Architectured substrate and composite lead-free solder for power electronic of electrical and hybrid vehicules: design and processes - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2011

Architectured substrate and composite lead-free solder for power electronic of electrical and hybrid vehicules: design and processes

Substrat architecturé et brasure composite sans plomb pour l'électronique de puissance des véhicules électriques ou hybrides : conception et procédés

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Abstract

The power electronic modules are essential components for the electric and hybrid vehicles. These electronic modules are generally an assembly of silicon electronic components (transistors and diodes) on copper substrate by soldering. The substrate ensures the mechanical strength and the heat dissipation to obtain a suitable operating temperature (<175°C). The flow of the dissipated power towards the substrate, owing to the fact that this assembly is made of various materials, and because of the thermal gradient, develops shear stresses in the zone of connection (soldered joint) and generates damage in the electronic modules. An ideal substrate would have electric and thermal characteristics close to those of the current substrate (Cu) and a coefficient of thermal expansion close to that of the chips (Si). Such material does not exist. One of the alternative solutions consists in developing a structured material. To reduce the mechanical effects of the differential expansion, an architectured substrate was conceived. The proposed substrate is a composite with its parameters optimized by numerical simulation in order to increase its thermal conductivity and to reduce its macroscopic coefficient of thermal expansion. The properties of the designed composite were validated by experiments. Moreover, we validated the implementation of conventional processes (plating, folding, cutting and bonding) for the new substrate. The fabrication technology proposed rests on roll bonding and several options are compared to produce the optimized architecture. Also, the lead-free alloys used to date in addition to a low solidus temperature, suffer from resistance thermal ageing. Under the effect of heat, the initial solder microstructure can evolve with the development of intermetallics in the form of plates (needles) acting as stress concentration sites and reducing the lifetime of the module. To circumvent this effect, we propose composite solders containing a SnAgCu alloy reinforced by refractory particles with a good thermal conductivity and low CTE.
Les modules électroniques de puissance (dizaines de kW) sont des composants essentiels pour le développement des véhicules électriques et hybrides. Ces modules sont des assemblages de composants électroniques en silicium (transistor et diode) sur un substrat généralement en cuivre par brasage tendre. Le substrat assure le maintien mécanique et le transfert de la chaleur pour obtenir une température de fonctionnement convenable (<175°C) du silicium. En fonctionnement, une partie de la puissance est dissipée sous forme d'un flux de chaleur à cause de la résistance interne des semi-conducteurs. Ce flux diffuse de la face supérieure des composants électroniques vers le substrat et engendre l'échauffement de l'assemblage. Du fait que cet assemblage comprend divers matériaux, les dilatations thermiques différentes génèrent des contraintes de cisaillement dans la zone de liaison (brasure) en provoquant l'endommagement des modules électroniques. Pour résoudre ce problème, le substrat doit présenter un compromis entre des caractéristiques électriques et thermiques proches de celles du substrat actuel (Cu) et un coefficient de dilatation linéique proche de celui du semiconducteur (Si). Une des solutions alternatives consiste à développer un matériau composite architecturé. Nous proposons d'atténuer les effets mécaniques de la dilatation différentielle à l'aide d'un substrat architecturé. Le substrat proposé est un matériau composite métallique dont les paramètres de forme ont été optimisés par simulation numérique et validés expérimentalement afin d'accroître au mieux la conductivité du substrat et d'en réduire la dilatation macroscopique. La fabrication à l'échelle du laboratoire est abordée et les variantes du colaminage sont comparées pour réaliser l'architecture interne proposée. En outre, les alliages sans plomb utilisés à ce jour pour le brasage souffrent d'une faible résistance au vieillissement thermique. Sous l'effet de la chaleur, la microstructure initiale de la brasure peut évoluer en donnant naissance à des intermétalliques. Les plaquettes aciculaires (aiguilles) constituent des sites de concentration de contraintes. Cette étude vise également à développer une brasure sans plomb mais relativement réfractaire présentant des conductivités thermique et électrique élevées, associées à une dilatabilité la plus proche possible de celle du silicium. L'architecture de la brasure devrait limiter la croissance des intermétalliques lors du vieillissement.
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Dates and versions

pastel-00626665 , version 1 (26-09-2011)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00626665 , version 1

Cite

Abderrahmen Kaabi. Substrat architecturé et brasure composite sans plomb pour l'électronique de puissance des véhicules électriques ou hybrides : conception et procédés. Matériaux. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2011. Français. ⟨NNT : 2011ENMP0024⟩. ⟨pastel-00626665⟩
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