Brevet FR3053833A1 — publié le 20180112

CIRCUIT INTEGRE COMPRENANT UNE PUCE FORMEE D'UN TRANSISTOR A HAUTE TENSION ET COMPRENANT UNE PUCE FORMEE D'UN TRANSISTOR A BASSE TENSION DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un circuit intégré comprenant une puce formée d'un transistor à haute tension et comprenant une puce formée d'un transistor à basse tension. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Les transistors HEMT (transistors à haute mobilité électronique) élaborés sur des matériaux semi-conducteurs III- N sont classiquement « normally on », c'est-à-dire qu'ils présentent une tension de seuil négative et peuvent conduire le courant avec une tension entre la grille et la source de OV. Ces composants avec tensions de seuil négatives sont appelés composants en mode déplétion (« depletion mode » ou « D-mode » selon la terminologie anglo-saxonne). Il est préférable pour les applications d'électronique de puissance d'avoir des composants dits « normally off », c'est-à-dire présentant une tension de seuil positive qui ne peuvent donc pas conduire le courant lorsque la tension de grille est à 0 V. Ces composants sont communément appelés composants en mode enrichissement(«E-mode»). La fabrication de composants à haute tension sur matériaux 30 semi-conducteurs III-N en E-mode s'avère complexe et ces composants présentent souvent des performances intrinsèques moindre que les composants similaires en D-mode. Une alternative à un composant E-mode haute tension simple 35 est de combiner un composant D-mode à haute tension, tel qu'un transistor HEMT D-mode élaboré sur matériaux semi-conducteurs III-N, avec un composant E-mode basse tension, tel qu'un transistor MOSFET (Transistor métal/oxyde/semi-conducteur à 3053833 2 effet de champ) E-mode élaboré sur silicium. Deux puces 1,2 comprenant respectivement les composants HEMT et MOSFET sont alors associées pour former un circuit intégré hybride 3, par exemple un circuit intégré de commutation. 5 La figure la représente le schéma de principe d'un circuit hybride dit « en cascode » associant les composants HEMT et MOSFET. Un circuit intégré 3 mettant en oeuvre cette première configuration est représenté sur la figure lb. Le drain 21 et 10 la source 22 d'une puce MOSFET E-mode 2 sont respectivement connectés à la source 12 et à la grille 13 d'une puce HEMT D-mode 1. Cette connexion électrique se fait dans le boitier 4 du circuit intégré 3 comprenant les deux puces électroniques 1,2, habituellement par connexion filaire 5 (« wire bonding » 15 selon la terminologie anglo-saxonne) entre les plots de contact de grille 13,23, de source 12,22 et de drain 11,21 accessibles sur chacune des puces 1,2. Dans le circuit intégré cascode 3, la grille 23 de la puce MOSFET 2 contrôle la mise en mode passant ou bloquant du circuit intégré 3. 20 Le plot de contact de grille 23 de la puce MOSFET 2 est connecté dans le boitier 4 du circuit intégré 3 à une broche de grille 33. Le plot de contact de source 22 de la puce MOSFET 2 est connecté dans le boitier 4 à une broche de source 25 32. Enfin, le plot de contact de drain de la puce HEMT 1 est connecté, toujours dans le boitier 4, à une broche de drain 31. Les trois broches 31,32,33 constituent les connexions électriques du circuit intégré 3 à l'extérieur du boitier 4. La figure le représente le schéma de principe d'un circuit hybride dit « en double commande » associant les composants HEMT et MOSFET. Un circuit intégré 3 mettant en oeuvre cette deuxième configuration est représenté sur la figure ld. Selon cette configuration alternative, les puces 1,2 comprenant respectivement les composants HEMT et MOSFET sont simplement connectés en série, le drain 21 de la puce MOSFET E-mode 2 étant connectée à la source 12 de la puce HEMT D-mode 1. Dans cette configuration, le boitier 4 du circuit intégré 3 dispose 3053833 3 d'une broche de grille additionnelle 34, électriquement reliée au plot de contact de grille 13 de la puce HEMT D-mode 1 afin de permettre la commande directe de ce transistor. 5 Pour un exposé détaillé des principes de fonctionnement d'un circuit « cascode » ou d'un circuit « en double commande », on pourra se référer au document « A dual-mode Driver IC with Monolithic Negative Drive-Voltage Capability and Digital Current-Mode Controller for Depletion-Mode GaN 10 HEMT », Yue Wen et Al, IEEE Transaction on Power Electronic, Issue 99, 1996. Quel que soit la configuration choisie, le circuit intégré 3 est destiné à être placé sur un circuit imprimé 6 pour son 15 interconnexion à d'autres composants. Comme cela est bien connu en soit, par exemple de US92683512 ou de US8624662, il est usuel de placer, dans le circuit intégré 3, des composants additionnels, tels que des 20 résistances ou des capacités, pour former un dispositif de protection. Ce dispositif de protection a pour fonction de mettre sous contrôle, notamment lors des phases transitoires de commutation, la tension (ou le courant) pouvant se développer (ou circuler) dans certains noeuds du circuit 25 hybride. La nature du dispositif de protection peut être dépendant de l'application envisagée (par exemple de la fréquence envisagée de commutation, de l'amplitude de la tension à 30 commuter, etc), ou de la nature des autres composants avec lesquels le circuit intégré 3 peut être relié sur le circuit imprimé. Les circuits intégrés de l'état de la technique mettant en 35 oeuvre un circuit hybride n'offrent pas la possibilité d'ajuster la configuration du dispositif de protection qui sont préalablement prévus par le constructeur. 3053833 4 De plus, on pourrait souhaiter disposer d'un circuit intégré comprenant un composant E mode haute tension est un composant D mode basses tension, qui puisse être utilisé, selon le besoin, dans une configuration « cascode » ou dans 5 une configuration « en double commande ». OBJET DE L'INVENTION 10 La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients précités. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION 15 En vue de la réalisation de l'un de ces buts, l'objet de l'invention propose un circuit intégré comprenant un boîtier et une pluralité de broches de connexion, une première puce comprenant un transistor à haute tension en mode 20 déplétion et une deuxième puce comprenant un transistor à basse tension en mode enrichissement, la première et la seconde puce comportant respectivement des plots de contact de grille, de drain et de source ; le plot de contact de source du transistor à haute tension étant relié électriquement au 25 plot de contact de drain du transistor à basse tension pour former ainsi un noeud milieu du circuit. Le circuit intégré est remarquable en ce qu'il comprend une broche de point milieu électriquement reliée au 30 noeud milieu du circuit. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable : 35 - le circuit intégré comporte de plus une broche de drain électriquement relié au plot de contact de drain d'un transistor à haute tension ; une broche de source 3053833 5 électriquement reliée au plot de contact de source du transistor à basse tension ; une broche de grille électriquement reliée au plot de contact de grille du transistor à basse tension ; 5 - le circuit intégré comprend de plus une première broche kelvin électriquement reliée au plot de contact de sources du transistor à basse tension ; 10 - la première broche kelvin est adjacente à la broche de grille ou à la broche de point milieu ; - le circuit intégré comprend de plus une seconde broche kelvin électriquement reliée au plot de contact de source 15 du transistor à basse tension ; - la première broche kelvin est adjacente à la broche de grille et la seconde branche kelvin est adjacente à la broche de point milieu ; 20 - la broche de point milieu est adjacente à la broche de source ; - le plot de contact de source du transistor basse tension 25 est électriquement relié au plot de contact de grille du transistor haute tension ; - le circuit intégré comprend une seconde broche de grille électriquement reliée au plot de contact de grille du 30 transistor haute tension ; - la seconde broche de grille est adjacente à la broche de point milieu ; 35 - les liaisons électriques sont constituées de connexions filaires ; 3053833 6 - les liaisons électriques comprennent des éléments passifs. 5 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels : 10 Les figures la et lb représentent respectivement un schéma de principe et un circuit intégré d'un circuit cascode de l'état de la technique ; 15 les figures le et ld représentent respectivement un schéma de principe et un circuit intégré d'un circuit « en double commande » de l'état de la technique; 20 les figures 2a et 2b représentent respectivement un premier schéma de principe et un premier circuit intégré conforme à l'invention ; les figures 3a et 3b représentent respectivement 25 un deuxième schéma de principe et un deuxième circuit intégré conforme à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 30 Les figures ont un rôle illustratif uniquement et ne représentent pas les éléments à l'échelle. Par ailleurs, une même référence pourra être utilisée pour des éléments identiques ou remplissant les mêmes fonctions dans les 35 différents modes de réalisation de l'invention ou dans l'état de la technique. 3053833 7 La figure 2a représente un schéma de principe d'un circuit intégré 3 conforme à l'invention. À l'intérieur d'un boîtier 4, représenté par les traits pointillés sur la figure 2a, un transistor haute tension en mode déplétion 1 (qui sera 5 désigné par l'expression « transistor haute tension » dans la suite de cette description) et un transistor basse tension en mode enrichissement 2 (qui sera désigné par l'expression « transistor basse tension » dans la suite de cette description) sont connectés l'un à l'autre en configuration 10 cascode. Plus précisément, la source 12 du transistor haute tension 1 est électriquement connecté au drain 21 du transistor basse tension 2. Cette connexion définit un noeud milieu du circuit. La grille 13 du transistor haute tension 1 est électriquement reliée à la source 22 du transistor basse 15 tension 2. Une pluralité de noeuds du circuit sont rendus accessibles à l'extérieur du boîtier 4 par l'intermédiaire de broches afin de pouvoir relier électriquement ce circuit à 20 d'autres circuits. On désignera par « broche », dans la suite de cette description, tout élément du circuit intégré 3 émergeant du boîtier 4 et permettant de donner un accès électrique à l'un 25 des noeuds du circuit 3. Il peut ainsi s'agir d'un élément conducteur saillant du boîtier 4 ou d'une simple surface de contact disposée sur l'une des faces du boîtier 4. Comme cela est représenté sur le schéma de principe de 30 la figure 2a, le circuit 3 comportent une broche de grille 33, une broche de source 32, respectivement électriquement connectées à la grille 23 et à la source 22 du transistor basse tension 2. Ce circuit comporte également une broche de drain 31 électriquement connectée au drain 11 du transistor 35 haute tension 1. 3053833 8 Conformément à l'invention, le circuit 3 comporte également une broche de point milieu 35 permettant de donner un accès électrique au noeud milieu du circuit 3. 5 Le circuit 3 de la figure 2a peut être utilisé comme commutateur de puissance. À cet effet, la broche de source 32 est reliée à une masse électrique, la broche de drain 31 est reliée à une charge. La commutation du circuit 3 est commandée par un signal de commande appliqué sur la broche de grille 33. 10 Lorsque le signal de commande présente une tension nulle, le circuit 3 est bloquant. Lorsque le signal de commande présente une tension positive (typiquement de quelques volts) le circuit 3 est passant. Plusieurs ampères peuvent alors circuler entre la broche de drain 31 et la broches de source 15 32 du circuit 3. Comme cela a été préalablement évoqué dans l'introduction de cette demande, la commutation du circuit 3 entre un état passant et un état bloquant (ou inversement 20 entre un état bloquant et un état passant) peut conduire à l'apparition de courants ou de tensions non contrôlé dans le circuit, notamment au noeud milieu. Ces tensions ou ces courants transitoires peuvent endommager les transistors haute tension 1 et basse tension 2 s'ils dépassent des seuils 25 prédéfinis. Afin de se prémunir de ces phénomènes, l'invention permet de placer, en dehors du boitier 4, un circuit de contre-mesures entre la broche de point milieu 35 et la broche 30 de source 32. Il peut par exemple s'agir d'un circuit comprenant une résistance, éventuellement complétée d'une capacité parallèle, disposé entre les broches précitées 35, 32. Le circuit de contre-mesures permet notamment de limiter la tension transitoire se développant au noeud milieu, et de 35 dériver le courant statique ou transitoire excessif qui pourrait circuler dans le transistor basse tension 2 pendant ces phases de commutation. 3053833 9 Lorsque la fréquence de commutation du signal de commande est importante, par exemple supérieure à 300 kHz ou 500 kHz, les liaisons électriques internes du circuit (par exemple les liaisons électriques reliant les électrodes des 5 transistors haute et basse tension 1,2 aux broches du boîtier 4) peuvent présenter un comportement inductif. Les variations brusques du courant circulant dans ces liaisons conduisent à la génération d'une tension transitoires importante à leurs bornes. C'est notamment le cas pour la liaison reliant la 10 source 22 du transistor basse tension 2 et la broche de source 31 du circuit. Afin d'éviter d'injecter ces courants et tensions transitoires du côté du circuit de commande, qui peut être relié aux broches de grille 33 et de source 32, ou du côté du circuit de contre-mesures qui peut être relié aux 15 broches de point milieu 35 et de source 32, le circuit prévoit une première broche kelvin 36 électriquement reliée à la source 22 du transistor basse tension 2 par une connexion kelvin. 20 Comme cela est bien connu en soi, une connexion kelvin, ou connexion de détection de tension, est destinée à être reliée à un circuit présentant une très forte impédance en régime établi, si bien que le courant circulant à travers cette connexion est extrêmement faible. Sur la broche kelvin 25 36 du boitier 4, on dispose donc d'une mesure de la tension présente au niveau de la source 22 du transistor basse tension 2. Le courant circulant dans la liaison reliant la source 22 à la broche kelvin 36 étant très faible, la mesure de tension n'est pas perturbée par des tensions inductives. 30 La broche kelvin 36 peut être connectée à un circuit de commande externe au boitier, le circuit de commande étant lui-même connecté à la broche de grille 31. Alternativement ou en complément, la broche kelvin 36 peut être connectée au circuit 35 de contre-mesures externe au boitier, le circuit de contre mesure étant lui-même connecté à la broche de point milieu 35. 3053833 10 Afin de permettre un montage aisé du circuit intégré 3 sur un circuit imprimé et faciliter la configuration des pistes conductrice sur ce circuit, on peut choisir de disposer, sur le boîtier 4, la première broche kelvins 36 5 adjacente à la broche de grille 33 (comme cela est représenté sur la figure 2a) ou adjacente à la broche de point milieu 35. Avantageusement, on peut munir le circuit 3 d'une première broche kelvins 36 et d'une seconde broche kelvins 10 36', de constitutions similaires. On peut dans ce cas disposer, sur le boîtier 4, la première broche kelvins 36 adjacent à la broche de grille 33 et la seconde broche kelvin 36' adjacente à la broche de point milieu 35. 15 La figure 2b présente un mode de réalisation, sous la forme d'un circuit intégré 3, du circuit schématique représenté sur la figure 2a. Le circuit intégré 3 comportent un boîtier 4, une 20 première puce 1 comprenant un transistor haute tension en mode déplétion et une deuxième puce 2 comprenant un transistor à basse tension en mode enrichissement. La première et la seconde puce 1, 2 comportent respectivement des plots de contact de grille 13, 23, des plots de contact de drain 11, 21 25 et des plots de contact de source 12, 22. Avantageusement, le transistor haute tension est un transistor HEMT élaboré sur matériaux semi-conducteurs III-N et le transistor basse tension est un transistor MOSFET (Transistor métal/oxyde/semiconducteur à effet de champ) élaboré sur silicium. 30 Les plots de contact de drain 11, 21 de la première puce et de la deuxième puce 1, 2 sont respectivement connectés à des plaques de contact 311a, 311b soit par une connexion filaire (comme représenté sur la figure 2b), soit par une 35 connexion verticale présentant un contact de drain au niveau de la face arrière de la première et/ou de la seconde puce 1, 2 en contact avec les plaques 311a, 311b. 3053833 11 La plaque de contact 311b forme une borne électrique à laquelle le plot de contact de la source 12 de la première puce 1 est électriquement relié, et constitue le point milieu du circuit 3. La plaque de contact 311b est électriquement 5 connectée à la broche de point milieu 35 du circuit intégré 3. La deuxième plaque de contact 311a est quant à elle électriquement connectée à (ou constitue) la broche de drain 31 du circuit intégré 3. 10 Le plot de contact de grille 13 de la première puce 1 est connectée au plot de contact de source 22 de la deuxième puce 2. On forme de la sorte un circuit cascode. Ces plots de contacts 13, 22 sont eux même reliés à la broche de source 32. 15 La broche de grille 33 du circuit 3 est connectée au plot de contact de grille 23 de la deuxième puce 2. Optionnellement, le boîtier 4 du circuit intégré 3 peut comprendre une première et une seconde broche kelvin 36, 36'. 20 La première broche kelvin 36, et lorsqu'elle est présente la seconde broche kelvin 36', est reliée électriquement au plot de contact de source 22 du transistor à basse tension formé sur la deuxième puce 2. 25 Comme on l'a vu précédemment, la première broche kelvin 36 peut-être disposée, sur le boitier 4, adjacente à la broche de grille 33 ou à la broche de point milieu 35. Lorsque deux broches kelvin 36, 36' sont prévues, l'une peut être disposée adjacente à la broche de grille 33 et l'autre adjacente à la 30 broche de point milieu 35. Par ailleurs, la broche de point milieu 35 peut-être disposée adjacente à la broche de source 32. 35 Comme cela est représenté sur la figure 2b, les connexions ou liaisons électriques sont formées (ou comprennent) de connexions filaires 5. Bien que cela ne soit pas représenté sur les figures, ces liaisons ou connexions 3053833 12 électriques peuvent également comprendre des éléments passifs, tels que des résistances ou des diodes, qui peuvent être par exemple être intégrés dans l'une des première et deuxième puces ou sur une puce complémentaire placée dans le boîtier. Le boîtier 4 peut également comprendre des circuits additionnels intégrés à l'une des puces 1 ou 2, ou dans la puce complémentaire. Il peut s'agir par exemple d'un circuit de commande de la grille. La figure 3a représente un autre schéma de principe d'un circuit 3 conforme à l'invention. 15 Contrairement au schéma de principe du circuit intégré 3 de la figure 2a, la source 22 du transistor basse tension 2 n'est pas électriquement reliée à la grille 13 du transistor haute tension 1 à l'intérieur du boîtier 4. La grille 13 du transistor haute tension 1 est, par contre, électriquement 20 connectée à une seconde broche de grille 37 du boîtier 4. Les autres éléments du circuit 3 sur cette figure 3a sont identiques à celles du circuit de la figure 2a, et leur description sera donc omise par souci de concision. 25 Le circuit 3 de la figure 3a peut être utilisé pour former un circuit cascade. Il suffit pour cela de connecter, à l'extérieur du boîtier 4, par exemple par l'intermédiaire d'une piste conductrice d'un circuit imprimé sur lequel le 30 circuit 3 est disposé, la broche de source 32 à la seconde broche de grille 37. Le circuit 3 de la figure 3b peut être également utilisé en double commande. Dans ce cas, un premier circuit de 35 commande peut être connecté à la première broche de grille 33, et un second circuit de commande (ou une sortie additionnelle du premier circuit de commande) connecté à la seconde broche de grille 37. 5 10 3053833 13 Avantageusement, le circuit de commande associé à la seconde broche de grille 37 est un circuit de commande différentiel, connectée d'une part à la broche de grille 37 et 5 d'autre part à la broche de point milieu 35 du circuit intégré 3. Cette configuration permet d'imposer une tension différentielle entre la grille 13 et la source 12 du transistor haute tension en mode déplétion 1. Une tension différentielle négative permet de bloquer ce transistor, et 10 donc de rendre bloquant le circuit intégré 3. Le circuit de commande associée à la première broche de grille 33 agit dans ce cas comme une commande de sécurité permettant d'assurer le blocage du circuit 3 lors des phases 15 de mise sous tension ou d'extinction du circuit 3 et des circuits périphériques pendant lesquelles l'état bloqué du transistor haute tension ne peut pas être assuré. La figure 3b représente un mode de réalisation, sous la 20 forme d'un circuit intégré 3, du circuit schématique représenté sur la figure 3a. Le circuit intégré 3 dispose d'une deuxième broche de grille 37. Celle-ci est électriquement reliée au plot de 25 contact de grille 13 du transistor haute tension de la première puce 1. Dans le circuit intégré 3 de la figure 3b, le plot de contact de grille 13 du transistor haute tension de la 30 première puce 1 n'est pas électriquement reliée à l'intérieur du boîtier au plot de contact de source 22 de la deuxième puce 2. Les autres éléments et avantages du circuit intégré 3 représenté sur cette figure sont identiques à ceux du circuit intégré de la figure 2b, et leur description sera donc omise 35 par souci de concision. Similairement à ce qui avait été énoncé pour le circuit intégré de la figure 2b, le boîtier 4 peut également 3053833 14 comprendre des circuits ou des composants additionnels. Ceux-ci peuvent être intégrés à la première puce 1 ou à la seconde puce 2, ou être disposés sur une puce complémentaire placée dans le boîtier 4. 5 L'invention propose donc un circuit intégré 3 pouvant avoir une fonction de commutation de puissance et présentant une broche de point milieu 35 donnant accès à un noeud milieu 10 du circuit. Ce circuit intégré 3 présente l'avantage d'être très polyvalent, c'est-à-dire qu'il peut se combiner avec d'autres circuits (de commandes ou de contre-mesures) pour une large gamme d'application, l'accès aux noeud milieu permettant de configurer ces circuits additionnels aux particularités 15 (fréquence, amplitude des signaux, phases transitoires,...) de l'application. REVENDICATIONS1. Circuit intégré (3) comprenant un boîtier (4) et une pluralité de broches de connexion, une première puce (1) mode un la des et du comprenant un déplétion et une transistor à basse en deuxième puce (2) comprenant tension en mode enrichissement, transistor à haute tension première et la seconde puce comportant respectivement plots de contact de grille (13, 23) , de drain (11, 21) de source (12, 22) ; le plot de contact de source (12) transistor à haute tension étant relié électriquement au plot de contact de drain (21) du transistor à basse tension pour former ainsi un noeud milieu du circuit, le circuit intégré étant caractérisé en ce qu'il comprend une broche de point milieu (35) électriquement reliée au noeud milieu du circuit. 2. Circuit intégré (3) selon la revendication 1 comportant de plus une broche de drain (31) électriquement relié au plot de contact de drain (11) d'un transistor à haute tension ; une broche de source (32) électriquement reliée au plot de contact de source (22) du transistor à basse tension ; une broche de grille (33) électriquement reliée au plot de contact de grille (23) du transistor à basse tension. 3. Circuit intégré (3) selon l'une des revendications précédentes comprenant de plus une première broche kelvin (36) électriquement reliée au plot de contact de sources (22) du transistor à basse tension. 4. Circuit intégré (3) selon la revendication précédente dans lequel la première broche kelvin (36) est adjacente à la broche de grille (33). 5. Un circuit intégré (3) selon la revendication 4 dans lequel la première broche kelvin (36) est adjacente à la broche de point milieu (35). 3053833 16 6. Circuit intégré (3) selon la revendication 3 comprenant de plus une seconde broche kelvin (36') électriquement reliée au plot de contact de source (22) du transistor à 5 basse tension. 7. Circuit intégré selon la revendication précédente dans lequel la première broche kelvin (36) est adjacente à la broche de grille (33) et la seconde branche kelvin (36') 10 est adjacente à la broche de point milieu (35). 8. Circuit intégré (3) selon l'une des revendications précédentes dans lequel la broche de point milieu (35) est adjacente à la broche de source (32). 9. Circuit intégré (3) selon la revendication précédente dans lesquelles le plot de contact de source (22) du transistor basse tension est électriquement relié au plot de contact de grille (13) du transistor haute tension. 10. Circuit intégré (3) selon l'une des revendications précédentes comprenant une seconde broche de grille (37) électriquement reliée au plot de contact de grille (13) du transistor haute tension. 11. Circuit intégré (3) selon la revendication précédente dans lequel la seconde broche de grille (37) est adjacente à la broche de point milieu (35). 30 12. Circuit intégré (3) selon la revendication précédente dans lequel des liaisons électriques sont constituées de connexions filaires (5). 13. Circuit intégré (3) selon l'une des revendications 1 35 à 11 dans lequel les liaisons électriques comprennent des éléments passifs. 15 20 25