Semi-conducteurs

Semi-conducteurs – Technologie des substrats métalliques isolés et des modules d'alimentation intelligents

Dans des applications nécessitant la dissipation de températures élevées au niveau du circuit imprimé, la technologie des substrats métalliques isolés [Insulated Metal Substrate (IMS)] fait partie des solutions les plus répandues pour bénéficier d'un refroidissement extrêmement efficace. Comme le métal de base des circuits imprimés IMS est l'aluminium, ils sont la solution idéale pour bénéficier d'une bonne gestion thermique. La technologie IMS est très utilisée dans les modules d'alimentation et les applications LED à haute intensité.

 

Technologie des substrats métalliques isolés

ON Semiconductor est une entreprise leader dans le domaine des systèmes d'alimentation électroniques avec une excellente réputation pour la performance et la fiabilité de ses produits. En 1969, cette entreprise a développé sa première technologie des substrats métalliques isolés (IMST®), qui permet d'assembler des composants actifs et passifs et des circuits imprimés pour créer des circuits électroniques sur des plaques d'aluminium offrant une conductivité thermique élevée répondant aux exigences de nombreuses applications, telles que les unités d'alimentation, les systèmes de commande et les périphériques. ON Semiconductor utilise la technologie IMST pour fabriquer sa gamme Intelligent Power Modules (IPM). La figure 1 présente la composition IMST.

 

Figure 1 – Composition utilisée pour la technologie IMST

La technologie IMST utilise un substrat en aluminium à haute conductivité thermique, recouvert d'une couche d'isolant et une feuille de cuivre assurant le routage électrique. Cette technologie se caractérise par l'absence de couches céramiques qui sont normalement utilisées comme matériau isolant ou substrat mécanique. Elle offre donc une mise à la terre largement plus efficace que les solutions hybrides céramiques. L'IMST est aussi extrêmement efficace contre les interférences électromagnétiques ou autres problèmes de compatibilité électromagnétique, générés par la capacitance distribuée depuis la résine isolante entre le substrat aluminium et l'arrangement de la feuille de cuivre. En outre, cette technologie améliore la résistance aux contraintes mécaniques et thermiques et apporte un meilleur coefficient thermique pour le silicium.

 

Assemblage

Cependant, les joints soudés peuvent poser des problèmes au niveau de l'interface substrat/ component (passif ou semi-conducteur) des modules IPM. Le fabricant utilise une technique de surmoulage pour renforcer la cohésion mécanique, réduisant le risque de stress mécanique sur le joint soudé, assurant ainsi un plus haut niveau de fiabilité. Pendant le processus IMST, des dispositifs à puces semi-conducteurs, tels que transistors d'alimentation, circuits imprimés, diodes, sont connectés aux arrangements de la feuille de cuivre pour former les circuits avec des fils en aluminium soudés par ultrasons. Cette technique de soudage utilise des fils d'aluminium ayant des diamètres compris entre 30 et 500 µm. Leur taille est déterminée par le courant et leur rôle, par exemple comme fils cavaliers ou de mise à la masse.

 

Figure 2 – Techniques de soudage IMST

 

La technologie IMS permet d'intégrer des dispositifs passifs et actifs (matériaux semi-conducteurs nus ou encapsulés), des circuits ASIC et des capteurs dans un seul module (figure 3). Après le processus de moulage, plusieurs techniques de formage des broches peuvent être utilisées, incluant SIP vertical, SIP plié et DIP.

 

Figure 3 – Intégration de la technologie IMS

 

Marché

D'après une récente étude de marché, les inverseurs de moteur représentent presque 50% du marché des inverseurs, avec des projections de croissance supérieures à 50% pendant les cinq prochaines années. Le marché des drivers de moteur demande des performances et des efficacités toujours supérieures, une meilleure réduction du bruit, une fiabilité accrue. Tous ces facteurs contribuent à renforcer l'utilisation de la technologie IMST. Le marché des modules d'alimentation est représenté dans la figure 4. Le secteur des dispositifs à gap large bande au nitrure de gallium (GaN) ou au carbure de silicium (SiC) représente une faible proportion du marché actuel.

 

Figure 4 – Marché des modules d'alimentation (les technologies utilisées par ON Semiconductor sont indiquées en vert)

 

Conclusions

Leader des composants d'alimentation discrets, ON Semiconductor utilise un haut niveau d'intégration verticale pour fabriquer sa gamme de modules IPM, incluant des composants actifs embarqués, tels que transistors MOSFET/ IGBT d'alimentation, diodes et circuits imprimés, jusqu'aux modules totalement encapsulés. Répondant aux besoins d'applications diverses, incluant produits industriels, gros appareils ménagers, systèmes de commande automobiles, la technologie IPM d'ON Semiconductor est économique et fiable. Elle offre un haut niveau d'efficacité et de faibles émissions de bruit, répondant à une gamme étendue de besoins entre 300 W et 5-6 kW.

La gamme STK des circuits imprimés pour drivers de moteur ON Semiconductor est maintenant distribuée par RS Components.