mickael PETIT
Thomas Peuchant
David HERPE
Denis Labrousse
Eric Laboure
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Association De Prefiguration Inst Lafayette
Association De Prefiguration Institut Lafayette
Cy Cergy Paris Univ
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers
PSA Automobiles SA
Sorbonne Universite
Universite Paris Saclay
CentraleSupelec
Ecole Normale Superieure de Paris Saclay
CY Cergy Paris Universite
Original Assignee
Association De Prefiguration Inst Lafayette
Association De Prefiguration Institut Lafayette
Cy Cergy Paris Univ
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers
PSA Automobiles SA
Sorbonne Universite
Universite Paris Saclay
CentraleSupelec
Ecole Normale Superieure de Paris Saclay
CY Cergy Paris Universite
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Association De Prefiguration Inst Lafayette, Association De Prefiguration Institut Lafayette, Cy Cergy Paris Univ, SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers, PSA Automobiles SA, Sorbonne Universite, Universite Paris Saclay, CentraleSupelec, Ecole Normale Superieure de Paris Saclay, CY Cergy Paris Universite filed Critical Association De Prefiguration Inst Lafayette
Priority to FR2109838A priority Critical patent/FR3127346A1/fr
Publication of FR3127346A1 publication Critical patent/FR3127346A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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
    • H01L25/10—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 having separate containers
    • H01L25/11—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 having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/117—Stacked arrangements of devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/93—Batch processes
    • H01L24/95—Batch processes at chip-level, i.e. with connecting carried out on a plurality of singulated devices, i.e. on diced chips
    • H01L24/96—Batch processes at chip-level, i.e. with connecting carried out on a plurality of singulated devices, i.e. on diced chips the devices being encapsulated in a common layer, e.g. neo-wafer or pseudo-wafer, said common layer being separable into individual assemblies after connecting
    • 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
    • H01L25/50—Multistep manufacturing processes of assemblies consisting of devices, each device being of a type provided for in group H01L27/00 or H01L29/00
    • 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
    • H01L2224/04105—Bonding areas formed on an encapsulation of the semiconductor or solid-state body, e.g. bonding areas on chip-scale packages
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2225/00—Details relating to assemblies covered by the group H01L25/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2225/03—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00
    • H01L2225/10—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers
    • H01L2225/1005—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L2225/1011—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement
    • H01L2225/1017—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement the lowermost container comprising a device support
    • H01L2225/1035—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement the lowermost container comprising a device support the device being entirely enclosed by the support, e.g. high-density interconnect [HDI]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2225/00—Details relating to assemblies covered by the group H01L25/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2225/03—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00
    • H01L2225/10—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers
    • H01L2225/1005—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L2225/1011—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement
    • H01L2225/1047—Details of electrical connections between containers
    • H01L2225/1064—Electrical connections provided on a side surface of one or more of the containers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3157—Partial encapsulation or coating
    • H01L23/3185—Partial encapsulation or coating the coating covering also the sidewalls of the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025—Semiconducting materials
    • H01L2924/1026—Compound semiconductors
    • H01L2924/1032—III-V
    • H01L2924/1033—Gallium nitride [GaN]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13064—High Electron Mobility Transistor [HEMT, HFET [heterostructure FET], MODFET]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un élément de commutation électrique pour un ensemble de barres de courant d’un système de distribution d’énergie électrique. L’élément de commutation électrique comprend une association en parallèle de puces de transistors à structure de conduction latérale de commutation à base d’un matériau à grands gap et à substrats amincis ou à substrats complètement retirés, chaque puce de transistor comprenant un drain, une source et une grille, les puces de transistors étant séparées entre elles par un isolant électrique et reliées entre elles au niveau des drains, sources et grilles des puces de transistors pour former un drain, une source et une grille de l’élément de commutation électrique. La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication de cet élément de commutation électrique. Figure 10

Description

ELEMENT DE COMMUTATION ELECTRIQUE POUR INTERCONNECTER DES BARRES DE COURANT D’UN SYSTEME DE DISTRIBUTION D’ENERGIE ELECTRIQUE
La présente invention concerne un élément de commutation électrique d’un ensemble de barres de courant destiné à être utilisé par un système de distribution d’énergie électrique, et un procédé de fabrication dudit élément de commutation électrique.
Arrière-plan technologique
Il est largement connu des systèmes de distribution d’énergie électrique de puissance qui utilisent des jeux de barres de courant pour distribuer l’énergie électrique. Ces systèmes de distribution sont utilisés, par exemple, dans l’industrie automobile ou aéronautique. Les jeux de barres de courant sont typiquement des bandes en aluminium ou en cuivre dont la forme et les dimensions dépendent de leur utilisation. Les jeux de barres de courant doivent être séparés les uns des autres par des éléments de commutation qui sont pilotés par des dispositifs de commande (aussi appelé dispositifs d’excitation) pour établir ou couper une boucle de puissance formée par les jeux de barres de courant.
Les technologies de commutation à base de semi-conducteur tels que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT de l’anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor »), les transistors à effet de champs à grille isolée (MOSFET de l’anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor »), ou encore les transistors à haute mobilité électronique (HEMT de l’anglais « High Electronic Mobility Transistor ») sont très souvent utilisés pour réaliser ces éléments de commutation. La partie active de ces composants, appelée puce nue, est généralement montée dans un boitier lui-même reporté à la surface d’un circuit imprimé (PCB de l’anglais « Printed Circuit Board »).
Récemment, il a été trouvé que des puces nues métallisées en cuivre peuvent être enfouies dans un circuit imprimé. De tels éléments de commutation sont basés sur un principe standard de fabrication à partir de la croissance de composant sur un disque (en anglais « Wafer »). Ces éléments de commutation sont à structure verticale ce qui implique que le courant électrique de puissance circule majoritairement perpendiculairement à la surface de celui-ci. Des électrodes de puissance sont donc situées au-dessus et en dessous de la puce. Pour l’intégration de ces éléments de commutation, l’encapsulation est simplifiée et se limite à la métallisation en cuivre des électrodes et à l’insertion dans un substrat avec prise de contact sur l’élément de commutation par microvia.
Cette solution d’enfouissement permet d’optimiser la résistance interne des éléments de commutation, d’augmenter les puissances électriques (courant) et de limiter les puissances thermiques à évacuer (de réduire les résistances thermiques d’accès aux système de dissipation). Elle permet aussi de minimiser les connectiques avec l’environnement (puissance ou commande) et de réduire ainsi les éléments parasites d’interconnexion. Elle autorise en particulier les composants grand gap à fonctionner à haute fréquence de commutation.
Toutefois, cette solution d’enfouissement présente des inconvénients, notamment, les valeurs de résistance interne des éléments de commutation qui restent élevées et qui se traduisent par des pertes par conduction significatives.
Résumé de la présente invention
Un objet de la présente invention est de définir un élément de commutation qui résolve les inconvénients de l’arrière-plan technologique.
Un autre objet de la présente invention est de définir un ensemble de barres de courant pour un système de distribution d’énergie électrique qui soit commutable.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un élément de commutation électrique pour un ensemble de barres de courant d’un système de distribution d’énergie électrique, dans lequel l’élément de commutation électrique comprend une association en parallèle de puces de transistors à structure de conduction coplanaire de commutation à base d’un matériau à grands gap et à substrats amincis ou à substrats complètement retirés, chaque puce de transistor comprenant un drain, une source et une grille, les puces de transistors étant séparées entre elles par un isolant électrique et reliées entre elles au niveau des drains, sources et grilles des puces de transistors pour former un drain, une source et une grille de l’élément de commutation électrique.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, les transistors sont des transistors à effet de champs.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, les transistors sont des transistors à haute mobilité électronique (HEMT).
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, le matériau à grands gap est à base de nitrure de galium.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, les transistors à effet de champs sont des transistors pelables.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, les substrats sont amincis par polissage mécanique et chimique ou par ablation laser.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, l’association en parallèle de puces de transistors est un empilement des puces de transistors.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un élément de commutation électrique selon le premier aspect. Le procédé comprend une étape d’obtention d’une pluralité de puces de transistors à structure de conduction coplanaire de commutation à base de matériaux à grands gap et à substrat amincis ou à substrat complètement retiré ; une étape d’encapsulation de chaque puce de transistor dans une résine isolante à l’exception de l’une de ses surfaces dite surface supérieure ; une étape de métallisation de la surface supérieure de chaque puce de transistor ; une étape de création de contacts sur la surface supérieure de chaque puce de transistor par masquage, révélation optique et gravure chimique de la surface supérieure de chaque puce de transistor, lesdits contacts d’une puce d’un transistor comprenant un drain, une source, une grille et une source Kelvin, le drain et la source étant destinés au passage de courant de puissance lorsque le transistor est excité par une tension particulière aux bornes de la source Kelvin et de la grille ; une étape d’obtention de l’élément de commutation électrique par superposition de la pluralité des puces de transistors obtenues les unes sur les autres, les surfaces supérieures des puces de transistors étant orientées vers une surface supérieure de l’élément de commutation ; et une étape de métallisation de quatre faces de l’élément de commutation perpendiculaires à la surface supérieure de l’élément de commutation pour obtenir quatre contacts de l’élément de commutation électrique comprenant une grille, une source, un drain et une source Kelvin, chaque contact étant séparé des autres.
Selon un troisième aspect, la présente invention concerne un ensemble de barres de courant pour un système de distribution d’énergie électrique, comprenant une première et une deuxième barres de courant électriquement isolées l’une par rapport à l’autre et interconnectées par un élément de commutation électrique selon le premier aspect ; et un dispositif de commande interconnecté avec l’élément de commutation électrique, le dispositif de commande étant configuré pour exciter une grille de l’élément de commutation électrique pour connecter électriquement les première et deuxième barres de courant.
Selon un quatrième aspect, la présente invention concerne un système de distribution d’énergie comprenant au moins un ensemble de barres de courant selon le troisième aspect.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description des exemples de réalisation particuliers et non limitatifs de la présente invention ci-après, en référence aux figures 1 à 17 annexées, sur lesquelles :
illustre schématiquement une architecture coplanaire d’un transistor à effet de champs selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue de dessus d’un transistor HEMT selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre un organigramme des différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un élément de commutation électrique selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue de profil en coupe d’un transistor HEMT avec et sans son substrat selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue en perspective d’une puce nue selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue de profil en coupe d’une puce nue selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue en perspective d’une puce nue encapsulée dans une résine isolante selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue de profil en coupe d’une puce nue encapsulée dans une résine isolante selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue en perspective d’une puce nue avec des contacts apparents sur sa surface supérieure selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue en perspective un empilement de trois puces selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue de profil en coupe d’un empilement de trois puces selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue en perspective d’un élément de commutation électrique avec ses faces métallisées selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue de profil en coupe d’un élément de commutation électrique avec ses faces métallisées selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement une vue en perspective de l’élément de commutation ECE lorsque les drains et les sources des transistors HEMT sont des peignes imbriqués selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement un système de distribution d’énergie électrique comprenant un ensemble de deux barres de courant selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ;
illustre schématiquement un système de distribution d’énergie électrique comprenant deux ensembles de deux barres de courant selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention ; et
illustre un schéma électrique équivalent du système de distribution d’énergie électrique de la selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention.
Description des exemples de réalisation
Un élément de commutation, un procédé de fabrication de cet élément de commutation, un ensemble de barres de courant comprenant au moins un élément de commutation et un système de distribution d’énergie vont maintenant être décrits dans ce qui va suivre en référence conjointement aux figures 1 à 17. Des mêmes éléments sont identifiés avec des mêmes signes de référence tout au long de la description qui va suivre.
Selon un exemple particulier et non limitatif de réalisation de la présente invention, un élément de commutation est piloté par un dispositif de commande pour assurer une fonction de commutation de barres de courant d’un système de distribution d’énergie électrique. L’élément de commutation comprend une association en parallèle de puces de transistors à structure de conduction coplanaire de commutation à base d’un matériau à grands gap et à substrats amincis ou à substrats complètement retirés, chaque puce comprenant un drain, une source et une grille, les puces des transistors étant séparés entre elles par un isolant électrique et reliées entre elles au niveau des drains, sources et grilles pour former un drain, une source et une grille de l’élément de commutation électrique.
L’empilement de plusieurs puces identiques très minces permet de paralléliser ces puces pour augmenter le courant maximal admissible et diminuer la résistance interne de l’élément de commutation ainsi formé tout en s’intégrant parfaitement dans une structure fine d’une ligne de courant, de l’ordre de quelques centaines de micromètres à plusieurs millimètres d’épaisseur. La résistance interne de l’élément de commutation étant limitée, la puissance thermique à évacuer (effet Joule) est limitée, limitant ainsi les coûts des systèmes de refroidissement.
L’élément de commutation évite l’utilisation de connexions habituelles par fil (« wire bonding » en anglais) ce qui renforce la robustesse mécanique de l’élément de commutation comparé à un élément qui utiliserait des fils.
Les contacts de l’élément de commutation présentent de très larges surfaces ce qui améliore leurs résistances électriques et qui facilite la dissipation de l’échauffement de ces contacts (Effet Joule). Les contacts peuvent ainsi fonctionner à des températures plus faibles.
L’élément de commutation présente un encombrement réduit du fait de l’amincissement ou du retrait complet des substrats. Il limite aussi le coût de fabrication des puces car pas d’utilisation de boitier.
Les contacts électriques de l’élément de commutation sont assurés par métallisation et brasure ce qui limite les résistances de contact.
L’élément de commutation électrique selon la présente invention est particulièrement adapté pour une utilisation avec une batterie Li-ion utilisée en électromobilité ou en stationnaire.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, les transistors sont des transistors à effet de champs.
illustre schématiquement une architecture coplanaire d’un transistor à effet de champs selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention.
Selon cet exemple, le transistor à effet de champs est un transistor à haute mobilité électronique (HEMT).
Cet exemple est particulièrement avantageux car le caractère coplanaire des transistors HEMT permet de s’affranchir des restrictions de section entre le transistor et des lignes de courant.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, le transistor HEMT est obtenu par croissance épitaxiale en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD de l’anglais Metalorganic Chemical Vapor Deposition) sur un substrat SU de silicium, de carbure de Silicium (SiC) ou encore de saphir (Al2O3) par exemple. Un empilement H de couches semi-conductrices est ainsi obtenu comme le montre la .
De préférence, le transistor HEMT est à base de nitrure de gallium, c’est-à-dire que l’une de ces couches est une couche AlGaN et une couche est une couche de nitrure de gallium (GaN).
Un transistor HEMT est un composant purement horizontal, dont l’architecture se prête parfaitement à la mise en œuvre de la présente invention. Comme tout composant de commutation, un transistor HEMT se compose d’une source S définissant une des bornes de puissance du transistor, un drain D, définissant l’autre borne de puissance du transistor. Entre ces deux bornes se trouve un canal activé par une grille G. En appliquant une tension particulière à la grille G, le canal s’ouvre ou se ferme, c’est-à-dire qu’un courant de puissance C (en pointillé) peut circuler entre la source S et le drain D lorsque le canal est fermé.
Par exemple, la largeur l du canal peut s’étendre entre 30 mm et 300 mm et la longueur L du canal du transistor HEMT est de l’ordre de 9 .
illustre schématiquement une vue de dessus d’un transistor HEMT. La source S et le drain sont en forme de peignes imbriqués l’un dans l’autre et la grille G serpente dans le labyrinthe formé par les deux peignes imbriqués.
illustre un organigramme des différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un élément de commutation électrique selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention.
Dans une première étape 31, une pluralité de puces de transistors à structure de conduction latérale de commutation à base de matériaux à grands gap à substrat amincis ou à substrat complètement retiré est obtenue. Ces puces de transistors sont dites puces nues par la suite.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, la présente invention s’appuie sur l’architecture coplanaire de la structure d’un transistor HEMT dans laquelle le courant de puissance C circule à la proche périphérie de la surface supérieure. Il est ainsi possible de séparer les couches actives supérieures de la structure semi-conductrice des parties inférieures en supprimant tout ou partie du substrat SU par polissage mécanique et chimique ou par ablation laser, ou par un procédé Smart Cut® par exemple.
Une fois le substrat aminci ou complètement retiré, la puce nue se réduit à un film mince de l’ordre 1 à 3 microns qui peut être reporté à volonté dans un élément de commutation électrique.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, les transistors HEMT sont pelables, c’est-à-dire que les transistors sont séparés du disque (en anglais « wafer ») en fin de fabrication. Le disque peut alors être réutilisé pour une nouvelle fabrication de composants. Le coût de transistors HEMT pelables permet donc de réduire le coût de fabrication de ces composants.
Pour obtenir un transistor HEMT pelable, une couche nanométrique de nitrure de Bore peut être intégrée à la surface du disque (en anglais « wafer ») dont les caractéristiques permettent de conserver la croissance épitaxiale et de présenter pour le transistor qu’une très faible adhérence au disque qui devient récupérable. Si l’épaisseur d’un transistor HEMT standard est de l’ordre du millimètre avec son substrat, la partie active d’un transistor HEMT ne fait qu’environ 1 µm. La couche de nitrure de bore de quelques nanomètres est réalisée dans le même réacteur et juste avant les dépôts des couches fonctionnelles de la structure HEMT. Du fait de la faible adhérence du transistor HEMT sur son substrat, il est très facile de le décoller pour ne disposer que d’une puce nue d’environ 1 µm d’épaisseur.
La illustre schématiquement une vue de profil en coupe d’un transistor HEMT avec son substrat SU (à gauche) et sans son substrat (à droite).
La , respectivement la , illustre schématiquement une vue en perspective, respectivement de profil en coupe, d’une puce nue.
Dans une deuxième étape 32, chaque puce nue est encapsulée dans de la résine isolante R de manière à ce que cinq de leurs surfaces autres que leurs surfaces supérieures soient recouvertes de la résine isolante R. La surface supérieure d’une puce nue est celle qui porte la source S, le drain D et le grille G.
La , respectivement , illustre schématiquement une vue en perspective, respectivement de profil en coupe, d’une puce nue encapsulée dans la résine isolante R.
Les puces sont par exemple, placées au cœur d’un préimprégné (en anglais « prepreg ») de fibre de verre enduits de résine époxy. Le préimprégné peut être remplacé par des feuilles de polyimide (PI). Dans ce cas, un adhésif permet la soudure des couches. Un adhésif permettant de coller du polyimide est souvent de l’acrylique. Plusieurs puces peuvent être placées au cœur des résines. L’ensemble formant un nouveau disque (en anglais « wafer »).
Dans une troisième étape 33, la surface supérieure de chaque puce nue est métallisée.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, la métallisation est mise en œuvre par pulvérisation cathodique (en anglais « sputtering ») de cuivre.
En variante, un épaississement en galvanoplastie peut être réalisé.
Dans une quatrième étape 34, des contacts correspondant à une source S, un drain D, une grille G et une source Kelvin SK sont créés par masquage, révélation optique et gravure chimique de la surface supérieure métallisée de chaque puce nue. Le drain D et la source S sont destinés au passage de courant de puissance C lorsqu’une puce nue est excitée par une tension aux bornes de la source Kelvin et de la grille G.
La illustre schématiquement une vue en perspective d’une puce nue avec des contacts apparents sur sa surface supérieure.
Dans une cinquième étape 35, un élément de commutation électrique ECE est obtenu par superposition (empilement) de la pluralité de puces nues obtenue les unes sur les autres, les surfaces supérieures des puces nues étant orientées vers la surface supérieure de l’élément de commutation ECE.
La , respectivement la , illustre schématiquement une vue en perspective, respectivement une vue de profil en coupe, d’un exemple de réalisation particulier et non limitatif d’un empilement de trois puces P1, P2 et P3.
Dans une sixième étape 36, les quatre faces de l’élément de commutation perpendiculaires à sa surface supérieure sont métallisées pour obtenir quatre contacts de l’élément de commutation électrique ECE : une grille G reliant les grilles des puces de la pluralité de puces de l’élément de commutation ECE, un drain D reliant les drains des puces de la pluralité de puces de l’élément de commutation ECE, une source S reliant les sources des puces de la pluralité de puces de l’élément de commutation ECE et une source Kelvin SK reliant les sources Kelvin des puces de la pluralité de puces de l’élément de commutation ECE.
Chaque contact de l’élément de commutation électrique ECE est séparé des autres.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, la métallisation des quatre faces de l’élément de commutation électrique ECE est assurée par galvanoplastie.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, un sillon (par exemple un trou oblong) est créé autour de l’élément de commutation ECE en prenant soin de ne pas dégager les angles. Ceci permet de faire apparaitre la tranche des pistes éventuellement en cuivre.
Selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif, un usinage permet de dégager les angles de l’élément de commutation ECE séparant en même temps les contacts.
La , respectivement , illustre schématiquement une vue en perspective, respectivement de profil en coupe, de l’élément de commutation électrique ECE avec ses quatre faces métallisées.
La illustre schématiquement une vue en perspective de l’élément de commutation ECE lorsque les drains et les sources des transistors HEMT sont des peignes imbriqués ( ).
En parallélisant des puces de transistors HEMT, la valeur de la résistance interne de l’élément de commutation électrique ECE est égale à la valeur de la résistance interne (RDSON) d’une puce d’un transistor HEMT divisé par le nombre de puces de l’élément de commutation électrique ECE :
La résistance interne RDSONéquivalente est donnée par :
La illustre schématiquement un système de distribution d’énergie électrique comprenant un ensemble de deux barres de courant B1 et B2 isolées l’une par rapport à l’autre et interconnectées par un élément de commutation ECE, et un dispositif de commande (d’excitation) DE. Les barres de courant B1 et B2 forment une ligne de courant lorsque ces barres de courant sont interconnectées. L’élément de commutation ECE est positionné dans la ligne de courant et peut-être brasé ou fritté sur les deux barres de courant B1 et B2.
La grille G et la source Kelvin SK de l’élément de commutation ECE sont connectées au dispositif de commande DE qui pilote la commutation de l’élément de commutation ECE par excitation de la grille G (application de tension entre la grille G et la source Kelvin SK). Un canal permettant la circulation du courant de puissance C peut alors être établi entre les barres de courant B1 et B2 lorsqu’une tension particulière est appliquée entre la grille G et la source Kelvin SK et ce canal est fermé si une autre tension est appliquée ou qu’aucune tension n’est appliquée.
La illustre schématiquement un système de deux ensembles de deux barres de courant (B11, B21) et (B12, B22) interconnectés par un élément de connexion CH destiné à être connecté à une charge électrique (non représentée), deux éléments de commutation ECE1 et ECE2 et un dispositif de commande DE.
L’élément de commutation ECE1 peut-être brasé ou fritté sur les deux barres de courant B11 et B21 et l’élément de commutation ECE2 peut-être brasé ou fritté sur les deux barres de courant B12 et B22. L’élément de commutation ECE1 permet l’interconnexion des barres de courant B11 et B21 et l’élément de commutation ECE2 permet l’interconnexion des barres de courant B12 et B22.
Une boucle de commande BC formée autour de la grille G et la source Kelvin SK de l’élément de commutation électrique ECE1 (et par ECE2) et une boucle de puissance BP formée par les deux ensembles de barres de courant interconnectés et par l’élément de connexion CH, peuvent être orthogonales. Ceci réduit considérablement les couplages inductifs entre la puissance et la commande du système de distribution d’énergie électrique. De plus, l’inductance de maille est réduite par la proximité de la barre de courant B11 (conducteur +) et de la barre de courant B12 (conducteur -). Cette proximité peut être utilisée pour répartir des condensateurs de découplages (non représentés sur la figure).
La grille G et la source Kelvin SK de l’élément de commutation ECE1 sont connectées au dispositif de commande DE qui pilote la commutation de l’élément de commutation ECE1 par application d’une tension entre la grille G et la source Kelvin SK.
La grille G et la source Kelvin SK de l’élément de commutation ECE2 sont connectées au dispositif de commande DE qui pilote la commutation de l’élément de commutation ECE2 par application d’une tension entre la grille G et la source Kelvin SK.
Un canal permettant la circulation du courant de puissance C peut alors être établi entre les barres de courant B11 et B21 ou B22 et B12 lorsqu’une tension particulière est appliquée entre les grilles G et les sources Kelvin SK d’un des deux éléments de commutation électriques ECE1 ou ECE2 et ce canal est ouvert si un autre niveau de tension est appliqué.
La illustre un schéma électrique équivalent du système de distribution d’énergie électrique de la . Les éléments de commutation électrique ECE1 et ECE2 sont ici représentés par leurs grilles G, leurs drains D et leurs sources S. Une charge CHA est représentée comme étant connectée à la source S du premier élément de commutation électrique ECE1 et au drain D du deuxième élément de commutation électrique ECE2. Lorsque le dispositif de commande DE excite l’une des grilles G des éléments de commutation électrique ECE1 ou ECE2, le courant de puissance C circule en provenance soit de la borne + soit de la borne -.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits ci-avant mais s’étend à un élément de commutation électrique qui inclurait des modifications secondaires sans pour cela sortir de la portée de la présente invention telle qu’un nombre de puces empilées supérieur à trois ou encore des transistors à structure de conduction latérale de commutation autre que des transistors HEMT. De, même, la présente invention ne se limite pas aux exemples de réalisation des systèmes de distribution d’énergie électrique décrits ci-avant mais s’étend à tout système de distribution d’énergie qui comporte au moins deux barres de courant interconnectées par un élément de commutation électrique enfoui dans la ligne de courant formée par l’interconnexion de ces deux barres de courant.

Claims (10)

  1. Elément de commutation électrique pour un ensemble de barres de courant d’un système de distribution d’énergie électrique, dans lequel l’élément de commutation électrique comprend une association en parallèle de puces de transistors à structure de conduction coplanaire de commutation à base d’un matériau à grands gap et à substrats amincis ou à substrats complètement retirés, chaque puce de transistor comprenant un drain, une source et une grille, les puces de transistors étant séparées entre elles par un isolant électrique et reliées entre elles au niveau des drains, sources et grilles des puces de transistors pour former un drain, une source et une grille de l’élément de commutation électrique.
  2. Elément de commutation électrique selon la revendication 1, dans lequel les transistors sont des transistors à effet de champs.
  3. Elément de commutation électrique selon la revendication 2, dans lequel les transistors sont des transistors à haute mobilité électronique.
  4. Elément de commutation électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau à grands gap est à base de nitrure de galium.
  5. Elément de commutation électrique selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel les transistors à effet de champs sont des transistors pelables.
  6. Elément selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel les substrats sont amincis par polissage mécanique et chimique ou par ablation laser.
  7. Elément selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’association en parallèle de puces de transistors est un empilement des puces de transistors.
  8. Procédé de fabrication d’un élément de commutation électrique selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes :
    - obtention (31) d’une pluralité de puces de transistors à structure de conduction coplanaire de commutation à base de matériaux à grands gap et à substrat amincis ou à substrat complètement retiré ;
    - encapsulation (32) de chaque puce de transistor dans une résine isolante à l’exception de l’une de ses surfaces dite surface supérieure ;
    - métallisation (33) de la surface supérieure de chaque puce de transistor ;
    - création (34) de contacts sur la surface supérieure de chaque puce de transistor par masquage, révélation optique et gravure chimique de la surface supérieure de chaque puce de transistor, lesdits contacts d’une puce d’un transistor comprenant un drain, une source, une grille et une source Kelvin, le drain et la source étant destinés au passage de courant de puissance lorsque le transistor est excité par une tension particulière aux bornes de la source Kelvin et de la grille ;
    - obtention (35) de l’élément de commutation électrique par superposition de la pluralité des puces de transistors obtenues les unes sur les autres, les surfaces supérieures des puces de transistors étant orientées vers une surface supérieure de l’élément de commutation ; et
    - métallisation (36) de quatre faces de l’élément de commutation perpendiculaires à la surface supérieure de l’élément de commutation pour obtenir quatre contacts de l’élément de commutation électrique comprenant une grille, une source, un drain et une source Kelvin, chaque contact étant séparé des autres.
  9. Ensemble de barres de courant pour un système de distribution d’énergie électrique, comprenant :
    - une première et une deuxième barres de courant électriquement isolées l’une par rapport à l’autre et interconnectées par un élément de commutation électrique selon l’une des revendications 1 à 7 ; et
    - un dispositif de commande interconnecté avec l’élément de commutation électrique, le dispositif de commande étant configuré pour exciter une grille de l’élément de commutation électrique pour connecter électriquement les première et deuxième barres de courant.
  10. Système de distribution d’énergie comprenant au moins un ensemble de barres de courant selon la revendication 9.
FR2109838A 2021-09-20 2021-09-20 Element de commutation electrique pour interconnecter des barres de courant d’un systeme de distribution d’energie electrique Pending FR3127346A1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2109838A FR3127346A1 (fr) 2021-09-20 2021-09-20 Element de commutation electrique pour interconnecter des barres de courant d’un systeme de distribution d’energie electrique

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2109838 2021-09-20
FR2109838A FR3127346A1 (fr) 2021-09-20 2021-09-20 Element de commutation electrique pour interconnecter des barres de courant d’un systeme de distribution d’energie electrique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
FR3127346A1 true FR3127346A1 (fr) 2023-03-24

Family

ID=79831752

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR2109838A Pending FR3127346A1 (fr) 2021-09-20 2021-09-20 Element de commutation electrique pour interconnecter des barres de courant d’un systeme de distribution d’energie electrique

Country Status (1)

Country Link
FR (1) FR3127346A1 (fr)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100230722A1 (en) * 2009-03-10 2010-09-16 Liann-Be Chang High electron mobility field effect transistor (hemt) device
US20150380386A1 (en) * 2014-06-26 2015-12-31 Michael B. Vincent Microelectronic packages having embedded sidewall substrates and methods for the producing thereof
US20190088628A1 (en) * 2012-04-25 2019-03-21 Texas Instruments Incorporated Multi-chip module including stacked power devices with metal clip
US20200013755A1 (en) * 2016-12-12 2020-01-09 Institut Vedecom Power switching module, converter integrating the latter and manufacturing method
US20200267840A1 (en) * 2019-02-14 2020-08-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Switching device and electronic device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100230722A1 (en) * 2009-03-10 2010-09-16 Liann-Be Chang High electron mobility field effect transistor (hemt) device
US20190088628A1 (en) * 2012-04-25 2019-03-21 Texas Instruments Incorporated Multi-chip module including stacked power devices with metal clip
US20150380386A1 (en) * 2014-06-26 2015-12-31 Michael B. Vincent Microelectronic packages having embedded sidewall substrates and methods for the producing thereof
US20200013755A1 (en) * 2016-12-12 2020-01-09 Institut Vedecom Power switching module, converter integrating the latter and manufacturing method
US20200267840A1 (en) * 2019-02-14 2020-08-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Switching device and electronic device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8546934B2 (en) Method for manufacturing semiconductor devices having a glass substrate
EP1025584A1 (fr) Circuit electronique integre comprenant au moins un composant electronique de puissance
US9117801B2 (en) Semiconductor devices having a glass substrate, and method for manufacturing thereof
CN103889643B (zh) 用于分割半导体器件复合件的方法
US10748787B2 (en) Semiconductor device with plated lead frame
CN105006457A (zh) 用于制造具有金属化层的半导体器件的方法
CN104332441A (zh) 生产半导体器件的方法
CN104795360A (zh) 通过放电加工对具有触点金属化的半导体管芯的分割
US7368380B2 (en) Method of manufacturing semiconductor device
EP0079265B1 (fr) Procédé de réalisation d'un socle pour le montage d'une pastille semiconductrice sur l'embase d'un boîtier d'encapsulation
WO2016071366A1 (fr) Dispositif electronique de puissance a cellule de commutation 3d verticale
FR3127346A1 (fr) Element de commutation electrique pour interconnecter des barres de courant d’un systeme de distribution d’energie electrique
JP7029778B2 (ja) 半導体素子及びその製造方法
FR3050573B1 (fr) Dispositif avec plaques de champ segmentees
EP3242322B1 (fr) Dispositif electronique de puissance a structure d'interconnexion electrique plane
JP4604633B2 (ja) 半導体装置とその製造方法
US20190252409A1 (en) Semiconductor device
US20200395732A1 (en) Integrated Diode Laser Coolers
FR3140208A1 (fr) élément de liaison destiné à mettre en contact thermique UNE PIECE A REFROIDIR ET UN DISSIPATEUR DE CHALEUR
FR3140209A1 (fr) élément de liaison destiné à mettre en contact thermique UNE PIECE A REFROIDIR ET UN DISSIPATEUR DE CHALEUR
EP1520294A1 (fr) Dispositif electronique, notamment dispositif de puissance, a couche mince, et procede de fabrication de ce dispositif
EP4379801A1 (fr) Dispositif microélectronique à tenue en tension verticale améliorée
CN115579323A (zh) 一种金刚石衬底GaN器件通孔的制备方法
CN111326571A (zh) 半导体器件和电接触件
CN111653625A (zh) 堆叠状的高截止的iii-v族功率半导体二极管

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20230324