Metallized ceramic substrate with mesa structure for voltage ramp-up of power modules

International audienceAs the available wide bandgap semiconductors continuingly increase their operating voltages, the electrical insulation used in their packaging is increasingly constrained. More precisely the ceramic substrate, used in demanding applications, represents a key multi-functional element is being in charge of the mechanical support of the metallic track that interconnects the semiconductor chips with the rest of the power system, as well as of electrical insulation and of thermal conduction. In this complex assembly, the electric field enhancement at the triple junction between the ceramic, the metallic track borders and the insulating environment is usually a critical point. When the electrical field at the triple point exceeds the critical value allowed by the insulation system, this hampers the device performance and limits the voltage rating for future systems. The solution proposed here is based on the shape modification of the ceramic substrate by creating a mesa structure (plateau) that holds the metallic tracks in the assembly. A numerical simulation approach is used to optimize the structure. After the elaboration of the structures by ultrasonic machining we observed a significant increase (30%) in the partial discharge detection voltages, at 10 pC sensitivity, in a substrate with a mesa structure when comparing to a conventional metallized ceramic substrate

Contribution à la conception et mise en oeuvre de structures de packaging pour la montée en tension des modules de puissance : contraintes sur les isolants

The power electronics is at the beginning of a major evolution by the introduction of new power components semiconductor 'wide bandgap' in the systems. Indeed, the evolution of silicon carbide (SIC) technology allows to develop small chips, which can operate at a higher switching frequency, and support higher voltages than current one, limited during several decades by the physical properties of silicon. Therefore, the introduction of these components must be adapted to their environment in order to take into account these new performances. From an electrical point of view, the stresses imposed on insulating materials are close to their limits, particularly in the packaging configurations currently used in the power modules. The aim of this thesis is to propose an original solution allowing to integrate the 15 KV components currently in development phase, in a structure such as power module. After studying some packaging solutions, the study focused on a particular area, called the triple point between the metallization, the substrate and the encapsulation materials. We propose, from simulations by the finite element method analysis, a new geometry for the metallized ceramic substrate able to reduce the electric field intensity at the triple point. The structure modification consists in the creation of a gap in the substrate at the edge of the metallization. This new geometric structure has shown by simulation a significant reduction of the electric field intensity at the triple point thanks to a better spreading of the equipotential lines. After reviewing several technical manufacturing, ultrasonic machining was selected, this process is particularly efficient for hard and brittle materials such as ceramics and provides an etching profile with an excellent alignment to the edge of the metallization with the ceramic. Experimental results based on samples tests made it possible to carry out tests showing interesting and encouraging results in terms of partial discharges and resistance to dielectric strength. Thanks to the simulation under FEM analysis and after first experimental results, the new geometric structure for the metallized ceramic substrate proposed for the high voltage power modules, seems to be a technologically integrable solution for the optimization of the packaging for the purpose of the voltage rise in module. Moreover, the interest of the proposed solution compared with other published strategies, such as the use of innovative encapsulation materials was discussed, as well as the advantage offered of being able to combine the strengths of two types of approaches.L'électronique de puissance est à l'orée d'une importante évolution avec l'introduction dans les systèmes de nouveaux composants de puissance à semi-conducteur 'grand gap'. En effet, l'évolution de la filière technologique à base de carbure de silicium (SiC) permet le développement de puces de tailles plus petites, capables de fonctionner à plus haute fréquence de commutation, et de supporter des tensions supérieures aux tensions actuelles, restreintes depuis plusieurs dizaines d'années par les propriétés physiques du silicium. L'introduction de ces composants impose par conséquent d'adapter leur environnement pour prendre en compte ces nouvelles performances. D'un point de vue électrique, les contraintes imposées aux matériaux isolants deviennent proches de leurs limites admissibles, notamment dans les configurations de packaging des modules de puissance actuellement utilisées. L'objectif de cette thèse est de proposer une solution originale permettant d'intégrer les composants de tenue en tension 15 kV, actuellement en phase de développement, dans une structure telle que le module de puissance. Après avoir étudié différentes solutions de packaging, l'étude s'est notamment focalisée sur une zone particulière, appelée zone de point triple située à l'intersection entre le substrat isolant, la métallisation et l'encapsulation. Nous proposons, à partir de simulations par la méthode des éléments finis, une nouvelle géométrie du substrat céramique métallisé capable de réduire l'intensité du champ électrique au point triple. La modification de la structure consiste en la création d'une gorge dans le substrat au bord de la métallisation. Cette nouvelle structure optimisée a montré en simulation une réduction remarquable de l'intensité du champ électrique au point triple du fait d'une meilleure répartition des équipotentielles. Après une revue des différentes techniques de réalisation, l'usinage par ultrasons a été retenu, ce mode d'usinage est particulièrement efficace pour des matériaux durs et cassants telles que les céramiques et permet d'obtenir un profil de gravure présentant notamment un excellent alignement du bord du métal avec celui de la céramique. Les résultats expérimentaux sur des échantillons tests ont permis de procéder à des essais montrant des résultats intéressants et encourageants en terme de décharges partielles et de tenue en rigidité électrique.[...

Design of packaging structures for high voltage power electronics devices: Electric field stress on insulation

International audienceThe use of very high voltage power modules (> 10 kV) requires the implementation of appropriate structures for the device packaging. Particularly the triple point between the insulating substrate, the metallization and the encapsulation is subjected to strong electric field stress. A novel architecture is proposed for the metallized ceramic substrate. Its interest is validated by using finite element method simulations to analyze the electric field distribution inside the module. It is shown that creating a gap between the top electrodes thus forming mesa structures, enables a significant spreading of the equipotential lines. The resulting maximum electric field decreases exponentially versus the height of the mesa structure, with better results than when simply increasing the thickness of the ceramic in a conventional module structure

Contribution à la conception de structures de packaging pour les modules de puissance très haute tension : contraintes sur les isolants

International audienceL'emploi des composants très haute tension (> 10 kV) nécessite la mise en œuvre d'une structure adaptée pour leur packaging. En particulier dans la zone du point triple, entre le substrat isolant, les pistes métalliques et l'encapsulation, résident de forts champs électriques. Une nouvelle architecture est proposée pour le substrat céramique métallisé. Son intérêt est validé à l'aide de la méthode de simulation par éléments finis pour analyser la répartition du champ électrique à l'intérieur du module de puissance. Il est montré que la création d'un espace entre les électrodes supérieures, formant ainsi des structures dénommées mesas, permet une amélioration significative de la répartition des lignes équipotentielles. Le champ électrique maximal résultant décroit de façon exponentielle par rapport à la hauteur de la structure mesa, ces résultats sont meilleurs que lorsque l'on procède à une simple augmentation de l'épaisseur de la céramique dans une structure de module classique

Substrat céramique métallisé en structure mesa pour la montée en tension des modules de puissance

International audienceL'emploi des composants de puissance à semiconducteur grand gap dans les modules de puissance est un défi pour le système d'isolation électrique des modules de puissance. Plus particulièrement, une zone appelée « point triple », située à la jonction entre trois matériaux (substrat / métallisation / encapsulation), est sujette à de forts champs électriques. Des solutions pour contenir cette contrainte sont proposées dans la littérature le plus souvent par action sur l'encapsulant. La solution étudiée ici repose sur un profilage particulier de la céramique, en forme de plateau (mesa). La structure a été mise en œuvre par un usinage ultrason. Les résultats présentés montrent une amélioration significative du seuil de tension d'apparition de décharges partielles