Presentation These

1. Thèse de doctorat: Nouvelles fonctions interrupteur intégrées pour la conversion d’énergie Christian Caramel Sous la Direction de MM P.Austin et J-L. Sanchez L.A.A.S (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes) Equipe I.S.G.E (Intégration de Systèmes de Gestion de l’Energie) 27 avril 2007

4. Diminution de coût de fabrication

5. Maîtrise de la dispersion des caractéristiques

6. Multiplication des fonctions et nouvelles fonctionnalités

7. Amélioration de la fiabilité des systèmes

8. Protection contre les courts-circuits

9. Amélioration des performances des systèmes

11. 27/04/2007 Thèse Contexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusion Plan L’intégration au service de la fiabilité Courts-circuits en électronique de puissance Modes et types Principes de détection Capteur de Tension d’Anode Structure de protection contre les C.C Topologie et fonctionnement Validation par simulation 2D Résultats expérimentaux Problématique d’intégration monolithique L’intégration au service des performances Compromis pertes en conduction, pertes en commutation Architecture faibles pertes / Bi-IGBT Topologie et fonctionnement Structure discrète, validation intérêt Simulation 2D, validation du concept Réalisation technologique Conclusions et perspectives

12. 27/04/2007 Thèse Contexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéintégration et performancesConclusion Eléments de contexte Courts-circuits en E.P Capteur de Tension d’Anode Structure de protection contre les courts-circuits Première partie: Intégrer pour améliorer la fiabilité: Structure de protection des IGBTs contre les courts-circuits

14. Modes et types

15. Défaillance de l’interrupteur

18. Type 2: Lorsque l’interrupteur de puissance est en conduction

20. Modes et types

23. Nombreuses défaillancesVAK temps

25. Modes et types

29. Comportement statique

30. Comportement dynamique

32. Intégration aisée dans un processus d’IGBT

33. Tenue en tension identique à celle du composant de puissanceVA

42. Réponse quasi-instantanée

43. Régime permanent en 50µs

44. Charge capacitive de 0.5pF

45. 90% de la charge en 0.2µs

46. Charge totale en 1µs Compatible avec la commande de grille de MOS

50. Réalisation technologiqueLe capteur de tension d’anode:réalisation technologique   600µm 600µm

52. Validation par simulations 2D

53. Réalisation technologique

54. Intégration monolithiqueDélai La structure de protection contre les courts-circuits: topologie - fonctionnement Protection efficace pour les deux types de court-circuit

58. Intégration monolithiqueValidation de la structure par simulation 2D(I.S.E T.C.A.D)

66. Intégration monolithiqueTenue en tension des transistors MOSdouble diffusés Caractérisation EMMI Écart simulation - mesure 100%  BV insuffisant pour la structure de protection

70. Intégration monolithiqueAmélioration de la tenue en tension des transistors MOS BV max atteint ≈ 25V  Solution non adaptée

75. Compromis VON/RON amélioré

76. Compatible auto alignement

77. Pas d’étape technologique en plusSolution retenue

81. Intégration monolithiquePolarisation du contact source-substrat du MOS de délai - influence de la diode Zener  Polarisation du MOS de coupure  Tension de grille du l’IGBT Diode Zener Z=0.4mm nécessaire

85. Intégration monolithiqueValidation par simulations 2DMixed mode ISE-TCAD

89. Intégration monolithiqueValidation par simulations 2D  Protection CC type 1  Protection CC type 2

94. VBR≈ 35V

99. VBR≈ 320V

103. Intégration monolithiqueIntégration monolithique de la structure de protection: problématique VCommande courant entre les drains des deux LDMOS VAnode courant vers drain MOS de coupure  Nécessité d’isolation HV-LV et LV-LV

108. Tranchées 20µm

109. Saturation en P+

110. Redistribution

111. Gravure face arrière en fin de process

112. S.O.I partiel

113. Motifs S.O.I en utilisant le procédé LEGO

114. Isolations par jonctions ou par tranchées

115. Murs traversants dopés P+

116. Tranchées traversantes

117. Saturation en P+

118. Redistribution

119. Passivation face arrière

120. 3 techniques déjà éprouvées pour la réalisation de dispositifs de puissance

121. Compatibilité avec la filière spécifique développée au LAAS

134. Pic de VG ~ 12V

135. Pic IA ~ 10A

136. Effective en 0,8μs

137. S.O.I

138. Pic de VG ~13,5V

139. Pic IA ~ 14A

144. Pic de IA < 4,9A

145. Tension de grille chute en 0,1μs 3 techniques efficaces pour les deux types de CC

151. Etape lourde en fin de process

152. Exploiter? 

153. 27/04/2007 Thèse Contexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéIntégration et performancesConclusion Plan: Intégration au service de la fiabilité Courts-circuits en électronique de puissance Modes et types Principes de détection Capteur de Tension d’Anode Structure de protection contre les C.C Topologie et fonctionnement Validation par simulation 2D Résultats expérimentaux Problématique d’intégration monolithique Intégration au service des performances Compromis pertes en conduction, pertes en commutation Architecture faibles pertes / Bi-IGBT Topologie et fonctionnement Structure discrète, validation intérêt Simulation 2D, validation du concept Réalisation technologique Conclusions et perspectives

154. 27/04/2007 Thèse Contexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéIntégration et performancesConclusion Deuxième partie: Intégrer pour améliorer les performances

156. Validation intérêt

157. Simulation 2D, validation concept

158. Réalisation technologiqueCompromis pertes en conduction / pertes en commutation (composants bipolaires) Pertes 1 cycle conduction commutation  VON  EOFF   Q Base  Q Base Association // deux IGBTs

163. EOFF élevé

164. IGBT rapide

165. VON élevé

166. EOFF faibleIGBT lent  conduction IGBT rapide  commutation

171. IGBT lent bloqué & IGBT rapide conduit IGBT lent et rapide bloqués   

176. 1 lent

177. 2 lents avec double commande

178. 2 rapides avec double commande

187. Substrat 300m

188. Anode lent « classique »

189. Anode rapide « semi-transparente »

194. Caractéristiques statiques au traceur de puissance

199. Evolution du VON

200. Différences des courants de queueLent ON Rap. OFF Lent OFF Rap. ON Lent OFF Rap. OFF Charge stockée -30%  validation de la fonctionnalité

201. 27/04/2007 Thèse Contexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéIntégration et performancesConclusion Plan: Intégration au service de la fiabilité Courts-circuits en électronique de puissance Modes et types Principes de détection Capteur de Tension d’Anode Structure de protection contre les C.C Topologie et fonctionnement Validation par simulation 2D Problématique d’intégration monolithique Validation expérimentale Intégration au service des performances Compromis pertes en conduction, pertes en commutation Architecture faibles pertes / Bi-IGBT Topologie et fonctionnement Structure discrète, validation intérêt Simulation 2D, validation du concept Réalisation technologique Conclusions et perspectives

202. 27/04/2007 Thèse Contexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéIntégration et performancesConclusion Conclusions Perspectives Conclusion Structure de protection contre les courts-circuits Conception détaillée Fonctionnalité et efficacité démontrée par simulation 2D Nécessité d’isolation LV-LV exposée Solutions d’isolations proposées et comparées par simulation 2D Validation technologique de ses composants présentée Architecture faibles pertes Gain en performance démontré par simulation analytique Réalisation technologique présentée Fonctionnalité validée par caractérisation électriques Analyse du fonctionnement par simulation 2D

203. 27/04/2007 Thèse Contexte des travauxPlanIntégration et fiabilitéIntégration et performancesConclusion Conclusion Perspectives Perspectives Protection contre les courts-circuits Notre structure Pallier à la lourdeur technologique ajoutée Réalisation technologique intégrée avec isolations Thèse Julie Le GAL Plus généralement Associer auto-alimentation et protection Combiner différentes protections, associer des composants logiques Architecture faibles pertes Poursuivre simulations 2D à grande échelle pour mieux quantifier les interactions Lent - Rapide Réaliser une structure permettant une validation fort courant Réaliser une commande simplifiée

204. 27/04/2007 Thèse Merci de votre attention

205. 27/04/2007 Thèse  Tension VGK  Fuite mise en évidence par EMMI

206. 27/04/2007 Thèse Analyse des fuites en fonction de la localisation sur la plaquette

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