Les liaisons frittées puce/substrat sont réalisées à l'aide de particules d'argent spéciales qui, sous certaines conditions, forment des liaisons frittées assurant une connexion fiable entre les pièces. La figure 1 illustre les particules d'argent avant et après le frittage. Il est important de noter que chaque particule est entourée d'une couche d'un matériau spécifique. Le procédé de liaison est simple : il suffit d'un nombre suffisant de particules pour obtenir l'épaisseur souhaitée de la couche de liaison, et d'appliquer la température et la pression appropriées pendant une durée déterminée. On obtient ainsi une liaison très stable. Cependant, ce procédé de base nécessite des améliorations pour une application industrielle.
Ces dernières années, les efforts se sont concentrés sur l'industrialisation de cette technologie. Une pâte a été mise au point pour servir de matériau de départ au frittage. De plus, les outils nécessaires ont été développés pour fritter des substrats céramiques multi-puces (DCB) au format 5" x 7". La presse utilisée pour le frittage a été conçue pour supporter différentes pressions de chargement selon le procédé de frittage.
De plus, le personnel responsable du processus a été formé et des mesures d'amélioration continue ont été mises en œuvre.

 

La résistance de la liaison par contact obtenue grâce à la couche frittée entre les puces et le substrat est exceptionnellement élevée. Les joints frittés présentent une grande résistance aux cycles de charge lors des tests de fiabilité. Un autre avantage de la technologie de frittage réside dans la précision nettement supérieure, de l'ordre de 50 µm, du positionnement des puces par rapport au substrat. À titre de comparaison, la technologie de brasage actuelle n'atteint qu'une précision de positionnement de 400 µm.
L'épaisseur de la couche frittée est quatre à cinq fois inférieure à celle de la couche brasée, et sa conductivité thermique est quatre fois supérieure. De ce fait, le joint fritté présente d'excellentes propriétés thermiques. Les couches frittées offrent également de meilleures performances sous cycles de charge, car le point de fusion de l'argent utilisé pour le frittage est quatre fois supérieur à celui du métal d'apport utilisé pour le brasage (voir tableau 1). La stabilité à haute température du joint fritté indique qu'il ne se détériore pas avec le temps.

Application de la technologie de frittage :
La technologie de frittage est utilisée dans les modules IGBT SKiM®, destinés à des applications de 22 kW à 150 kW. Les modules SKiM® présentent une résistance aux cycles thermiques jusqu’à cinq fois supérieure à celle des modules conventionnels à semelle en cuivre et soudure. Au lieu de souder le substrat céramique, nécessaire à l’isolation du module, à la semelle en cuivre, cette dernière est supprimée grâce à la technologie de contact par pression lors de la fixation du module au dissipateur thermique (voir figure 3). La pression est appliquée en de nombreux points proches de chaque puce, assurant une répartition uniforme sur toute la surface du substrat céramique. L’absence de semelle en cuivre améliore les performances en cyclage thermique et réduit la résistance thermique. La figure 3 illustre une coupe transversale du boîtier du module, le système de contact par pression et les contacts à ressort des connexions de commande.
L’élimination de toutes les connexions soudées fait de la gamme de modules SKiM® le premier module 100 % sans soudure disponible sur le marché. L'association de la technologie de frittage, de la technologie de contact par pression et d'une conception sans soudure de cuivre assure une capacité de cyclage thermique cinq fois supérieure à celle des modules soudés avec semelles en cuivre.

Au cours des 15 dernières années, les températures de fonctionnement admissibles des puces ont progressé de manière constante. Actuellement, les modules intégrant les technologies de puces les plus récentes, telles que l'IGBT4/CAL4, peuvent fonctionner à des températures maximales de 175 °C. À l'avenir, l'utilisation du carbure de silicium posera des défis majeurs pour l'obtention de jonctions stables et résistantes aux cycles thermiques, car la température de fonctionnement des composants à base de carbure de silicium peut atteindre 300 °C.
C'est pourquoi la technologie de frittage développée par Semikron est parfaitement adaptée à ces hautes températures de fonctionnement. En effet, le point de fusion de la jonction frittée est de 961 °C, soit environ 740 °C de plus que celui de la jonction soudée couramment utilisée aujourd'hui.
Cette stabilité de la jonction à haute température prévient toute dégradation. Divers tests de fiabilité et de durée de vie ont démontré la robustesse de la jonction frittée.
Les domaines d'application des semi-conducteurs de puissance ont considérablement évolué. Auparavant, les modules semi-conducteurs étaient uniquement utilisés dans des endroits accessibles, montés à l'intérieur d'armoires à environnement contrôlé.

 

 

Aujourd'hui, les modules semi-conducteurs sont utilisés dans des applications mobiles, par exemple dans des véhicules soumis à des conditions environnementales extrêmes, avec des températures dépassant 110 °C, etc. Le défi actuel consiste à garantir le fonctionnement fiable du module semi-conducteur dans ces conditions difficiles.

 

 

 

 

 

L'avenir du frittage :
La technologie de frittage développée par SEMIKRON est une technologie clé qui permet la fabrication de modules de puissance plus performants et plus fiables, dotés d'une durée de vie prolongée. Les mêmes principes appliqués à la fabrication du module SKiM – suppression de la semelle en cuivre, système de contact par pression et technologie de frittage – ont été mis en œuvre pour le développement du module de puissance intelligent SKiiP de 4e génération, utilisé dans la production d'énergie éolienne et solaire, la traction routière, les métros et d'autres applications.

Les avantages de la technologie de frittage s'appliquent également à la 4e génération de SKiiP : une capacité de cyclage thermique cinq fois supérieure à celle des modules conventionnels, une liaison stable entre la puce et le substrat céramique et une capacité de cycle de charge deux fois supérieure à celle des modules standard.