|
Soutenance
2006
Laboratoire d'accueil
Laboratoire de Génie Électrique de Toulouse
Titre
de la thèse
Etude des propriétés électriques des isolants (polyimide) dans l’environnement haute température des composants de puissance à base de carbure de silicium
Résumé
Cette étude a débuté le 1er septembre 2002 au Laboratoire de Génie Electrique de Toulouse (L.G.E.T), sous la direction de Mme Marie Laure Locatelli, au sein de l’équipe Matériaux Diélectriques dans la Conversion d’Energie (M.D.C.E) dont M. Thierry Lebey est le responsable. L’objectif de l’équipe est l’étude de l’impact des contraintes issues de l’électronique de puissance sur les matériaux diélectriques solides dans les dispositifs du génie électrique et les matériaux de l’environnement du semi-conducteur de puissance. C’est dans le cadre du packaging haute température et de l’intégration des systèmes de puissance, que l’étude sur la passivation des composants de puissance à base de SiC a été entamée.
En effet, le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande interdite très intéressant pour la réalisation de composants pour l’électronique de puissance. Ses remarquables propriétés physiques lui octroient une place de choix parmi les semi-conducteurs, pour des applications à fortes puissances, hautes tensions, fréquences élevées et hautes températures. Sa capacité à supporter des champs électriques environ dix fois plus élevés que dans le silicium et sa conductivité thermique trois fois plus élevée, le placent comme un bon candidat pour remplacer certains composants de puissance à base de silicium.
La tenue en température des composants SiC bien au-delà de 200°C, liée à sa large bande d’énergie interdite, devrait aussi permettre de satisfaire de nouvelles applications jusque-là inaccessibles au silicium. Cependant, il existe encore certaines limitations technologiques qui font obstacle à sa pleine exploitation notamment à haute température, comme par exemple les propriétés de la couche de passivation nécessaire à la protection de surface de la puce.
La thèse a pour but de trouver un matériau isolant adapté qui sera utilisé comme une couche de passivation à des températures élevées, jusqu’à 350°C et dans des environnements où ils seront soumis à de forts champs électriques.
Après une recherche des matériaux susceptibles de répondre aux critères de l’application visée, le choix s’est porté sur le polyimide. En effet, le polyimide fait partie des polymères les plus résistants à la chaleur. Sa thermostabilité à des températures élevées jusqu’à 400°C et ses bonnes propriétés mécaniques, ainsi que sa résistance à presque tous les agents chimiques, lui ont conféré différentes fonctionnalités dans un large champ d’applications industrielles.
Pour quantifier les propriétés ‘intrinsèques’ du polyimide (PI) dans une gamme de température jusqu’à 350°C, des caractérisations électriques ont été réalisées sur des structures MIM ou MIS planaires avec des films de PI élaborés et recuits selon le procédé de fabrication préconisé par le fabricant. Les résultats ont montré des valeurs de facteur de pertes et des courants de fuite trop élevés à partir de 200°C pour satisfaire l’application visée.
Cependant, une amélioration des propriétés diélectriques et d’isolation a été observée sur des échantillons ayant été exposés à des températures élevées lors des mesures, indiquant une stabilité des propriétés du matériau non atteinte à l’issue du recuit d’imidisation du film. Cette instabilité pourrait être liée à l’évolution du niveau d’imidisation du précurseur du polyimide (taux de conversion de l’acide polyamique en polyimide), ou de la concentration d’impuretés résiduelles (eau, solvant), lesquels dépendent des paramètres (durée, température) du recuit final d’élaboration du polyimide. Les performances diélectriques du polyimide sont fortement affectées par sa structure chimique finale du matériau.
Les caractérisations électriques, couplées à des analyses physicochimiques du matériau, avant et après un traitement thermique additionnel prodigué aux échantillons, confirment que la réaction d’imidisation de la solution d’acide polyamique à l’issue du recuit thermique‘standard’, n’est pas complètement achevée. Une optimisation de ce recuit est donc une condition sine qua non pour obtenir des propriétés électriques adaptées au cahier des charges de l’application visée.
|