Le processus de fixation des matrices multiplie par 15 le transfert thermique
En électronique de puissance, la jeune entreprise britannique QPT a mis au point un procédé de fixation des puces qui permet de multiplier par 15 le transfert thermique
Comme les matériaux à large bande passante et les fréquences plus élevées permettent d’atteindre des niveaux de puissance plus importants, la nécessité d’augmenter l’évacuation de la chaleur à travers le boitier devient de plus en plus importante.
Le processus de fixation des puces mis au point par QPT à Cambridge améliore la connexion thermique avec les répartiteurs de chaleur ou les substrats qui sont généralement en nitrure d’aluminium (AlN). L’amélioration du transfert thermique du processus qAttach accroît également la fiabilité, car le processus d’assemblage exerce moins de contraintes sur ces substrats.
QPT a mis au point le processus qAttach pour les transistors en nitrure de gallium (GaN) qu’elle utilise dans sa topologie de commande de moteur électrique à haute fréquence et à haute tension. Les transistors au nitrure de gallium étant désormais conçus pour des tensions plus élevées, mais avec des matrices de taille relativement petite, il y a moins de surface pour évacuer la chaleur. De ce fait, leur puissance est souvent réduite pour éviter la surchauffe, ce qui a posé des problèmes à QGT lors de la mise au point de ses architectures de contrôle développées par l’IA pour les moteurs automobiles et industriels. qAttach ouvre la voie au GaN pour la prochaine génération d’applications à haute puissance et à haute tension.
Cette technologie peut également être utilisée avec des dispositifs en carbure de silicium (SiC).
Réduction importante de l’épaisseur de la barrière thermique
« Le problème de l’approche actuelle en matière de fixation est que la couche de frittage, qui fixe la puce au substrat, a généralement une épaisseur de 30 à 60 microns, ce qui forme une barrière thermique qui empêche le transfert de chaleur hors de la puce », a déclaré Rob Gwynne, directeur de la technologie chez QPT. « Nous utilisons des technologies fiables et bien établies dans d’autres domaines d’une manière novatrice pour nous permettre de créer la couche de fixation qAttach dont l’épaisseur peut être réduite à une fraction de micron. Cette réduction importante de l’épaisseur de la barrière thermique fait que notre solution est jusqu’à dix fois plus efficace pour écarter la chaleur résiduelle de la puce. Au fur et à mesure que nous affinons le processus, nous nous attendons à des taux de transmission thermique encore meilleurs à travers cette couche ».
Avec un répartiteur de chaleur conventionnel, la chaleur de la puce doit traverser l’épaisse couche de frittage pour atteindre le substrat et être dissipée par le dissipateur de chaleur. Dans les boîtiers intégrés, le circuit imprimé est fixé sur le dessus et autour du répartiteur de chaleur, ce qui limite la dissipation de la chaleur.
Un sandwich complexe
La structure de QPT est un sandwich composé d’un dissipateur thermique, d’un substrat, de la couche qAttach, matrice, couche qAttach, d’un substrat et d’un dissipateur thermique, le circuit imprimé encadrant la structure sur les côtés. La couche qAttach étant ultra-mince, la chaleur peut être transférée et évacuée beaucoup plus rapidement. De plus, ce transfert peut désormais s’effectuer par le haut de la puce, ce qui multiplie par 15 le taux total d’évacuation de la chaleur.
Cette technologie présente d’autres améliorations par rapport au processus de frittage actuel. Tout d’abord, le substrat peut être beaucoup plus fin car il n’est pas nécessaire d’appliquer la force importante requise par le frittage. Le substrat plus fin réduit considérablement la résistance thermique, ce qui favorise le transfert de chaleur vers le dissipateur thermique.
Deuxièmement, la pression plus faible requise pour ce processus signifie que les contraintes de fabrication sur les matrices sont moindres. Cela réduit le risque de défaillance des dispositifs, un facteur particulièrement intéressant pour le secteur de l’automobile pour lesquelles la fiabilité est essentielle.
La couche ultramince de qAttach n’est pas une feuille laminaire. Elle possède une géométrie exclusive qui limite l’expansion principalement dans l’axe Z, perpendiculaire à la couche qAttach. Cela signifie qu’il n’y a pas de délamination de la couche de fixation par rapport à la matrice et au substrat, qui constitue un problème majeur avec les méthodes de fixation actuelles. En effet, la feuille continue conventionnelle de l’approche frittée a une dilatation thermique environ sept fois supérieure à celle de la matrice et environ trois fois supérieure à celle du substrat AlN.
Ces différents taux de dilatation créent des contraintes considérables sur la longueur d’une grande matrice de puissance, ce qui peut entraîner la rupture de la structure sous l’effet de la chaleur. Cette délamination est la principale cause de défaillance des boîtiers de puissance. Cette nouvelle approche permet donc d’améliorer la fiabilité du dispositif assemblé.
« qAttach est une solution universelle pour résoudre le problème croissant de l’élimination de la chaleur résiduelle qui, autrement, freinerait le développement de l’électronique de puissance de la prochaine génération », a déclaré M. Gwynne, « La capacité de qAttach à améliorer jusqu’à 15 fois le transfert de chaleur hors de la matrice peut également être utilisée pour résoudre le problème de l’élimination de la chaleur résiduelle de presque tous les autres types de transistors, tels que le SiC, afin de leur permettre de gérer des charges de puissance plus élevées qu’ils ne peuvent le faire actuellement. Quelques grandes multinationales sont déjà intéressées par l’octroi d’une licence pour ce procédé, car elles perçoivent les avantages stratégiques que cette innovation apporterait à leurs lignes de produits.
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