New concepts for the 3D integration and cooling of vertical power semiconductor devices
Nouveaux concepts pour l'intégration 3D et le refroidissement des semi-conducteurs de puissance à structure verticale
Résumé
The power electronics field is struggling for new material, technological and conceptual evolutions. These changes induce breakthrough in the conventional design and fabrication of static power converters with the aim to offer more efficient, reliable and compact solutions in an increasingly demanding techno economical context. This PhD thesis presents the results obtained by analyzing, realizing and characterizing an innovative concept based on vertical voltage terminations that opens the way towards the 3D integration of power devices. Moreover, the proposed concept authorizes the integration of a microchannel cooler directly into the drift region of the power device. Based on the realization of deep trench terminations, a technique initially developed for the microelectronics field, this PhD thesis presents an approach allowing the integration of multiple power devices in the same die, all sharing the same backside electrode. This document also focuses on the DRIM Cooler (Drift Region Integrated Microchannel Cooler) concept that allows the direct cooling of the device through multiple parallel microchannels integrated perpendicular to the plane of the device's PN junction. The analytical analysis is completed with numerous realizations, characterizations and practical implementations of the above mentioned concepts.
L'électronique de puissance est en pleine mutation matérielle, technologique et conceptuelle. Cette évolution bouscule l'approche traditionnelle de la conception et de la fabrication des convertisseurs statiques avec pour objectif de proposer des solutions plus performantes, plus fiables et plus compactes et tout cela dans un contexte technico économique de plus en plus exigeant. Cette thèse analyse et expérimente un concept innovant de terminaisons en tension verticales ouvrant la voie vers l'intégration en 3D des composants de puissance mais également l'intégration, au sein même de la zone active d'un échangeur thermique. En s'appuyant sur la technique de réalisation des tranchées profondes issue de la micro électronique, ce document présente une approche permettant la co-intégration de plusieurs composants de puissance indépendants partageant la même électrode et le même substrat en face arrière. L'autre volet de ce travail de thèse est focalisé sur le concept DRIM Cooler (Drift Region Integrated Microchannel Cooler), un réseau de microcanaux perpendiculaires au plan de jonction du composant de puissance permettant son refroidissement direct. Les analyses numériques sont complétées par de nombreuses réalisations, caractérisations et mises en œuvre des approches précitées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)