Dans les modules de puissance (PM) à connexion filaire de type wire-bonding (WB), les forts courants commutés imposent de faibles résistances et inductances d’interconnexion pour réduire la chute de tension et les surtensions. Alors, les concepteurs multiplient les fils de bonding de grand diamètre (jusqu’à 500µm) en parallèle. Dans un PM type Direct-Lead-Bonding (DLB), la puce et la diode sont généralement brasées d’un côté, via la technique du flip-chip, sur le dissipateur intégré. L’autre face est brasée ou frittée directement sur une broche (ou clip) pour former la maille électrique grâce à une brasure Sn-Ag-Cu très épaisse pour éviter le claquage broche/puce. Le DLB peut donc offrir une surface de contact plus généreuse, réduisant ainsi la résistance de contact d’un facteur 10 selon nos simulations, améliorant la répartition du courant dans les puces et celle de la température au sein du composant.
D’un point de vue sécuritaire, l’I²T d’un PM WB rempli de gel de silicone est faible et procure un effet fusible naturel bien qu’imparfait appelé lift-off, même si leur design n’a pas été pensé dans ce sens. Avec de la résine époxy, ce comportement se dégrade pour donner un mode de défaut intermédiaire dû à la limitation en température de la résine. A l’inverse, le DLB devrait montrer un fort I²T et un mode de défaut se rapprochant du court-circuit. Ces travaux proposent une approche innovante : construire une topologie autour du mode de défaillance intrinsèque d’un PM au lieu de mettre en place des moyens classiques pour le contrecarré. Le PM DLB était le candidat idéal pour mettre à l’œuvre notre philosophie.
Nous avons d’abord cherché à comparer les modes de défaillance des WB et DLB, grâce à des essais destructifs à énergies maîtrisés. Les résistances de défaut (Rcc), énergies critiques et I²T ont été mesurées sur un banc dédié, de même que des analyses d'endommagements des zones de défaillance ont été réalisées au sein du CNES-THALES Lab de Toulouse par une méthode non intrusive de type Lock-In-Thermography. Le DLB présente une résistance de défaut 10 fois plus faible que celle du WB à même surface de puce et à même énergie de destruction. La forte épaisseur de brasure clip/puce garantit aussi un meilleur reformage métallique et ainsi une Rcc plus faible. Ensuite, les modules détruits, ont subi des essais d’endurance sur 5 semaines, afin d’éprouver la robustesse et la stabilité de leur Rcc à faible et fort courant. Les résultats montrent clairement la supériorité du DLB.
Par la suite, une campagne de caractérisation thermique des deux designs a été réalisée sur la base d'un banc développé à cet effet. Une méthode de dissipation en régime linéaire a été proposée pour s'affranchir d'une source fort courant. Nous les avons modélisés et simulés sous COMSOL Multiphysics pour comparer leur résistance et impédance thermique, leur résistance et inductance électrique. L'effet diffuseur thermique du DLB a ainsi été étudié. Les résistances thermiques sont quasi-identiques (~0,13°C/W) alors que, fait surprenant, le WB fait mieux que le DLB en termes d’impédance thermique avec un écart maximum d’environ 20% à 0,1s. Grâce à la géométrie particulière du DLB, nous avons pu explorer un nouveau design intégrant des constrictions fusibles offrant au DLB un mode de défaillance optionnel de type circuit-ouvert. Combiné à ses propriétés fonctionnelles, un tel design pourrait être très prometteur et polyvalent.
Finalement, après avoir listé quelques structures d’onduleurs à tolérance de panne tirant parti du mode de défaillance en court-circuit du DLB, notre choix s'est porté sur un système d'onduleur double-triphasé pour machine à double enroulement ou de type double-étoile. Un banc d’expérimentation complet a été conçu et réalisé au LAPLACE, basée sur l’emploi de DLB. Un des modules de ce banc a été rendu volontairement défaillant prouvant la continuité fonctionnelle après une reconfiguration adaptée de la topologie initiale. |
In wire-bonding power-modules (WB PM), high current commutated by fast power chips (up to 200A on a 10x10mm chip) implies low resistance and low stray inductance interconnections in order to reduce voltage drop and overvoltage. For this purpose, designers use numerous large section bonding wires (up to 500µm) in parallel. Inside Direct-Lead-Bonding (DLB) PM, chip and diode are generally soldered on one side, using flip-chip method, to the heat spreader. The other side is directly soldered or sintered to the large inner lead (or clip) to form the electrical loop with a thick standard Sn-Ag-Cu soldering to avoid breakdown between chip and clip. Therefore, DLB would provide a wider bonding area than WB, reducing the emitter contact resistance by a factor of 10 according to our simulation results, improving current uniformity in the chips and thus results in a uniform surface temperature distribution inside the device.
Considering safety aspects, the I²T of a gel-filled WB PM is low and provides a natural but imperfect wire-fuse-effec called lift-offs, even if WB’s design is not optimized for it. With an epoxy resin, this behaviour gets worse and an intermediate failure-mode is reached due to the epoxy temperature limitation. On the opposite, DLB should have a very high I²T characteristic and thus short-failure mode behaviour.
This work offers a quiet new approach: how to use the faulty PM in a new safety way, instead of getting rid of it using classic methods to disconnect it. The DLB PM was the perfect candidate to experience our philosophy.
In the first place, a comparison of both technologies through post-fault-behaviour characteristics using controlled energy failure tests was performed. Post-fault resistances, critical energies and I²T have been measured on a dedicated test-bench, along with defect localization and analysis through micro-section thanks to the CNES-THALES Lab in Toulouse, using non-intrusive Lock-In Thermography method. Failed DLB PMs showed post-fault resistances 10 times lower than WB PMs’ with the same die size and the same destruction energy. The clip also reduces temperature gradient around the defect localization and thus, releases the resin’s thermal constraints compared to WB technology. The very thick solder joint between clip and chip ensures a better metallic reforming and therefore a less resistive post-fault resistance. In the second place, faulty PMs under low and high destruction energy, both WB and DLB, were tested during 5 weeks for durability and robustness. Results clearly show DLB supremacy.
Then, a long campaign of thermal characterization of both designs (Rth/Zth) was carried out thanks to another dedicated bench. We proposed a new heating technique setting the die in its linear mode, which avoids using a high current power supply. We modelled both designs using COMSOL Multiphysics in order to be simulated and compared in terms of thermal resistance and impedance, electrical resistance and inductance. The DLB thermal diffuser effect has been analyzed. Thermal resistances are very similar (~0,13°C/W) meanwhile, surprisingly, WB is better than DLB in terms of thermal impedance with a maximum difference of 20% at 0,1s. Thanks to its peculiar geometry, the DLB allowed us to try and model a new design featuring fuse constrictions, which could give the DLB PM an optional open-circuit failure mode for ultimate safety purposes or to meet security standards. Combined to its intrinsic good functional performances, such a design would be very promising and versatile.
Finally, after having listed some fault-tolerant inverter topologies, taking advantage of the DLB’s fail-to-short behaviour, we opted for a double three-phase inverter for double-winding or double-star machines. A complete test bench was designed and conceived at LAPLACE, using DLB PMs. One of them was deliberately destroyed to demonstrate the functional continuity of the initial topology after reconfiguration. |