PARALLÈLES ET UN CONDENSATEUR DE DÉCOUPLAGE

L'invention concerne l'électronique de puissance, et en particulier la réalisation de circuits électroniques de puissance à architecture tridimensionnelle et comportant des composants montés en surface (CMS). En particulier, des composants CMS incluent en général des condensateurs de découplage présentant une première électrode au potentiel d'un premier substrat et une deuxième électrode au potentiel d'un deuxième substrat.

Dans l'exemple détaillé dans le document US20150296623, un condensateur a ses deux électrodes connectées électriquement à deux contacts électriques respectifs d'un même substrat. Le condensateur est positionné allongé, c'est-à-dire qu'un axe reliant ses deux électrodes est parallèle au substrat. La connexion électrique entre chaque électrode et son contact électrique respectif est réalisée par l'intermédiaire d'un cadre conducteur dont une première extrémité est soudée à un contact du substrat et dont une deuxième extrémité est soudée à une électrode du condensateur. L'utilisation de tels cadres métalliques permet de réduire les contraintes thermomécaniques entre le condensateur et le substrat, pouvant apparaître du fait des différences de coefficient de dilatation thermique entre le condensateur et le substrat.

Si on souhaitait créer une architecture tridimensionnelle à partir de ce document, un tel condensateur utilisé en condensateur de découplage serait ainsi fixé à un premier substrat par l'intermédiaire de deux cadres métalliques à deux contacts électriques de ce premier substrat. Un deuxième substrat serait positionné parallèle au premier substrat, de sorte que le condensateur serait interposé entre les premier et deuxième substrats.

Aucune solution satisfaisante n'est connue pour rapporter le potentiel du deuxième substrat vers une des électrodes du condensateur sans créer de court- circuit. Par ailleurs, une telle architecture s'avérerait relativement volumineuse, en particulier lorsque la différence de potentiel entre les substrats est importante, ce qui induirait une distance importante entre les substrats. La tenue en tension entre le deuxième substrat et l'électrode du condensateur au potentiel du premier substrat serait alors assurée par l'espacement entre cette électrode et le deuxième substrat.

Une solution a été proposée dans le document 'Realization and characterization of an IGBT Module Based on the Power Chip-on-Chip 3D Concept', rédigé par Ms Marchesini et alias, qui propose de monter un condensateur de découplage associé à un demi-pont, sur un troisième substrat. Le premier substrat comporte une diode et un transistor IGBT, le deuxième substrat comporte également une diode et un transistor IGBT. Ce troisième substrat est placé entre des premier et deuxième substrats et déborde latéralement. Le condensateur est placé sur le débordement du troisième substrat. Les deux faces du troisième substrat sont polarisées à ces potentiels différents, correspondant aux potentiels des premier et deuxième substrats.

Une telle architecture présente des inconvénients. En effet, l'interconnexion induit des inductances parasites de maille. Lorsque le condensateur de découplage est connecté à d'autres composants haute fréquence d'un des deux substrats, ces inductances de maille peuvent occasionner des limitations de performances du système électrique, notamment des pertes électriques considérables à haute fréquence. De plus, le maintien mécanique de l'espacement entre les deux substrats peut s'avérer délicat à réaliser.

L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un module électrique tridimensionnel, tel que défini dans la revendication 1 .

L'invention porte également sur les variantes définies dans les revendications dépendantes. L'homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes des revendications dépendantes peut être combinée indépendamment aux caractéristiques d'une revendication indépendante, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

-la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique d'un exemple d'un module électrique tridimensionnel selon un mode de réalisation ;

-la figure 2 est un schéma électrique équivalent du module électrique de la figure 1 ;

-la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de condensateur pour le mode de réalisation de la figure 1 ;

-la figure 4 est une vue en coupe transversale schématique d'un exemple d'un module électrique selon une variante ;

-la figure 5 est une vue en coupe transversale schématique d'un exemple d'un module électrique selon une autre variante.

L'invention propose de former une entretoise entre deux substrats d'un module électrique tridimensionnel (en particulier pour un module de puissance), par l'intermédiaire d'un condensateur de découplage. Ce condensateur de découplage comporte une première électrode connectée électriquement et solidaire d'un contact d'un premier substrat, et une deuxième électrode connectée électriquement et solidaire d'un contact du deuxième substrat.

Les connectiques d'un tel condensateur de découplage présentent ainsi des inductances propres (impactant les inductances de maille) plus réduites, favorisant le fonctionnement à haute fréquence du module électrique. Un tel condensateur de découplage participe également à la résistance mécanique du module électrique, en particulier sa résistance à une compression appliquée perpendiculairement aux deux substrats. La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un exemple d'un module électrique tridimensionnel 1 selon un mode de réalisation. Le module électrique 1 est ici illustré pour une application particulière à un onduleur. Le module électrique comprend les substrats 1 1 et 12 de structure connue en soi. Les substrats 1 1 et 12 sont sensiblement plans et positionnés parallèles l'un de l'autre. Le substrat 1 1 comporte une face supérieure orientée vers le substrat 12 et comportant un contact électrique 1 1 1 orienté vers ce substrat 12. Le substrat 12 comporte une face inférieure orientée vers le substrat 1 1 et comportant un contact électrique 121 orienté vers ce substrat 1 1 . Les contacts 1 1 1 et 121 sont ici décalés selon une direction parallèle aux substrats 1 1 et 12. La direction normale aux substrats 1 1 et 12 est ici illustrée par la droite en tirets-points.

Le module électrique 1 comporte un condensateur 5 monté en surface, dont la structure sera davantage détaillée par la suite. Si la capacité du condensateur 5 est insuffisante, il peut être connecté à un autre condensateur déporté le cas échéant. Le condensateur 5 comporte une première électrode 51 et une deuxième électrode 52, situées à des extrémités axiales opposées de ce condensateur 5. Un corps 53, dont la partie externe est isolante, est disposé entre les électrodes 51 et 52. L'électrode 51 est connectée électriquement et est solidaire du contact 1 1 1 du substrat 1 1 . L'électrode 52 est connectée électriquement et est solidaire du contact 121 du substrat 12. Ainsi, un potentiel d'alimentation du substrat 1 1 peut être appliqué directement sur l'électrode 51 sans nécessiter une éventuelle interconnexion électrique tridimensionnelle provenant du substrat 12. De même, un potentiel d'alimentation du substrat 12 peut être appliqué directement sur l'électrode 52 sans nécessiter une éventuelle interconnexion électrique tridimensionnelle provenant du substrat 1 1 . L'inductance de maille du module électrique 1 peut ainsi être réduite. Les électrodes 51 et 52 peuvent être connectées électriquement et fixées respectivement aux contacts 1 1 1 et 121 par l'intermédiaire de soudures ou de brasures ou par frittage ou par collage conducteur. Par ailleurs, on maintient une distance optimale entre le potentiel du contact électrique 1 1 1 et l'électrode 52 d'une part, et le potentiel du contact électrique 121 et l'électrode 51 d'autre part, ce qui favorise une résistance à une tension de claquage : la tension de claquage du condensateur 5 dimensionne ainsi la tension de claquage du module électrique 1 (au moins dans la zone du condensateur).

Comme illustré à la figure 1 , une continuité de matière est formée entre les substrats 1 1 et 12 selon un axe perpendiculaire à ces substrats 1 1 et 12, illustré par la ligne en tirets-points. En effet, la continuité de matière est ici formée entre les contacts électriques 1 1 1 et 121 , par l'intermédiaire de l'électrode 51 , du corps 53 et de l'électrode 52. Le condensateur 5 forme donc ici une entretoise entre les substrats 1 1 et 12, participant à la résistance en compression entre ces substrats 1 1 et 12 selon leur direction perpendiculaire. Le condensateur 5 est ici positionné parallèlement aux substrats 1 1 et 12, c'est-à-dire que ses électrodes 51 et 52 sont alignées perpendiculairement à l'axe en tirets-points.

Le condensateur 5 est ici un condensateur de découplage entre les substrats 1 1 et 12. Les électrodes 51 et 52 sont ainsi destinées à recevoir des potentiels d'alimentation différents appliqués au substrat 1 1 et 12 respectivement. En particulier, le module électrique 1 est associé à un circuit d'alimentation 2, configuré pour appliquer des potentiels distincts sur les contacts électriques 1 1 1 et 121 des substrats 1 1 et 12 respectivement.

Le substrat 1 1 comporte en outre un autre contact électrique 1 13 décalé latéralement par rapport au contact 1 1 1 . Les contacts électriques 1 1 1 et 1 13 sont connectés électriquement par l'intermédiaire d'une piste conductrice 1 12. Un composant électronique 3 est ici connecté électriquement au contact électrique 1 13. Le composant électronique 3 est en l'occurrence une diode.

Le substrat 12 comporte en outre un autre contact électrique 123 décalé latéralement par rapport au contact 121 . Les contacts électriques 121 et 123 sont connectés électriquement par l'intermédiaire d'une piste conductrice 122. Un composant électronique 4 est ici connecté électriquement au contact électrique 123. Le composant électronique 4 est en l'occurrence un transistor IGBT. Les composants 3 et 4 sont par exemple destinés à la formation d'un circuit en demi- pont, comme l'exemple illustré schématiquement à la figure 2.

Les contacts 1 13 et 123 et les composants 3 et 4 sont alignés selon un axe perpendiculaire aux substrats 1 1 et 12.

L'anode 31 de la diode 3 est connectée électriquement et fixée au contact électrique 1 13. Ce contact électrique 1 13 est porté à un potentiel d'alimentation du substrat 1 1 . La diode 3 comporte une cathode 33. La cathode 33 est connectée électriquement à un contact d'une sortie de tension alternative 10. Le contact 10 est interposé entre la diode 3 et le transistor IGBT 4.

Le drain 43 du transistor IGBT 4 est connecté électriquement et fixé au contact électrique 123. Ce contact électrique 123 est porté un potentiel d'alimentation du substrat 12. Le transistor IGBT 4 comporte une grille de commande 42 commandée de façon connue en soi par un circuit de commande non illustré. Le transistor 4 comporte une source 41 . La source 41 est connectée électriquement au contact de sortie de tension alternative 10.

Le schéma électrique équivalent du module électrique 1 complété pour former un demi-pont est illustré à la figure 2. Le circuit d'alimentation 2 applique une tension +Dc sur le drain 43 et sur l'électrode 52, et une tension -De sur la source 31 et sur l'électrode 51 . Une telle application d'onduleur s'avère en pratique particulièrement compacte et optimisée pour limiter les inductances de maille parasites. L'invention s'avère ainsi particulièrement avantageuse pour des composants de commutation à haute fréquence (par exemple typiquement au moins égale à 100kHz) et/ou à haute tension (par exemple typiquement au moins égale à 100V), domaines d'application de prédilection pour des IGBT, des MOSFET ou des transistors à haute mobilité électronique. L'invention s'avère également avantageuse à basse fréquence, en réduisant les surtensions et les ondulations.

La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un condensateur 5 pour la formation d'une d'un module électrique tridimensionnel 1 tel qu'illustré à la figure 1 . Le condensateur 5 est ici configuré pour être positionné avantageusement parallèlement aux substrats 1 1 et 12. L'encombrement d'un condensateur 5 étant généralement plus important suivant sa direction axiale que suivant sa direction transversale, un tel positionnement permet avantageusement de réduire l'encombrement du module électrique 1 selon une direction perpendiculaire aux substrats 1 1 et 12, par réduction de la distance entre les substrats 1 1 et 12.

Par exemple, pour un condensateur 5 présentant une tension de claquage de 1000 V, on peut envisager qu'il présente une longueur de 2,1 mm entre ces électrodes 51 et 52, et une hauteur d'électrode de 1 ,4 mm. Même en interposant du matériau diélectrique entre les électrodes du condensateur 5 et les substrats 1 1 et 12, une telle configuration permet de réduire l'encombrement du module électrique 1 selon une direction perpendiculaire aux substrats 1 1 et 12.

Le condensateur 5 comporte une première électrode 51 et une deuxième électrode 52. L'électrode 51 comporte une extrémité axiale, et un prolongement latéral 51 1 . L'électrode 52 comporte une extrémité axiale, et un prolongement latéral 521 . Les extrémités axiales respectives des électrodes 51 et 52 sont positionnées axialement de part et d'autre d'un corps 53, dont la surface externe au moins est isolante. Les prolongements latéraux 51 1 et 521 s'étendent latéralement de part et d'autre le long du corps 53. Dans cet exemple, le prolongement latéral 51 1 s'étend jusque sur le côté de l'électrode 52. Dans cet exemple, le prolongement latéral 521 s'étend jusque sur le côté de l'électrode 51 . La connexion électrique et la fixation de l'électrode 51 à un contact conducteur du substrat 1 1 est destinée à être réalisée par l'intermédiaire du prolongement latéral 51 1 . La connexion électrique et la fixation de l'électrode 52 à un contact conducteur du substrat 12 est destinée à être réalisée par l'intermédiaire du prolongement latéral 521 .

Le condensateur 5 comprend en outre un matériau diélectrique 54 interposé entre le corps 53 et le prolongement latéral 521 . Le matériau diélectrique 54 comporte également un prolongement 541 interposé entre le prolongement latéral 521 et l'électrode 51 . Le prolongement 541 permet donc d'isoler électriquement l'électrode 51 par rapport au prolongement latéral 521 et par rapport au substrat 12.

Le condensateur 5 comprend en outre un matériau diélectrique 55 interposé entre le corps 53 et le prolongement latéral 51 1 . Le matériau diélectrique 55 comporte également un prolongement 551 interposé entre le prolongement latéral 51 1 et l'électrode 52. Le prolongement 551 permet donc d'isoler électriquement l'électrode 52 par rapport au prolongement latéral 51 1 et par rapport au substrat 1 1 .

Un tel condensateur 5 permet d'améliorer le contact électrique entre les électrodes 51 et 52 et leurs contacts électriques respectifs des substrats 1 1 et 12, et permet d'améliorer la résistance en compression appliquée perpendiculairement entre les substrats 1 1 et 12. En outre, un tel condensateur 5 est approprié pour réaliser le dépôt des matériaux diélectriques 54 et 55 par des procédés tels que le PECVD lors de sa fabrication. Les matériaux diélectriques ainsi déposés peuvent présenter une très grande rigidité diélectrique, permettant de réduire l'épaisseur des matériaux diélectriques 54 et 55. Par ailleurs, en intégrant de tels matériaux diélectriques 54 et 55 dès le procédé de fabrication du condensateur 5, on contrôle particulièrement bien la structure et la géométrie de ces matériaux diélectriques 54 et 55, et donc la tension de claquage entre les électrodes 51 et 52. Par ailleurs, du fait de la géométrie des électrodes 51 et 52, un tel condensateur 5 inclut intrinsèquement des cadres métalliques intégrés à ses électrodes 51 et 52. Les électrodes 51 et 52 peuvent être au moins partiellement formées par une métallisation des matériaux diélectriques 54 et 55.

Dans l'exemple de la figure 1 :

- le prolongement latéral 51 1 est soudé au contact 1 1 1 du substrat 1 1 ; -le prolongement latéral 521 est soudé au contact 121 du substrat 12. La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un exemple d'un module électrique tridimensionnel 1 selon une variante. Même si les électrodes 51 et 52 du condensateur 5 de la figure 3 font office de cadres métalliques, on peut également envisager de connecter électriquement et solidariser le condensateur 5 aux substrats 1 1 et 12 par l'intermédiaire de cadres métalliques additionnels.

L'électrode 51 est ici connectée électriquement et est solidarisée au contact 1 1 1 du substrat 1 1 , par l'intermédiaire d'un cadre métallique 13. Le cadre métallique 13 peut être soudé d'une part au contact 1 1 1 , et d'autre part à une face d'extrémité de l'électrode 51 . L'électrode 52 est connectée électriquement et est solidarisée au contact 121 du substrat 12, par l'intermédiaire d'un cadre métallique 14. Le cadre métallique 14 peut être soudé ou brasé d'une part au contact 121 , et d'autre part à une face d'extrémité de l'électrode 52. L'utilisation de cadres métalliques 13 et 14 permet d'absorber des déformations éventuelles liées à des différences de coefficients de dilatation thermique ou à des dispersions géométriques.

Un matériau diélectrique 56 est positionné au moins sur le côté des contacts électriques 1 1 1 et 121 , afin de s'interposer entre l'électrode 51 et le substrat 12 d'une part, et entre l'électrode 52 et le substrat 1 1 d'autre part. Le matériau diélectrique 56 est solide, pour assurer un maintien mécanique transversal. Par ailleurs, le matériau diélectrique 56 est également interposé entre une face latérale de l'électrode 51 et une paroi du cadre métallique 13 parallèle au substrat 1 1 . Ainsi, l'électrode 51 est fixée à un montant du cadre 13, s'étendant selon la normale au substrat 1 1 mais est espacée d'un montant du cadre 13 parallèle à ce substrat 1 1 . Par ailleurs, le matériau diélectrique 56 est également interposé entre une face latérale de l'électrode 52 et une paroi du cadre métallique 14 parallèle au substrat 12. Ainsi, l'électrode 52 est fixée à un montant du cadre 14, s'étendant selon la normale au substrat 12 mais est espacée d'un montant du cadre 14 parallèle à ce substrat 12.

Une continuité de matière à travers le condensateur 5 est ainsi obtenue perpendiculairement au substrat 1 1 et 12, par exemple à travers :

-un axe traversant du matériau diélectrique 56, le prolongement 521 , le matériau diélectrique 54, le corps 53, le matériau diélectrique 55, le prolongement 51 1 puis du matériau diélectrique 56 ;

-un axe traversant du matériau diélectrique 56, le prolongement 521 , le matériau diélectrique 54, l'électrode 51 et une paroi du cadre 13 ;

-un axe traversant une paroi du cadre 14, l'électrode 52, le matériau diélectrique 55, le prolongement 51 1 puis du matériau diélectrique 56.

Le matériau diélectrique 56 est par exemple un matériau diélectrique de remplissage entre les substrats 1 1 et 12. Le condensateur 5 forme donc ici une entretoise entre les substrats 1 1 et 12, participant à la résistance en compression entre ces substrats 1 1 et 12 selon leur direction perpendiculaire.

Avec un gel diélectrique en silicone d'encapsulation tel que celui commercialisé par la société Quantum silicones sous la référence commerciale Qsil550, une épaisseur de 57μηη est suffisante entre un substrat et une électrode du condensateur 5 pour résister à une tension de claquage de 1000V. On peut choisir un matériau diélectrique de remplissage soit rigide à température ambiante (pour garantir une tenue mécanique des matériaux diélectriques 54 et 55), soit compressible si l'on souhaite conférer une certaine flexibilité à la structure.

On peut citer un certain nombre de matériaux diélectriques et leurs propriétés en vue de réaliser les matériaux diélectriques 54 et 55 (ou 56 pour la variante précédente). Le choix des matériaux pourra également être réalisé en fonction du comportement en température du matériau, en fonction des applications visées pour le condensateur 5.

La figure 5 est une vue en coupe transversale d'un exemple d'un module électrique tridimensionnel 1 selon une autre variante. Cette variante diffère de celle de la figure 4 uniquement par les caractéristiques suivantes :

-l'électrode 51 est plaquée contre la paroi du cadre métallique 13 parallèle au substrat 1 1 ;

-aucun matériau diélectrique 56 n'est interposé entre l'électrode 51 et le cadre métallique 13 ;

-l'électrode 52 est plaquée contre la paroi du cadre métallique 14 parallèle au substrat 12 ;

-aucun matériau diélectrique 56 n'est interposé entre l'électrode 52 et le cadre métallique 14.