Brevet FR3084964A1 — publié le 20200214

Dispositif électronique présentant une isolation électrique multicouche, et procédé de fabrication correspondant. 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de l'isolation électrique des dispositifs électroniques à base de semi-conducteurs. Plus précisément, l'invention concerne un système d'isolation électrique multicouche de tels dispositifs électroniques, qui trouve notamment des applications avantageuses dans le domaine de l'électronique de puissance. 2. Art antérieur et ses inconvénients Les modules de puissance, qui intègrent par exemple des transistors bipolaires à grille isolée (ou IGBT pour l'anglais « lnsulated Gate Bipolar Transistor »), fonctionnent classiquement dans une gamme de tension allant de 600 à 6500 V environ, et pour des courants de plus de 1000 A, pouvant aller jusqu'à 2400 A par module. La structure d'un tel module de puissance est illustrée en figure 1. Elle comprend classiquement plusieurs puces 19, généralement brasées (12) sur un substrat en céramique 10, par exemple en nitrure d'aluminium (AIN), recouvert en grande partie d'une couche conductrice métallique 11. Ce substrat 10 repose sur une semelle 13, par laquelle on assure la tenue mécanique et le refroidissement des puces 19. L'ensemble des composants sont encapsulés dans un gel silicone 15, et regroupés dans un boîtier 18, au travers duquel est prévue une connectique de puissance 14. On a constaté, à l'intérieur de tels modules de puissance, des problèmes de renforcement de champ électrique, qui, d'une part, limitent leur développement pour un fonctionnement à plus haute tension, et d'autre part, provoquent leur vieillissement prématuré, en raison notamment de l'apparition de décharges partielles. De telles décharges partielles prennent plus particulièrement naissance au niveau du point triple PT correspondant à la jonction entre la métallisation 11 du substrat, la céramique 10 du substrat, et le matériau d'encapsulation 15, comme illustré en figure 2. Ce point particulier PT correspond à la zone de renforcement de champ électrique la plus intense, qui contraint le plus le matériau d'encapsulation 15, et dans laquelle une activité de décharges partielles peut donc apparaître. Ce phénomène de décharges partielles est à l'origine de la défaillance de nombreux équipements électriques travaillant sous haute tension, i.e. à des tensions très supérieures à 1 kV. Plusieurs solutions ont été proposées, afin de contrôler les renforcements de champ électrique dans les modules de puissance au niveau du point triple encapsu la nt/céra m iq ue/métall isation. Mitic et al., dans "IGBT Module Technology with High Partial Discharge Resistance", [Industry Applications Conference, 2001, Thirty-Sixth lAS Animal Meeting, Conference Record of the 2001 IEEE (Volume:3)J, ont montré qu'un dépôt plasma PECVD (pour "Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition", dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma) d'une couche 5 mince (épaisseur de 300 nm) semi-résistive de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), au niveau de la seule zone du point triple, permettait de réduire le pic de champ électrique en bord de métallisation, et ainsi limiter le phénomène d'apparition de décharges partielles. Cette technique présente cependant deux inconvénients principaux. D'une part, le dépôt plasma est une technique relativement coûteuse et difficile à mettre en oeuvre industriellement à 10 ce jour. D'autre part, la couche mince semi-résistive n'étant appliquée qu'au niveau du point triple, il est nécessaire de procéder, préalablement au dépôt PECVD, à un masquage des autres zones du module, ce qui peut s'avérer compliqué, au vu de la topologie complexe formée par les différents éléments le constituant. Une autre grande famille de solutions vise à changer la configuration du champ électrique 15 par applications de matériaux présentant des propriétés différentes par rapport au polymère d'encapsulation classiquement utilisé. Cette famille de solutions vise à dévier le champ électrique, et les lignes de potentiel, par changement de permittivité ou de conductivité du matériau d'encaspulation, afin de diminuer le niveau de champ à proximité du point triple à une limite acceptable. Pour ce faire, il a été proposé d'utiliser des polymères chargés en particules 20 inorganiques à conductivité élevée ou à forte permittivité, comme décrit par exemple dans les documents de brevet EP 2 660 865, EP 1 736 998, US 2005/218380, US 2011/011640. Selon ces différentes solutions, les matériaux gradateurs de potentiel sont chargés de façon homogène en particules. Cependant, pour bénéficier de performances optimales, il convient de charger toute la résine d'encapsulation selon un taux de chargement volumique 25 supérieur à 10 vol. %, ce qui, selon le type de particules insérées, peut affaibilir sa rigidité diélectrique. De ce fait, si la réduction du pic de champ, que l'utilisation de tels matériaux rend possible, permet effectivement de repousser le seuil d'apparition des décharges partielles, elle présente également une limite à la montée en tension du dispositif électrique, ce qui est 30 préjudiciable. Enfin, certaines de ces solutions, bien que théoriquement intéressantes, paraissent difficiles à mettre en oeuvre de manière industrielle. Il existe donc un besoin d'une technique d'isolation électrique permettant d'améliorer la fiabilité à long terme des dispositifs électroniques, en augmentant la tension de seuil d'apparition 35 des décharges partielles, sans altérer le fonctionnement de ces dispositifs, par rapport aux 3 techniques de l'art antérieur. Il existe également un besoin d'une telle technique, qui permette une fabrication plus facile, et moins onéreuse, de dispositifs électroniques équipés d'un tel système d'isolation électrique. 3. Exposé de l'invention 5 L'invention répond à ce besoin en proposant un dispositif électronique, comprenant un substrat recouvert au moins partiellement d'une couche métallique conductrice, et caractérisé en ce qu'il comprend : - une première couche isolante mince recouvrant une surface supérieure du substrat et de la couche métallique conductrice, dont l'épaisseur est sensiblement comprise entre 5 Ltm 10 et 50 ùm, et présentant les paramètres suivants, mesurés à une température de 25°C o un champ de rupture diélectrique en courant alternatif AC supérieur à 100kV/mm; o une conductivité électrique inférieure à 10145/m ; o une permittivité diélectrique dont la partie réelle est sensiblement comprise 15 entre 2 et 4 ; une deuxième couche de volume recouvrant la première couche isolante mince présentant une conductivité électrique inférieure à 10-4 S/m et au moins cent fois supérieure à la conductivité électrique de la première couche isolante mince, mesurée à une température de 25°C. 20 Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de l'isolation électrique de dispositifs électroniques, visant à réduire l'apparition de décharges partielles néfastes au bon fonctionnement et à la longévité de tels dispositifs. En effet, alors que la plupart des solutions de l'art antérieur visent à diminuer l'ampleur du champ électrique dans le matériau polymère d'encapsulation, la solution revendiquée repose 75 sur un système d'isolation multi-couches, dans lequel on dépose, en contact direct avec le substrat métallisé, une couche mince de matériau parfait électriquement, là où le champ électrique est le plus élevé. A cette couche mince, on superpose une couche de volume, dont on contrôle les propriétés électriques, et notamment la conductivité, afin d'y contrôler la répartition du champ électrique et permettre la gradation de potentiel. On notera qu'un isolant électrique 30 parfait a une conductance nulle et une résistance infinie, mais n'existe pas en pratique car il contient toujours une faible quantité de charges libres susceptibles de créer un courant. Par matériau parfait électriquement, on entend donc ici, et dans l'ensemble de ce document, un matériau isolant dont la tension de claquage, mesurée à 25°C pour une épaisseur entre 5um et 5011m, est supérieure à 100kV/mm et une conductivité électrique mesurée à 25°C inférieure à 10- 35 14 S/m. Ainsi, en cas de renforcement de champ électrique sur les matériaux isolants, les charges 4 électriques, susceptibles de s'accumuler autour de vacuoles (ou imperfections, ou bulles) potentiellement présentes dans le matériau formant la couche de volume, sont drainées vers la première couche mince isolante, grâce à la conductivité augmentée du matériau formant la couche de volume. Cette solution permet d'augmenter avantageusement le seuil d'apparition des 5 décharges partielles vers des tensions supérieures. En effet, la majeure partie du potentiel électrique (et donc du champ électrique) se retrouve alors reportée sur la couche mince isolante, qui est dépourvue de vacuoles dans son volume. Les excellentes propriétés d'isolation électrique de cette couche mince isolante permettent en outre de tenir de tels champs électriques intensifiés. 10 Selon un premier aspect, la première couche isolante mince est réalisée en matériau polymère appartenant au groupe comprenant : des polymères poly-para-xylylène (PPX) ou parylène (PA); des polyimides ; des polyamides-imides. 15 Selon un autre aspect, la deuxième couche de volume est réalisée en matériau polymère nanocomposite à matrice époxy ou à matrice silicone, chargée en particules submicroniques, et plus particulièrement en nanoparticules. Selon un aspect complémentaire, ces particules appartiennent au groupe comprenant : des particules de graphène ; 20 des particules carbonées (Graphite, nanotube de Carbone, noir de carbone etc.) ; des particules métalliques (Au, Ag, Pt, etc.); des particules à forte permittivité (BatiO3, SrTiO3, AIN etc.). Selon un autre aspect, les particules de graphène présentent une taille moyenne comprise entre 20 et 100 nm et sont dispersées dans la matrice époxy par sonication dans une proportion 75 volumique sensiblement comprise entre 0,28 et 0,55%vol. Selon encore un autre aspect, la première couche isolante mince est un film de parylène N d'épaisseur sensiblement égale à 20 ktm et la deuxième couche de volume est réalisée en matériau polymère nanocomposite à matrice époxy chargée en nanoparticules de graphène avec un taux de chargement massique inférieur ou égal à 0,5%wt. 30 Selon encore un autre aspect, le dispositif est un module de puissance double face, comprenant deux substrats céramiques métallisés par exemple de type DBC (pour « Direct Bonded Copper ») AIN/Cu en vis-à-vis connectés par brasure, la première couche isolante recouvre chacune des faces en vis-à-vis des substrats, et la deuxième couche de volume est en contact direct avec chacune des premières couches isolantes recouvrant chacune des faces en vis- 35 à-vis des substrats. 5 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif électronique comprenant un substrat recouvert au moins partiellement d'une couche métallique conductrice, qui comprend : un dépôt, sur une surface supérieure du substrat et de la couche métallique conductrice, 5 d'une couche mince isolante de polymère d'épaisseur sensiblement comprise entre 5 pm et 50 p.m, présentant les paramètres suivants, mesurés à une température de 25°C o un champ de rupture diélectrique en courant alternatif AC supérieur à 100kV/mm ; o une conductivité électrique inférieure à 10145/m ; 10 o une permittivité diélectrique dont la partie réelle est sensiblement comprise entre 2 et 4 ; une encapsulation de la première couche isolante mince par une deuxième couche de volume présentant une conductivité électrique, mesurée à une température de 25°C inférieure à 10-45/m et au moins cent fois supérieure à la conductivité électrique de ladite 15 première couche isolante mince. Selon un aspect de ce procédé de fabrication, le dépôt d'une couche mince isolante est une polymérisation de dépôt en phase vapeur de parylène à température ambiante. Selon un autre aspect de ce procédé de fabrication, la polymérisation de dépôt en phase vapeur comprend : 20 une sublimation d'un dimère de parylène solide à une température comprise entre 140°C et 170°C sous vide ; une pyrolyse du dimère de parylène en phase gazeuse à environ 650°C sous vide, produisant deux monomères de parylène en phase gazeuse ; une polymérisation des monomères de parylène dans une chambre de polymérisation à 25 une température d'environ 20°C et sous une pression de quelques dizaines de millibars. Selon un autre aspect de ce procédé de fabrication, l'encapsulation est une encapsulation par résine polymère nanocomposite à matrice époxy chargée en nanoparticules de graphène. 4. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à 30 la lecture de la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif, et non limitatif, en relation avec les figures, parmi lesquelles : la figure 1 illustre la structure d'un module de puissance de l'art antérieur ; la figure 2 présente une vue en coupe du module de puissance de la figure 1; la figure 3 présente une photographie d'un module de puissance double face ; 6 la figure 4 propose une représentation d'une vue en coupe du système d'isolation multicouche de l'invention dans le module de puissance de la figure 3 ; les figures 5A à 5D présentent des vues en coupe du système d'isolation multicouche de l'invention (figures 5A et 5C) et du système d'isolation classique de l'art antérieur (figures 5 5B et 5D); les figures 6A à 6D représentent schématiquement la position d'une vacuole par rapport au point triple PT pour différentes épaisseurs du film isolant mince du système de la figure 4 ; les figures 7A et 7B représentent respectivement l'évolution de la différence de potentiel 10 Vab aux bornes de la vacuole de la figure 6 en fonction de l'épaisseur du film isolant mince et de la conductivité du matériau de volume du système de la figure 4; les figures 8A et 8B présentent respectivement le champ de rupture diélectrique statistique de films de parylène N et d'échantillons d'époxy/graphène utilisés dans le système d'isolation multicouche de l'invention ; 15 la figure 9 présente une vue en coupe par microscopie optique d'un système d'isolation multicouche dans un mode de réalisation de l'invention ; les figures 10A à 10G résument de façon schématique différents essais réalisés d'incorporation du système d'isolation classique de l'art antérieur ou multicouche selon l'invention, dans des modules de puissance double face ; 20 la figure 11 présente des mesures de la quantité de charge dans les modules de puissance double face pour les différents systèmes d'isolation de la figure 10 ; la figure 12 illustre sous forme schématique le procédé de dépôt en phase vapeur d'une couche mince de parylène selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 13 propose un schéma général des différentes étapes de préparation des 25 nanocomposites époxy/graphène selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 14 illustre les différentes étapes d'assemblage d'un module de puissance double face intégrant le système d'isolation multicouche selon un mode de réalisation de l'invention. 5. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention 30 Le principe général de l'invention repose sur un système d'isolation électrique multicouche gradateur de potentiel, comprenant une première couche isolante mince, réalisée en un matériau parfait électriquement, et donc dépourvu de vacuoles, à laquelle on superpose une couche de volume réalisée en un matériau dont la conductivité élevée permet la gradation de potentiel, et le drainage des charges électriques vers la couche isolante mince. Comme on le verra 35 plus en détail par la suite, en relation avec la description d'un mode de réalisation particulier, on 7 réduit ainsi fortement l'apparition de décharges partielles, tout en proposant une solution industriellement réalisable, à des coûts modérés. On s'attache plus particulièrement dans la suite à décrire une application de ce principe d'isolation électrique multicouche à un module de puissance double face, dans lequel le 5 phénomène d'apparition de décharges partielles est particulièrement sensible. L'invention s'applique bien sûr également à l'isolation électrique de tout autre type de dispositif électronique, et n'est pas réservée au seul domaine de l'électronique de puissance. La figure 3 présente un tel module de puissance double face 30. La figure 4 propose une représentation d'une vue en coupe du système d'isolation multicouche de l'invention dans le 10 module de puissance double face 30 de la figure 3. Les figures 5A à 5D présentent cette même vue en coupe, mais permettent de comparer plus précisément le principe d'isolation multicouche de l'invention (figures 5A et 5C) et le principe d'isolation classique mono-matériau (gel silicone ou époxy seul) de l'art antérieur (figures 5B et 5D). Comme illustré sur la figure 4, dont la partie inférieure constitue un agrandissement du 15 rectangle référencé 40 dans la partie supérieure de la figure, la surface supérieure du substrat céramique 10 en nitrure d'aluminium AIN, et de sa métallisation 11 en cuivre, est recouverte d'une mince couche isolante 41 en parylène N. En effet comme détaillé dans la suite de ce document, les matériaux de type parylène N sont avantageux pour leur procédé de dépôt en phase vapeur et à température ambiante. D'autres types de parylène (C, D, E, VT4, AF4...) peuvent 20 être utilisés pour la réalisation de cette couche mince 41, selon la température de fonctionnement du système électrique à protéger. On pourrait également, en variante, utiliser des matériaux polymères isolants, déposés à partir de solutions liquides (polyimides, polyamideimides...), à condition d'avoir un procédé de dépôt conforme ou une géométrie le permettant. Cette première couche isolante 41 est un polymère mince (5 à 50 microns d'épaisseur) 25 déposé en phase vapeur, avec une tenue diélectrique et une résistivité très élevée, permettant de tenir à elle seule (par son épaisseur) les contraintes électriques (tension) du système. Son épaisseur faible et son procédé de dépôt le rendent exempt de décharges partielles. Cette couche mince isolante 41 est recouverte d'un matériau de volume 42 à conductivité contrôlée, réalisé en élaborant un polymère nanocomposite à matrice époxy chargée en 30 nanoparticules de graphène. L'avantage de ce type de nanoparticules est la possibilité de contrôler la conductivité électrique du nanocomposite de façon large, en introduisant une faible quantité de nanoparticules de graphène ( REVENDICATIONS1. Dispositif électronique, comprenant un substrat (10) recouvert au moins partiellement d'une couche métallique conductrice (11), caractérisé en ce qu'il comprend : - une première couche isolante mince (41) recouvrant une surface supérieure dudit substrat et de ladite couche métallique conductrice, dont l'épaisseur est sensiblement comprise entre 5 pm et 50 pm, et présentant les paramètres suivants, mesurés à une température de 25°C o un champ de rupture diélectrique en courant alternatif AC supérieur à 100 kV/m m ; o une conductivité électrique inférieure à 10-145/m ; o une permittivité diélectrique dont la partie réelle est sensiblement comprise entre 2 et 4 ; une deuxième couche de volume (42) recouvrant ladite première couche isolante mince présentant une conductivité électrique, mesurée à une température de 25°C, inférieure à 1045/m et au moins cent fois supérieure à la conductivité électrique de ladite première couche isolante mince. 2. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première couche isolante mince (41) est réalisée en matériau polymère appartenant au groupe comprenant : - des polymères poly-para-xylylène (PPX) ou parylène (PA); des polyimides ; - des polyamides-imides. 3. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite deuxième couche de volume (42) est réalisée en matériau polymère nanocomposite à matrice époxy chargée en particules submicroniques et/ou en nanoparticules. 4. Dispositif électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites particules appartiennent au groupe comprenant : - des particules de graphène ; des particules carbonées ; des particules métalliques ; - des particules à forte permittivité. 5. Dispositif électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites particules de graphène présentent un diamètre moyen compris entre 20 et 100 nm et sont dispersées dans 18 ladite matrice époxy par sonication dans une proportion volumique sensiblement comprise entre 0,28 et 0,55%vol. 6. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite première couche isolante mince (41) est un film de parylène N d'épaisseur 5 sensiblement égale à 20 pm et en ce que ladite deuxième couche de volume (42) est réalisée en matériau polymère nanocomposite à matrice époxy chargée en nanoparticules de graphène avec un taux de chargement massique inférieur ou égal à 0,5%wt. 7. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit dispositif est un module de puissance double face (30), comprenant deux substrats 10 céramiques métallisés en vis-à-vis connectés par brasure, en ce que ladite première couche isolante (41) recouvre chacune desdites faces en vis-à-vis desdits substrats, et en ce que ladite deuxième couche de volume (42) est en contact direct avec chacune desdites premières couches isolantes recouvrant chacune desdites faces en vis-à-vis desdits substrats. 8. Procédé de fabrication d'un dispositif électronique comprenant un substrat recouvert au 15 moins partiellement d'une couche métallique conductrice, caractérisé en ce qu'il comprend : un dépôt (146; 120-122), sur une surface supérieure dudit substrat et de ladite couche métallique conductrice, d'une couche mince isolante (41) de polymère d'épaisseur sensiblement comprise entre 5 pm et 50 pm, présentant les paramètres suivants, mesurés 20 à une température de 25°C: o un champ de rupture diélectrique en courant alternatif AC supérieur à 100 kV/m m ; o une conductivité électrique inférieure à 10- S/m ; o une permittivité diélectrique dont la partie réelle est sensiblement comprise 25 entre 2 et 4 ; une encapsulation (148) de ladite première couche isolante mince par une deuxième couche de volume (42) présentant une conductivité électrique, mesurée à une température de 25°C, inférieure à 104 S/m et au moins cent fois supérieure à la conductivité électrique de ladite première couche isolante mince. 30 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit dépôt d'une couche mince isolante est une polymérisation de dépôt en phase vapeur de parylène à température ambiante. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite polymérisation de dépôt en phase vapeur comprend : 19 une sublimation (120) d'un dimère de parylène solide à une température comprise entre 140°C et 170°C sous vide ; une pyrolyse (121) dudit dimère de parylène en phase gazeuse à environ 650°C sous vide, produisant deux monomères de parylène en phase gazeuse ; 5 une polymérisation (122) desdits monomères de parylène dans une chambre de polymérisation à une température d'environ 20°C et sous une pression de quelques dizaines de millibars. 11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que ladite encapsulation (148) est une encapsulation par résine polymère nanocomposite à 10 matrice époxy chargée en nanoparticules de graphène.