Article_ADIS_Innovation_VF-final-v3

Vers une filière et un support de conception EDA (Electronic
Design Automation) des fonctions de coupure spécifiques
Christophe Gineste1, Thierry Bouchet1, Olivier Gatti1, Jean-Christophe Crébier2, Patrick Austin3,4,
Nicolas Rouger2, Abdelhakim Bourennane3,4, Frédéric Morancho3,4 ,Marie Breil3,4
1
ADIS Innovation, 100 impasse des Houillères, ZI le Pontet 13590 Meyreuil
2
G2ELAB, ENSE3 bat D 11, rue des Mathématiques BP 46 38402 St Martin d'Hères Cedex
3
CNRS, LAAS, 7 avenue du colonel Roche, F-31400 Toulouse, France
4
Univ de Toulouse, Université Paul Sabatier, LAAS, F-31400 Toulouse, France
Afin de répondre aux nouveaux défis de la gestion optimale de l’énergie électrique orientés vers les moyennes et hautes tensions, ADIS
Innovation développe une filière technologique d’intégration monolithique. Autour d’un cœur technologique qualifié et à l’aide d’outils de
conception EDA (Electronic Device Automation), ADIS est en mesure de fournir des produits industriels qualifiés intégrant des fonctions
de coupures et adaptées aux conditions de packaging et de mises en œuvre innovantes pour répondre au exigences en termes d‘intégration,
de fiabilité et de performance énergétique. D’abord validée sur silicium, cette filière sera ensuite déclinée sur les matériaux à large bande
interdite — grand gap — (SiC, GaN).
INTRODUCTION
La société ADIS Innovation a pour objectifs de répondre
aux besoins de conception et fabrication des composants de
puissance intégrés dédiés en s'appuyant sur un cœur
technologique propriétaire. Cette ambition doit permettre de
répondre aux nouveaux besoins croissants de la conversion
d’énergie orientée vers les moyennes et fortes puissances.
Ces composants intégrés sont conçus et fabriqués à partir
de trois éléments :
- un coeur technologique de puissance à structure
verticale type MOS/Bipolaire,
- un outil de conception type design kit permettant de
concevoir et d'intégrer la fonction de coupure incluant les
fonctionnalités rapprochées,
- un matériau support, le substrat, adapté au type et aux
caractéristiques souhaitées du composant de puissance.
I. LE CŒUR TECHNOLOGIQUE
Le cœur technologique d’ADIS Innovation est la brique
initiale, pierre angulaire des futurs composants développés.
Il s’agit de la cellule de puissance à structure verticale de
type MOS/Bipolaire autour de laquelle s’articuleront les
fonctions monolithiques. A ce cœur silicium sont associées
un ensemble d'étapes technologique favorisant l'intégration
fonctionnelle monolithique mais également la mise en
oeuvre et le packaging spécifique [11, 25]. La brique de
puissance MOS sera développée conjointement au procédé
de fabrication et optimisée de manière à positionner le cœur
technologique sur une large gamme de tensions (de
quelques centaines à quelques milliers de Volts) et courants
(quelques Ampères jusqu'à la centaine d’Ampères et audelà). Ce cœur technologique doit être robuste vis-à-vis des
divers cahiers des charges tout en offrant un support de
conception et d'intégration de fonctions monolithiques [1].
II. ETAT DE L’ART DE L’INTEGRATION
FONCTIONNELLE
Depuis vingt ans, par rapport aux systèmes discrets, les
développements autour de l’intégration monolithique
fonctionnelle en électronique de puissance ont montré de
forts apports tels que l’augmentation de la fiabilité et de la
performance, l'optimisation de la connectique, la
diminution du volume global et du poids, la réduction du
rayonnement et des couplages électromagnétiques du
système [2,3]. De son côté, l’intégration hybride, très
appliquée en électronique de puissance, consiste à
regrouper puis assembler tous les composants du système
dans un environnement commun [4].
Or l’évolution de cette intégration peut dépendre de la
gamme de puissance dans laquelle se situe l’application,
définissant la technologie employée. Ainsi, on peut
distinguer l’intégration monolithique dans laquelle les
circuits de commande et de protection sont intégrés avec la
même technologie et dans le même substrat que le
composant de puissance [5,6,7,8,9,1,10] et l’intégration
hybride ou hétérogène dans laquelle la puce de puissance et
son circuit de contrôle sont séparés et le plus souvent issus
de technologies différentes [11,12,4]. Ainsi, pour les tenues
en tension supérieures ou égales à 600V [13,14], les seules
solutions industrielles existantes sont des solutions hybrides
par l’association d’une puce de commande et d’une puce de
puissance haute tension. Pour les tenues en tension
inférieures, il existe des solutions monolithiques où
cohabitent sur une même puce les composants de puissance
haute tension (HVIC) et les composants de commande
basse tension (CMOS) isolés et de technologies différentes
(figure 1) : c’est l’approche Smart Power [15]. On peut
citer, par exemple, la technologie VIPer de ST
Microelectronics
particulièrement
adaptée
aux
convertisseurs mono-interrupteur type flyback (400V, 600V
/ quelques kW).
Bien qu’apportant de nombreuses fonctionnalités, cette
intégration de plusieurs technologies dans le même substrat
entraîne une complexification du procédé technologique,
d’où un plus grand nombre de niveaux de masquage (14 en
2000 pour la technologie VIPer [16-17]). Par ailleurs la
gamme de tension est réduite à la qualité de l’isolation entre
les deux technologies. C’est le principal élément limitant
leur évolution vers les tensions plus importantes. Enfin,
l'approche Smart Power en technologie verticale (fort
courant et forte tension) est habituellement limitée à la mise
en œuvre d'un composant de puissance unique.
Figure 1 : Technologie Smart Power : exemples d’intégration
de différents types de composants (CMOS, DMOS, bipolaire,
mémoires) dans un même substrat [17].
La figure 2 montre un exemple de puce HVIC intégrant
des transistors de puissance latéraux et des circuits de
traitement du signal numériques et analogiques en
technologie CMOS.
On constate que la puce est divisée en deux parties, une
moitié pour la partie ‘puissance’ l’autre pour la partie
‘traitement du signal’. Cette technologie est donc très
performante en termes d’intégration de fonctionnalités,
mais la gamme de puissance accessible est réduite. Ainsi,
les technologies industrielles actuelles, HVIC ou Smart
Power, sont confrontées à des contraintes technologiques
limitant la tension de claquage à quelques centaines de
Volts [18]. C’est pourquoi elles ne sont utilisées que dans le
domaine des faibles puissances, comme dans l'automobile
et les télécommunications.
Figure 2 : Technologie HVIC : exemple d’intégration de
transistors de puissance et de circuits de traitement du signal
analogiques et numériques sur la même puce [5].
III. LE COMPOSANT MONOLITHIQUE
Notre approche vise à simplifier l’approche
monolithique en intégrant sur une même puce et avec une
même technologie verticale les éléments de puissance
(haute tension) et de commande (basse tension). Les
applications visées sont des applications moyennes à hautes
tensions (100V - 3kV), qui présentent des contraintes
élevées d’isolation galvanique ne pouvant pas être
respectées en technologie « Smart Power ». La structure du
cœur de puissance est verticale et les fonctions sont
intégrées dans le même substrat autant que faire ce peut à
l’intérieur d’une région isolée de la haute tension (figure 3).
Figure 3 : Technologie intégration fonctionnelle : exemple de
fonctions intégrables dans la structure de base du composant de
puissance a) vue en coupe d’un ACS et symbole électrique b) vue
en coupe d’un thyristor MOS et symbole électrique [19].
Ce type d’intégration utilise les filières technologiques
des composants de puissance. Elle permet de réaliser de
nombreuses fonctions essentielles comme, par exemple,
une structure MOS pouvant être activée par voie optique
dans [20,8] ou des protections en tension dans [9]. Sans
atteindre la complexité des fonctions obtenues avec les
composants Smart Power, les composants réalisés en
intégration fonctionnelle intègrent toutefois de nombreuses
fonctions de contrôle et de protection autour de l'élément de
puissance.
L’intégration monolithique de puissance poursuit l’effort
d’intégration déjà réalisé sur les composants hybrides afin
d’obtenir une optimisation des interconnexions, de la
fiabilité et de la maîtrise de la CEM. Par ailleurs pour être
économiquement compétitive, l’intégration monolithique
doit être réalisée à bas coût ce qui impose la réalisation des
fonctions avec la même technologie et en même temps que
le cœur de puissance. Cette cohabitation fonction/cœur de
puissance doit s’établir sur une filière technologique
optimisée mais figée afin d’être industrialisable [1]. Ainsi,
autour du cœur de puissance viennent s’ajouter
successivement les fonctions d’isolation optique, le
transformateur sans circuit magnétique [21,22], la structure
de commande rapprochée puis les protections contre les
surtensions et les surintensités [23] tout en minimisant
l’impact sur le procédé de fabrication [24]. Enfin pour
valoriser au mieux les performances de l’intégration
fonctionnelle monolithique, il est nécessaire d’envisager
une approche tridimensionnelle du boitier. Ainsi, la
technique 3D nommée Power Chip On Chip [25] permet un
gain significatif sur les inductances parasites, la CEM
conduite et rayonnée et l’inductance parasite existante au
sein de la cellule de commutation. Toutefois cette approche
repose sur une maîtrise importante des finitions en surface
et périphéries du composant de puissance pour satisfaire
aux contraintes d'empilement des puces de puissance. ADIS
Innovation, en proposant des architectures et des moyens
technologiques innovants, offre une réponse de conception
et de fabrication de composants de puissance pour toutes les
nouvelles applications et exigences de la conversion de
l'énergie électrique
Ainsi, pour être en mesure de réaliser un composant
intégré monolithique industriel sur cahier des charges, il est
nécessaire de disposer :
d’une filière monolithique de puissance
industrielle qualifiée d’abord en silicium et adaptable
matériaux « grand gap »,
disposer des méthodes et outils de la
microélectronique transposés à l’électronique de puissance
(EP).
Pour mener à bien son œuvre, ADIS Innovation
s’appuiera sur les travaux des laboratoires LAAS et
G2ELAB notamment sur :
-
les réalisations en prototype de fonctions intégrées,
-
le développement d’un « design kit » associé à la
technologie de puissance monolithique intégrant
modèles et bibliothèques de fonctions.
Ceci permettra de répondre de manière exhaustive et
efficace aux besoins de nombreux clients intégrateurs.
Le cœur technologique d’ADIS Innovation associé à
l’intégration fonctionnelle (figure 4) est en mesure de
répondre à l’attente du marché orienté vers les puissances
croissantes en proposant une solution industrielle intégrée,
fiable et performante pour les applications de demain.
ADIS Innovation validera dès 2012 sa filière à l’aide
d’un premier prototype intégré d’abord sur une technologie
silicium puis déclinera son offre sur les matériaux « grand
gap » tels que le GaN et le SiC.
La mise en œuvre du cœur permet d’envisager la
réalisation de nombreux composants pour différentes
applications dans le domaine de la gestion d’énergie.
PRODUIT
ADIS Innovation
Commandes
Auto
Alimentées
INTEGRATION
vs
Surface
Drivers
Intégrés
INTEGRATION
vs
Fonctionnalité
Performance
électrique
(τ,I,V)
Détecteurs
Tension
Cœur ADIS
Innovation
MOS
V > 100V
I > 1A
Détecteurs
Température
Détecteurs
CourtCircuit
• [1] H.X. Nguyen, “Méthodes et Modèles pour une Approche de
Dimensionnement Géométrique et Technologique d'un Semiconducteur de Puissance Intégré. Application à la Conception
d'un MOSFET Vertical autonome”, PhD Thesis, Université de
Grenoble, Octobre 2011.
• [2] M. Marmouget, J-L. Sanchez, P. Austin, M. Breil, T.
Bordignon, V. Houdbert, J. Jalade, “Identification de cellules
élémentaires en intégration fonctionnelle de puissance :
exemples de conception de fonctions intégrées”, Électronique
de Puissance du Futur 1998 (EPF'98). Belfort (France) - 16-18
Décembre 98, pp. 57-62.
• [3] P. Austin, J-L. Sanchez, M. Breil, J-P. Laur, J. Jalade, M.
Marmouget, T. Bordignon, E. Imbernon, O. Causse, G. Bonnet,
B. Rousset, F. Rossel, “Environnement de conception et filière
technologique flexible adaptés au mode d’intégration
fonctionnelle”, EPF 2000, 8e colloque Électronique de
Puissance du Futur, Lille, France, 29 novembre-1er décembre
2000, pp.183-188.
• [4] T Simonot, N Rouger, JC Crébier, V Gaude, “A novel
Power System in Package with 3D chip on chip
interconnections of the power transistor and its gate driver",
IEEE ISPSD’2011, Mai 2011.
• [5] G. Verneau, “Optimisation Géométrique de MOSFETs de
Puissance en vue d’Intégrer l’Alimentation de l’Etage de
Commande “, Thèse de l’Institut National Polytechnique de
Grenoble, Mai 2002.
IV. PERSPECTIVES
BESOINS
V. BIBLIOGRAPHIE
• [6] C. Caramel, “Nouvelles fonctions interrupteurs intégrées
pour la conversion d'énergie”, PhD Thesis, Université Paul
Sabatier, Avril 2007.
• [7] F. Capy, “Étude et conception d'un interrupteur de puissance
monolithique à auto-commutation: le thyristor dual
disjoncteur”, Thèse Université Paul Sabatier, 2009.
• [8] N. Rouger, “Intégration monolithique des fonctions
d'interface au sein de composants de puissance à structure
verticale ”, PhD Thesis, Université de Grenoble, Juillet 2008.
• [9] L. Vincent, “Contribution à la Conception et Assistance au
Prototypage de Systèmes Intégrés sur Silicium (CAPsis)
Application à l'interrupteur automatique VD-MOSFET”, Thèse
de l’Institut National Polytechnique de Grenoble – INPG, 2010.
GAIN
• [10] B.D. Nguyen, “Intégration fonctionnelle autour des
composants quatre quadrants avec application à la conversion
AC-AC”, PhD Thesis, Université de Grenoble, Mars 2008.
Taille et Prix
• [11] T. Simonot, “Conception et hybridation de l'environnement
électronique des composants de puissance à structure verticale”,
PhD Thesis, Université de Grenoble, Novembre 2011.
consommation
énergétique
réduite
Fiabilité
et
Sécurité
Figure 4 : Schéma produit ADIS Innovation : intégration
monolithique sur un même pavé des fonctions autour du cœur
MOS pour répondre aux différents besoins d’intégration,
performances et fiabilité.
• [12] T. Stockmeier, P. Beckedahl, C. Gobl, T. Malzer, "SKiN:
Double side sintering technology for new packages," IEEE
ISPSD’2011, pp. 324-327, 23-26, Mai 2011.
• [13] L. Théolier, “Conception de transistors MOS haute tension
(1200 Volts) pour l'électronique de puissance”, Thèse de
l’université Paul Sabatier, 2008.
• [14] T. Bouchet, “Etude de la zone de charge d'espace mixte
(ZCEM) dans le drain des MOS haute tension”, PhD Thesis,
Université de Marseille, Décembre 2001.
• [15] R. De Maglie. “Modélisation de différentes technologies
de transistors bipolaires à grille isolée pour la simulation
d'applications en électronique de puissance”, PhD thesis,
Université Paul Sabatier Toulouse III, 2007.
• [16] N. Cézac, F. Morancho, P. Rossel, H. Tranduc, A. PeyreLavigne, A new generation of power unipolar devices : the
concept of the Floating Island MOS Transistor (FLIMOST) »,
Proceedings ISPSD’2000 (Toulouse), pp. 69-72, Mai 2000.
• [17] H. Tahir, “Conception et réalisation de structures IGBTs
bidirectionnelles en courant et en tension”, PhD thesis,
Université Paul Sabatier Toulouse III, 2011.
• [18] F. Bernot,,“Composants de l’électronique de puissance”,
Techniques de l’Ingénieur, 2000.
• [19] M. H. Rashid, “Power electronics handbook: devices,
circuits, and applications”, Academic Press, 2006.
• [20] Y. Patel, J. Jalade, J-L. Sanchez, R. Berriane, J-P Laur, P.
Austin, “Characterisation of a new high voltage integrated
switch: MOS- Gated optically triggered thyristor”, EPE Journal,
Vol.6, n°2, Septembre 1996.
• [21] T. Simonot, N. Rouger, and J.‐C. Crebier, “Design and
characterization of an integrated CMOS gate driver for vertical
power MOSFETs,” in 2010 IEEE Energy Conversion Congress
and Exposition, Atlanta, GA, USA, 2010, pp. 2206‐2213.
• [22] T. Simonot, N. Rouger, and J.C. Crebier, “Conception,
intégration 3D et caractérisation d’un circuit de commande
CMOS pour transistors de puissance,” in Electronique de
puissance du Futur. EPF, Saint‐Nazaire, 2010.
• [23] Fisal Alkayal, “Contribution à l’intégration monolithique
de protections contre les surtensions: application aux
convertisseurs de puissance haute tension,” Mémoire de thèse,
Grenoble INP, 2005.
• [24] D. B. Nguyen, “Intégration fonctionnelle autour des
composants quatre quadrants avec l’application à la conversion
AC/AC,” Mémoire de thèse, Grenoble INP, G2ELab, 2008.
• [25] Eric Vagnon, “Solutions innovantes pour le packaging de
convertisseurs statiques polyphasés,” Mémoire de thèse,
Grenoble INP, 2010.