Contribution à l`intégration des convertisseurs de puissance en 3D

N˚d’ordre 2008-ISAL-0107 Année 2008
Thèse
Contribution à l’intégration des
convertisseurs de puissance en 3D
Présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
Pour obtenir
Le grade de docteur
Formation doctorale : Master 2 Recherche Systèmes Electroniques
et Génie Electrique
Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique
Par
Ludovic Ménager
(Ingénieur Génie Electrique
de l’Ecole Polytechnique de l’Université de Nantes)
Soutenue le 11 Décembre 2008 devant la Commission d’examen
Jury MM.
Président Z. Khatir Directeur de Recherche INRETS (INRETS)
Rapporteur F. Forest Professeur des Universités (IES)
J.-C. Crébier Chargé de Recherche CNRS (G2Elab)
Examinateur Z. Khatir Directeur de Recherche INRETS (INRETS)
E. Labouré Professeur des Universités (LGEP)
Directeur de thèse B. Allard Professeur des Universités (AMPERE)
V. Bley Maître de Conférences (LAPLACE)
Invité M. Soueidan Chercheur CNRS Libanais
Laboratoire de recherche : AMPERE - UMR 5005, INSA de Lyon,
Bâtiment Léonard de Vinci, 21 Avenue Jean Capelle, 69621 Villeurbanne Cedex

Remerciements
Je tiens en tout premier lieu à exprimer mes sincères remerciements à M. François
FOREST et M. Jean-Christophe CREBIER pour l’honneur qu’ils m’ont fait d’accepter
d’être les rapporteurs de ce travail de thèse et pour leurs remarques constructives.
Je tiens aussi à remercier M. Zoubir KHATIR et M. Eric LABOURE d’avoir accepté
de faire partie de mon jury de thèse.
Merci également à M. Maher SOUEIDAN qui a accepté d’être membre invité de ce
travail de thèse, et contribué fortement à l’avancement de mes travaux de thèse.
Je souhaite à remercier mes directeurs de thèse M. Bruno ALLARD et M. Vincent
BLEY, d’une part pour leurs compétences, leur bonne humeur et leur dynamisme, d’autre
part pour m’avoir ouvert les portes des laboratoires AMPERE et LAPLACE.
Un grand merci à M. Benoît SCHLEGEL pour ses conseils, son aide et son expérience
sur les procédés technologiques qu’il a bien voulu me faire partager.
Je souhaite remercier l’ensemble des membres des équipes électronique de puissance
et intégration (AMPERE), et matériaux diélectriques pour la conversion d’énergie (LA-
PLACE) qui m’ont accueilli tout au long de ces années. Je remercie aussi le personnel
administratif Sandrine, Maguy, Sonia, Danielle et les deux Christine pour leur gentillesse
et leur aide.
Merci à mes amis Quoc Hung, Van Hai, Manh Quan, Axel, Sombel, Michael, Cy-
rille, Eddy, Flavien, Tomer, Bertrand, les deux Benoît, Céline et Sonia pour nos longues
discussions, les pauses café et les bons moments que nous avons passé ensemble.
Enfin, un très grand merci à toute ma famille qui m’a toujours encouragé et sans qui
je ne serais pas arrivé à ce stade, et à Nadia qui m’a supporté pendant ces trois années
de thèse et apporté la force nécessaire pour la mener à bien.
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Résumé
Dans les modules de puissance actuels, les connexions électriques sont réalisées géné-
ralement par des fils de bonding. Dans certaines applications, nécessitant une densité de
puissance élevée, la technologie wire bonding montre des limites électriques et thermiques
en limitant de surcroît les possibilités d’intégration 3D. De ce fait, des technologies d’in-
terconnexion 3D, telles que les bumps et les posts, ont été développées essentiellement
en laboratoire pour permettre de trouver une solution qui réponde à ces exigences. Ces
technologies sont caractérisées par des connectiques de faibles dimensions réduisant ainsi
considérablement les valeurs des inductances parasites, des résistances électriques et des
résistances thermiques par rapport à un fil de bonding. Elles permettent aussi un refroi-
dissement double face des composants du module de puissance. Toutefois, un procédé de
mise en oeuvre complexe et une fiabilité restant encore à démontrer sont les principales
raisons expliquant la faible utilisation de ces technologies d’interconnexion 3D dans les
modules de puissance industriels.
Dans le cadre du projet ANR blanc 3DPHI dans lequel s’inscrit ma thèse, une inté-
gration 3D d’un convertisseur de puissance en l’occurence un circuit élévateur de tension
est souhaitée. Pour réaliser celle-ci et au vu des limites des technologies d’interconnexion
3D actuelles, une connectique sur des puces semi-conductrices sans brasure et basée sur
des micro poteaux déposés par voie électrolytique est présentée dans ce manuscrit. Les
performances électromagnétiques et thermiques de la technologie micro poteaux dans un
convertisseur de puissance sont évaluées par le biais de simulations et comparées à celles
obtenues avec la technologie wire bonding. Une analyse du procédé de mise en oeuvre de
la technologie micro poteaux sur des puces semi-conductrices est faite dans ce mémoire.
Une validation du bon fonctionnement électrique d’une puce avec des connectiques élec-
trodéposées est aussi présentée. Les puces semi-conductrices doivent être assemblées par
la suite à des substrats types DCB (Direct Copper Bonding) par exemple, pour établir
les connexions électriques avec les autres éléments du convertisseur de puissance. Dans ce
manuscrit, une solution de reprise de contacts sans brasure sur le dessus des micro po-
teaux permettant l’assemblage des puces munies de leurs micro poteaux sur un substrat
DCB est décrite.
Mots-clés : module de puissance - semi-conducteur - intégration - packaging - densité
de puissance - interconnexion - technologie wire bonding - technologies d’interconnexion
3D - film photosensible sec - électrodéposition - assemblage par interdiffusion métallique
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