La demande croissante pour des systèmes de conversion d'énergie à haute densité de puissance et à haute efficacité, entraînée par la croissance rapide des énergies renouvelables et des transports électriques, nécessite des avancées dans la technologie des convertisseurs. Bien que de nouvelles topologies de convertisseurs aient émergé, leur potentiel est limité par les technologies actuelles des semi-conducteurs et les méthodes d'intégration. Par conséquent, l'accent s'est déplacé vers le développement de dispositifs à large bande interdite (WBG), qui offrent des pertes réduites et des températures de fonctionnement plus élevées par rapport aux dispositifs en silicium traditionnels. Ces attributs permettent des fréquences de commutation plus élevées et une réduction du volume des composants passifs, cruciales pour améliorer la densité de puissance.
Cependant, la performance des dispositifs WBG est freinée par les inductances parasites élevées et les capacités de refroidissement inadéquates des technologies d'encapsulation existantes. Ainsi, l'amélioration des techniques d'encapsulation est essentielle pour profiter pleinement des avantages des convertisseurs de puissance WBG. Une approche prometteuse est la technologie des puces intégrées dans les circuits imprimés (PCB). Cette méthode raccourcit les interconnexions, réduit l'empreinte et la masse et améliore les performances électriques et thermiques des modules de puissance. De plus, les étapes de fabrication parallèles des PCB soutiennent une production à grande échelle et à faible coût.
Les méthodes d'interconnexion traditionnelles des PCB, comme les microvias percées au laser, présentent des limitations en termes de taille, de facteur de forme et de densité des vias, impactant la conductivité électrique et thermique. Des problèmes de fiabilité surviennent également en raison des cycles thermiques pendant la fabrication et l'exploitation, avec des fractures se produisant souvent dans la métallisation de la puce, entraînant une séparation des interfaces. Le frittage est une autre technologie d'interconnexion pour les puces, le frittage de l'argent étant bien établi mais coûteux et sujet à l'électromigration. Le frittage de cuivre offre une alternative moins coûteuse, mais est incompatible avec les matériaux des PCB en raison des températures élevées exigées et des risques d'oxydation.
En réponse, une solution d'interconnexion complètement en cuivre et compatible avec la fabrication standard des PCB, est proposée. Cette approche remplace de multiples microvias parallèles dans une configuration empilée de PCB. La thèse fournit une explication détaillée de la méthode de fabrication et propose des solutions par rapport aux autres méthodes trouvées dans la littérature.
Les résultats de la fabrication sont initialement présentés, mettant en évidence la qualité atteinte et comparant les interconnexions produites dans différentes conditions. Ensuite, la caractérisation électrique des interconnexions de nanofils est discutée, en se concentrant sur la résistance et les effets de la température et de la pression appliquée. Ces évaluations sont cruciales pour évaluer la faisabilité des interconnexions de nanofils en tant que remplacements pour les méthodes de soudure et de frittage conventionnelles dans les applications électriques exigeantes.
De plus, cette thèse explore la caractérisation thermique des interconnexions de nanofils créées, en mettant l'accent sur leur conductivité thermique dans diverses conditions de fonctionnement. Cette analyse est essentielle pour déterminer leur efficacité en dissipation thermique, cruciale pour la longévité et la fiabilité des dispositifs électroniques. Dans l'ensemble, cette thèse fournit une enquête approfondie sur les propriétés morphologiques, électriques et thermiques des interconnexions de nanofils, démontrant leur potentiel en tant qu'alternatives viables aux technologies d'interconnexion traditionnelles. |
The increasing demand for high power density and efficient energy conversion systems, driven by the rapid growth of renewable energy and electric transportation, necessitates advancements in converter technology. While new converter topologies have emerged, their potential is limited by current semiconductor technologies and integration methods. Consequently, the focus has shifted to developing Wide Band Gap (WBG) devices, which offer reduced losses and higher operating temperatures compared to traditional silicon devices. These attributes enable higher switching frequencies and reduced volume of passive components, critical for enhancing power density.
However, the performance of WBG devices is hampered by high parasitic inductances and inadequate cooling capabilities of existing packaging technologies. Thus, improving packaging techniques is essential to fully leverage the benefits of WBG power converters. One promising approach is embedded die technology, which integrates dies within Printed Circuit Boards (PCBs). This method shortens interconnections, reduces footprint and mass, and enhances the electrical and thermal performance of power modules. Additionally, PCB manufacturing's parallel fabrication steps support large-scale, cost-effective production.
Traditional PCB interconnection methods, like laser-drilled microvias, face limitations in size, form factor, and via density, impacting electrical and thermal conductivity. Reliability issues also arise from thermal cycling during manufacturing and operation, with fractures commonly occurring in the seed layer, leading to interface separation. Sintering is another interconnect technology for power dies, with silver sintering being well-established but costly and prone to electromigration. Copper sintering offers a lower-cost alternative but is incompatible with PCB materials due to high-temperature requirements and oxidation risks.
In response, a cost-effective full copper interconnect solution compatible with standard PCB manufacturing is proposed. This approach replaces multiple parallel microvias in a PCB stack-up configuration. The thesis provides an in-depth explanation of the manufacturing method and proposes solutions to other methods found in literature.
The manufacturing outcomes are initially presented, highlighting the quality achieved and comparing interconnects produced under different conditions. Following this, the electrical characterization of nanowire interconnects is discussed, focusing on resistance and the effects of temperature and applied pressure. These evaluations are crucial for assessing the feasibility of nanowire interconnects as replacements for conventional soldering and sintering in demanding electrical applications.
Furthermore, this thesis explores the thermal characterization of the created nanowire interconnects, emphasizing their thermal conductivity under various operating conditions. This analysis is vital for determining their effectiveness in heat dissipation, crucial for the longevity and reliability of electronic devices. Overall, this thesis provides a comprehensive investigation into the morphological, electrical, and thermal properties of nanowire interconnects, demonstrating their potential as viable alternatives to traditional interconnection technologies. |