Découvrez comment atténuer l’électromigration, un défi critique dans les semi-conducteurs haute tension, en particulier ceux utilisés dans les systèmes de transmission flexible en courant alternatif.
La fiabilité est une préoccupation essentielle dans les systèmes électriques modernes, et les systèmes de transmission flexible en courant alternatif (FACTS) dépendent fortement des semi-conducteurs haute tension fonctionnels. Depuis plus de 100 ans, les fabricants de semi-conducteurs luttent contre les effets de l’électromigration (EM), qui affecte les semi-conducteurs haute tension et finit par provoquer des défaillances du système. Pour comprendre comment cette défaillance se produit, nous devons d’abord comprendre ce qu’est l’EM.
Lors de l’électromigration, les atomes du conducteur métallique se déplacent progressivement au fil du temps en raison du transfert de la quantité de mouvement des électrons conducteurs, conduisant à la création d’un circuit ouvert.
Dans les systèmes de transmission flexible en courant alternatif, des composants comme les compensateurs statiques de réactance (SVC), les contrôleurs unifiés de flux de puissance (UPFC) et les compensateurs synchrones statiques (STATCOM) dépendent de semi-conducteurs haute tension efficaces qui facilitent le commutateur rapide du courant et de la tension. Des stratégies de mitigation de l’EM peuvent être mises en place pour améliorer la durabilité du système.
Valve thyristor suspendue. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ResearchGate GmbH: Neil Kirby
Sélection et ingénierie des matériaux résistant à l’électromigration
La sélection d’un matériau conducteur électrique résistant à l’EM est essentielle dans la conception et la fabrication d’interconnexions de semi-conducteurs haute tension. Dans les dispositifs FACTS, les semi-conducteurs haute tension atteignent des densités de courant allant jusqu’à 107 A/cm2. Lorsque le cuivre est utilisé pour la conductivité des interconnexions de semi-conducteurs, un taux élevé d’EM affecte la fiabilité. Bien que le cuivre offre une excellente conductivité, il est moins tolérant à l’EM dans des densités de courant élevées. Lors de la considération des matériaux conducteurs, deux approches peuvent être adoptées pour atténuer l’EM.
Figure 1. L’électromigration est représentée par la flèche rouge lorsque les électrons dans le fil transfèrent la quantité de mouvement, entraînant finalement une défaillance de contact. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia
Une première approche est d’utiliser le cuivre pour l’interconnexion du semi-conducteur; cependant, pour augmenter sa tolérance à l’EM, les interconnexions sont élargies ou le nombre d’interconnexions parallèles est augmenté pour une distribution de courant plus homogène. Cette approche réduit la densité de courant, ce qui affecte l’EM et peut être illustré par l’exemple ci-dessous, où la section initiale (10-6 cm2) d’une interconnexion dans un semi-conducteur haute tension est doublée et le courant de fonctionnement est maintenu à 10 A.
La densité de courant initiale avant l’élargissement de l’interconnexion peut être évaluée par :
\[J=\frac{I}{A}=\frac{10}{10^{-6}}=10^{7}A/cm^{2}\]
La nouvelle densité de courant après que la section de l’interconnexion soit doublée :
\[J’=\frac{I}{A’}=\frac{10}{2\times10^{-6}}=5\times10^{6}A/cm^{2}\]
La réduction de la densité de courant réduit significativement l’électromigration dans les semi-conducteurs haute tension.
Une autre approche consiste à utiliser des alliages de cuivre et des conducteurs alternatifs comme le tungstène et le cobalt. Sous des densités de courant élevées, le mouvement des atomes de cuivre peut être contrôlé en augmentant l’énergie d’activation de l’EM (Ea). Cette augmentation de l’énergie peut être obtenue en combinant le cuivre avec de l’aluminium pour une interconnexion plus fiable. Comme l’aluminium, le magnésium peut également être utilisé comme élément d’alliage pour les interconnexions de cuivre afin d’augmenter l’énergie d’activation de l’EM. Par exemple, une énergie d’activation de 0,9 eV pour le cuivre pur peut être augmentée à environ 1,1 eV en ajoutant de 0,5 à 1% d’aluminium au cuivre, réduisant ainsi davantage le taux auquel l’EM se produit. L’équation de type Arrhenius décrit la relation entre l’énergie d’activation de l’EM et le taux (M) auquel l’EM se produit.
\[M=M_{0}\,exp\,exp\Big(\frac{Ea}{-kT}\Big)\]
Où le facteur préexponentiel est représenté par M0, K représente la constante de Boltzmann (8,617 x 10-5 eV/K), et K représente la température absolue des interconnexions du semi-conducteur.
Techniques de gestion thermique
Des températures de fonctionnement plus basses dans les semi-conducteurs haute tension sont essentielles pour réduire les défaillances FACTS dues à l’EM. Ces semi-conducteurs, comme les thyristors à extinction (GTO) et les transistors bipolaires à gate isolée (IGBT), produisent de la chaleur pendant les opérations, nécessitant une gestion thermique efficace. Une des méthodes consiste en un système de refroidissement liquide, tel qu’un diélectrique, un refroidisseur spécialisé et de l’eau, pour dissiper uniformément la chaleur du semi-conducteur. Le taux de transfert de chaleur (Q) à travers un milieu de refroidissement dans un système de refroidissement peut être évalué en utilisant la formule suivante :
\[Q=m\times Cp\times\Delta T\]
Où (m) représente le débit massique du refroidisseur en Kg/s, (Cp) représente la capacité calorifique spécifique du refroidisseur et (∆T) représente la différence de température entre la sortie et l’entrée du système de refroidissement.
Lors du choix d’un système de refroidissement, la résistance thermique (Rθ ) du milieu doit être plus faible pour une dissipation de chaleur efficace. Cette différence de température faible par unité de puissance (P) dans les semi-conducteurs haute tension réduit significativement l’EM. La relation est montrée ci-dessous.
\[R_{\theta}=\frac{\Delta T}{P}\]
Figure 2. La relation entre la dissipation de puissance et la résistance thermique d’un système de refroidissement à différentes températures. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
Une autre technique de gestion thermique utilise des matériaux d’interface thermique (TIM) pour améliorer la conductivité thermique entre les dissipateurs de chaleur et les semi-conducteurs. Avec une conductivité thermique variant de 10 à 20 W/m.K, les TIM à base de graphite offrent une excellente conductivité thermique, dissipant uniformément la chaleur en s’adaptant à toute surface irrégulière. Les TIM à changement de phase offrent des alternatives de conductivité thermique car ils fonctionnent en passant de l’état solide à l’état liquide lorsqu’ils sont soumis à des différences de température.
Pour déterminer la meilleure option TIM, il faut tenir compte de la conductivité thermique (λ) du TIM, de la surface de contact (A) et de son épaisseur (d). Pour comparaison, la résistance thermique peut être évaluée en utilisant l’équation ci-dessous, dans laquelle une résistance thermique plus faible permet un transfert rapide de chaleur, réduisant ainsi les effets de l’EM sur les interconnexions des semi-conducteurs.
\[R_{\theta}=\frac{d}{\lambda\times A}\]
Méthodes de dépôt et de galvanoplastie
Pour rendre les interconnexions en cuivre résistantes à l’EM, la galvanoplastie est souvent utilisée pour déposer des substrats métalliques sur sa surface à l’aide d’un courant électrique. Dans ce cas, une solution d’ions métalliques avec une tolérance plus élevée à l’EM est préparée, et la solution est contrôlée pour un dépôt plus uniforme. En contrôlant la densité de courant et le temps de dépôt, l’uniformité de dépôt peut être facilement obtenue pour réduire significativement le taux auquel l’EM se produit dans les interconnexions en cuivre des semi-conducteurs.
Outre la galvanoplastie, des méthodes de dépôt physique en phase vapeur (PVD) comme l’évaporation et la pulvérisation peuvent être utilisées pour déposer des films minces de matériaux résistants à l’EM sur la surface du matériau d’interconnexion. Comparées à la galvanoplastie, les méthodes PVD offrent une précision en termes d’épaisseur de dépôt. La pulvérisation se produit lorsque les ions d’argon sont accélérés vers un matériau résistant à l’EM pour en déloger les atomes. Au fur et à mesure que cela se produit, les atomes délogés se déposent sur la surface du matériau d’interconnexion du semi-conducteur.
En revanche, la méthode de dépôt par évaporation se produit après que le matériau résistant à l’EM soit chauffé à l’état vapeur, et lors de la condensation pendant le refroidissement, le dépôt a lieu. Une autre méthode de dépôt est le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), dans lequel un film solide se forme sur la surface de l’interconnexion après une réaction chimique de précurseurs volatils. Le CVD assure un revêtement conforme même sur des interconnexions complexes et est utilisé dans une gamme de matériaux semi-conducteurs.
Atténuer l’électromigration dans les semi-conducteurs haute tension
Il est essentiel de s’assurer que les semi-conducteurs haute tension offrent un transfert et un contrôle de puissance stables et fiables, et que les ingénieurs utilisent les outils et techniques appropriés pour atténuer les effets de l’électromigration dans les semi-conducteurs, prévenant les défaillances prématurées et assurant la fiabilité et la durabilité des FACTS.