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Chapitre 1 : Les composants de forte puissance pour la traction électrique. Notions de fiabilité et durée de vie
fore puissance, soumis à des cycles thermiques longs (plusieurs secondes), les couches les
plus affectées par ces contraintes sont la couche céramique et la semelle du module, souvent
en cuivre ou aluminium, voir figure 6, les autres étant peu affectées à cause de leurs propriétés
physiques et/ou dimensionnelles. La brasure, prise en sandwich entre ces deux matériaux, est
donc soumise à des contraintes relativement importantes conduisant à l'apparition de fissures
et à la délamination de celle-ci. Ces phénomènes ont pour effet une hausse significative de la
résistance thermique conduisant inévitablement à une défaillance irréversible du composant.
Pour palier à cette hausse rapide de la résistance thermique, un nouveau matériau, l'AISiC
(Aluminium et Carbure de Silicium), composite du groupe des Metal Matrix Composites
(MMC), a donc été développé pour remplacer le cuivre et l'aluminium présents dans la
semelle des modules de grandes dimensions [SCHM-OO, AZ2-98].
Même si son coût reste élevé par rapport au cuivre, il présente de nombreux avantages. En
effet, grâce à sa faible masse volumique, sa bonne conductivité thermique et son faible
coefficient de dilatation, très proche de la couche isolatrice en céramique (Ab03 ou AI ) et
du silicium, figure Il, il pourrait, d'ici quelques années, supplanter le cuivre. Ainsi en
incorporant l'AISiC à la place du cuivre dans un module de forte puissance, on peut, d'après
les études menées par G. Coquery et G. Lefranc [COQ-99, LEF-OO], augmenter la durée de
vie d'un composant d'un facteur 6 à 10, par rapport à un composant classique et diminuer le
poids de sa semelle d'un facteur 3.
brasure (Pb-Sn)
Aluminium
Cuivre
IAiSlcl
)(
::;,
IV A1203
't:
-CI
1ii
:: AIN
Silicium
0 5 10
eTE (ppm.K- 1 )
15 20
conductivité (W.cm- 1 .K- 1 )
25
densité (g.cm1
Fig.ll: Coefficients de dilatation thermique (CTE), conductivité thermique et densité des
matériaux présents dans les modules hybrides de puissance
2.5.2 Les puces Trench Gate
La recherche dans le domaine de la microélectronique ainsi que la mise au point de
nouvelles méthodes de fabrication ont permis la mise sur le marché de puces de nouvelle
génération, dont la grille n'est plus aftleurante mais enterrée, d'où le terme Trench Gate. Le
TIGBT, Trench Insulated Gate Bipolar Transistor en est un exemple. Ce composant, grâce à
sa structure interne, possède une chute de tension à l'état passant fortement réduite et une
densité de courant plus élevée. Il présente également des pertes de 30 à 40% plus basse qu'un
IGBT classique de même calibre [HOT-95]. Enfin, le dernier avantage de ce composant est sa
dimension. En effet, puisque qu'il accepte des densités de courant plus importantes que ses
homologues, la dimension de ces cellules pour un même calibre s'en trouve réduite. Par
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