Circuit intégré de puissance
Les progrès constants des procédés technologiques concernant l’électronique permettent actuellement de réaliser des avancées significatives dans le domaine de l’intégration [ 1 ]. Les différentes filières technologiques ne sont plus cloisonnées dans des gammes d’utilisations restrictives. Nous pouvons désormais intégrer, dans le même système, des composants de commande fonctionnant sous quelques Volts (CMOS) et des interrupteurs dits de puissance pouvant commuter des dizaines de Volts et conduire des courants de plusieurs ampères (LDMOS, IGBT ou VDMOS), [ 2 ].
Les avantages de ces nouveaux modes d’intégration sont multiples. En terme de coût de fabrication et d’assemblage d’une part, puisqu’un seul circuit intégré peut assurer les fonctions jusque là remplies par l’emploi de multiples boîtiers distincts. Un grand nombre d’interfaces peut donc être supprimé, ce qui réduit largement la masse de connectique. D’autre part, ces nouveaux modes d’intégration apportent un certain nombre de fonctionnalités difficilement réalisable avec des composants discrets. Par exemple, nous pouvons intégrer, dans le même substrat, de nouvelles fonctions de contrôle permettant de détecter les défaillances du circuit intégré, telles que la détection des phénomènes de surchauffe, de surtension ou de surintensité (court-circuit).
En complément des modules de puissance, de commande et de diagnostic, les récentes avancées dans le domaine du multiplexage permettent d’intégrer également dans la même puce des fonctions dédiées au traitement du signal et à l’échange de données vers des composants périphériques. En raison de ces compétences multiples, ce type d’intégration est appelé « Smart Power Integrated circuit », que l’on peut traduire par circuit intégré de puissance « intelligent » .
Nous y retouvons :
• 12 Transistors de puissance montés en Low-Side avec leurs différents pilotes.
• Un étage dédié au multiplexage, le bloque CAN (Controler Area Network).
• Un convertisseur analogique numérique.
• Un bloque de programmation basé sur des mémoires non volatiles NVM
• Un bloque de diagnostic où sont insérés différents tests de température et sur le fonctionnement de la puce et où sont également intégrés des régulateurs de tension de type Band-Gap.
• Un calculateur en logique CMOS.
• Son régulateur de tension associé.
• Des étages de sortie vers le tableau de bord, warning lamp.
• Un pré-driver pour un transistor de puissance Low-Side externe, booster valve.
• Un driver pour des transistors de puissance High-Side externes.
• Et un module MPO (Multi-Purpose-Output) permettant au constructeur automobile de rajouter diverses fonctionnalités.
Les domaines d’application couverts par ces circuits intégrés de puissance sont vastes ; ils couvrent toute la gamme de produits travaillant dans des polarisations de 0 à 100V et pouvant conduire des courants de l’ordre de la dizaine d’Ampères. Cette gamme d’utilisation recouvre par exemple les applications domestiques, comme les pilotes d’imprimantes ou les modules de puissance dans les produits audiovisuels, et les applications de l’électronique embarquée comme la gestion de l’énergie dans les téléphones cellulaires, ou les applications liées au secteur des transports.
Filières technologiques des produits Smart-Power
Le premier critère de sélection pour une filière technologique est avant tout le calibre en puissance que devra fournir le circuit intégré. Pour les applications nécessitant des polarisations importantes (tension bloquable > 100V), les technologies utilisant des transistors de puissance de type vertical s’imposent. Pour des applications moyennes tensions (tension bloquable < 100V), il est préférable d’employer des composants planars tel que des LDMOS, qui permettent de simplifier considérablement l’assemblage et le montage du dispositif. Les composants basses tensions peuvent être de deux types, CMOS pour les traitements logiques et bipolaires pour les applications analogiques.
La principale difficulté liée à ces technologies Smart-power réside dans l’intégration conjointe de composants de puissance et de ces composants faible tension dans un même substrat. Chacune des fonctions doit être isolée électriquement, quel que soit son régime de fonctionnement, statique ou dynamique.
Isolation par Auto-blindage
Dans cette première filière technologique, l’isolation entre les composants haute et basse tension se fait, sans développement ou étapes technologiques supplémentaires. Cette simplicité en fait une technologie peu coûteuse.
Les interrupteurs de puissance sont intégrés verticalement. Nous rencontrons généralement deux types de transistors de puissance : VDMOS ou bipolaire. Pour ces deux types de transistors, la tenue en tension à l’état bloqué est assurée par la déplétion d’une couche épitaxiée N- déposée sur un substrat N+ . Les composants de commande, NMOS et bipolaires basse tension, sont eux intégrés dans une diffusion P implantée en surface. Cette diffusion P est maintenue à la masse par une prise de contact spécifique.
Lorsque le composant de puissance est soumis à une tension VBAT positive, la jonction N (épitaxie)/ P(Well) est sous polarisation inverse. Les composants basse tension sont donc naturellement isolés.
Si en régime statique une bonne protection est assurée, en régime transitoire, des couplages capacitifs peuvent cependant se produire. Ceux-ci sont souvent le vecteur de dysfonctionnements important notamment dans la partie commande du circuit. Ces couplages capacitifs limitent largements le domaine d’application de ces produits : ils ne peuvent donc ni travailler à des fréquences trop élevées (<500KHz) ni avoir des fronts de commande trop abrupts. De plus, il faut veiller à ce que le potentiel du substrat N+ ne varie pas. Dans le cas ou une tension légèrement inférieure à la masse est appliquée sur le substrat, nous observons les jonctions Pwell/N+ devenir passantes. Les blocs de commandes sont alors affectés par des courants parasites importants, ce qui rend le dispositif incontrôlable. Pour se prévenir de ces possibles fluctuations de potentiel, seules les configurations dites «hautes» sont acceptables (configuration high-side). Dans ce cas le substrat est connecté directement à l’alimentation (VBAT) et la charge à la source du MOS de puissance. L’intégration dans des applications nécessitant l’usage des ponts complets est donc restreinte.
Les produits issus de ces technologies couvrent des gammes d’utilisation allant de la dizaine au millier de Volts, travaillant à des fréquences de l’ordre de la centaine de kHz. Nous les retrouvons comme régulateurs des étages de puissance dans l’automobile ou l’électronique domestique.
Isolation par jonction
A l’heure actuelle la plupart des composants smart power présents sur le marché de l’électronique sont intégrés de la sorte. Ils présentent le double avantage d’être compatibles avec toutes les applications grand public (automobile domestique et téléphonie) et d’avoir un faible coût de revient. Deux architectures sont possibles, l’une où les transistors de puissance sont intégrés verticalement dans le substrat et l’autre où les composants de puissance sont intégrés en surface. Tout comme la technique de l’auto-blindage, l’isolation entre les différents blocs du dispositif est assurée par des jonctions PN polarisées en inverse, mais dans ce cas, une diode supplémentaire est insérée entre la partie puissance et la partie commande.
Intégration de composants de puissance verticaux
Le composant de puissance vertical est réalisé sur le substrat lui même, généralement de type N-/N+, et des îlots diffusés permettent de réaliser les circuits de commande CMOS ou bipolaire . Du fait de son intégration verticale la puissance contrôlée par le composant de puissance peut être importante (plusieurs centaines de volts de tension bloquable pour des dizaines d’ampères en mode de conduction) .
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Table des matières
1 Introduction
Présentation des technologies SMART-POWER
1.1 Circuit intégré de puissance
1.2 Filières technologiques des produits Smart-Power
1.2.1 Isolation par Auto-blindage
1.2.2 Isolation par jonction
1.2.2.1 Intégration de composants de puissance verticaux
1.2.2.2 Intégration de composants de puissance latéraux
1.2.3 Isolation par diélectrique
1.3 Objectifs et plan de la thèse
1.4 Références bibliographique
2 Présentation des courants de substrat
2.1 Mise en évidence de la problématique
2.1.1 Montage classique de l’électronique de puissance : pont en H
2.1.1.1 Présentation d’un pont en H
2.1.1.2 Régime de commutation
2.1.2 Recirculation dans un montage High-side : injection de porteurs majoritaires
2.1.3 Recirculation dans un montage Low-side : injection de porteurs minoritaires
2.2 Origines des courants de substrat
2.2.1 Coupure de la ligne d’alimentation
2.2.2 Résonance des étages de puissance
2.2.3 Résonance en hautes fréquences
2.2.4 Signaux analogiques externes trop élevés
2.2.5 Dérive du potentiel de masse
2.2.6 Conclusion
2.3 Effets induits par les courants de substrats
2.3.1 Perte de contrôle des charges pilotées (couplages des sorties)
2.3.2 Perturbation des blocs analogiques et logiques
2.3.2.1 Perturbations des signaux transmis
2.3.2.2 Perturbation des circuits de tension de référence
2.3.2.3 Commandes incontrôlées
2.3.3 Surconsommation
2.3.4 Latch-up
2.3.5 Récapitulatif des conséquences des courants de substrat
2.4 État de l’art des protections employées
2.4.1 Protections Passives
2.4.1.1 Anneaux de garde : collecteur préférentiel
2.4.1.2 Diode Schottky
2.4.1.3 MOS isolé
2.4.2 Protections Actives
2.4.2.1 Substrat flottant
2.4.2.2 Polarisation négative du substrat : barrière active
2.4.3 Protection logicielle
2.5 Conclusion et objectifs
2.6 Références bibliographique
3 Protections passives
3.1 Introduction : protections passives
3.2 Protection passive par anneau de garde
3.2.1 Méthode de mesure et de simulation
3.2.1.1 Présentation des structures étudiés
3.2.1.2 Présentation des résultats
3.2.2 Influence de l’espacement injecteur collecteur
3.2.3 Influence de la durée de vie des porteurs
3.2.4 Influence du dopage du substrat
3.2.5 Saturation de l’anneau de garde
3.3 Amélioration des protections par anneaux
3.3.1 Réduction largeur de base du transistor npn parasite
3.3.1.1 Structure basée sur l’alignement de la couche enterrée
3.3.1.2 Efficacité d’une couche enterrée décalée
3.3.1.3 Contraintes et intégrations
3.3.2 Modification des polarisations des contacts de du substrat
3.3.2.1 Structures basée sur la polarisation des contacts substrat
3.3.2.2 Mesures en fonction de la polarisation sdes diffusions P+
3.3.3 Discussion sur les protections par anneau
3.4 Transistor LDMOS Isolé
3.4.1 Concept et performance
3.4.1.1 Structure du transistor LDMOS isolé
3.4.1.2 Performance du ILDMOS
3.4.1.3 Tenue en tension
3.4.1.4 Aire de sécurité : problème du second claquage
3.4.1.5 Dimensionnement du contact d’épitaxie
3.4.2 Fabrication et utilisation du transistor ILDMOS
3.5 Références bibliographiques
4 Protections actives
4.1 Protection active : barrière MAAP
4.1.1 Présentation et fonctionnement
4.1.1.1 Comparaison expérimentale entre la protection standard et la MAAP
4.1.1.2 Simulation et comportement de la MAAP
4.1.1.3 Schéma équivalent
4.1.2 Dépendances géométriques de la MAAP
4.1.2.1 Influence de l’espacement entre les puits P
4.1.2.2 Influence de la résistance de court-circuit
4.1.3 Confrontation simulation expérience
4.1.3.1 Résultats simulations
4.1.3.2 Limites des simulateurs 2D
4.1.4 Contraintes d’intégrations
4.1.4.1 Courant sur les collecteurs voisins
4.1.4.2 Influence de l’environnement sur la MAAP
4.1.4.3 Structure de protection symétrique
4.1.5 Bilan sur les structures MAAP de première génération
4.2 MAAP deuxième génération
4.2.1 Présentation et fonctionnement
4.2.2 Structure de test
4.2.2.1 Résultats empiriques préliminaires
4.2.3 Règles de conception pour l’intégration
4.2.3.1 Choix du transistor actif
4.2.3.2 Effet de la taille du transistor de protection
4.2.3.3 Influence de la largeur de la diffusion P
4.2.3.4 Bilan sur la structure MAAP deuxième génération
4.2.4 Protection active avec un transistor piloté
4.2.4.1 Fonctionnement
4.2.5 Conclusion et perspectives
Conclusion
