Dispositivi di Potenza Innovativi in Si, SiC e GaN: Modelli, Caratterizzazione e Aspetti Applicativi

Power semiconductor devices are being more and more spreading, because of new applications in renewable energy and electrical vehicles. The need of studying topics related to power devices is even reinforced thanks to new wide band-gap materials, such as Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN), which have superior features in comparison to Silicon (Si), but also to innovative package solutions. For these reasons, the aims of this thesis regard modeling, characterization, and applicative aspects of innovate Si, SiC, and GaN devices, taking the advantage of a strong cooperation with industrial experience. Firstly, a review of the various power loss estimation methods, regarding all relevant device types, is accomplished, considering the most important electric and thermal experimental methods, analytical and numerical models. Then, a comprehensive and industry-related collection of the most important issues, encountered during the design phase of SiC power modules for tractions inverters, is given. Electric simulations have performed to evaluate the losses and junction temperature, parallel connection of dice inside a switch is studied by circuit simulations, Finite Element Method (FEM) models have developed to determine the thermal behaviour. Moreover, gate-source overvoltages problem, short circuit, and avalanche topics are treated. GaN power devices are then focused with a work that studies the dependences of dynamic drain-source resistance (dynamic RDS(ON)) on frequency, off time and voltage, temperature, and current, resulting in a novel applicative parametric study based on available literature data. A new FEM flow is proposed to study a GaN-surface-mounted device (SMD), to evaluate the thermal behavior of copper traces inside the package. This is achieved by an electromagnetic simulation to get the power losses, followed by a thermal study having the previously computed loss as input: package reliability is not reduced, because of the copper layer’s elastic regime deformation. The last part deals with SMD packages based on Si MOSFETs. Various high voltage MOSFET-based packages have studied experimentally. Furthermore, an analytical thermal model is proposed, which accounts for the heat transfer in the package and board system, resulting in a good trade-off between accuracy and low computation burden. The last chapter presents an innovative simulated-based design flow especially focused on low-voltage MOSFET-based packages, which comprises thermo-mechanical models to evaluate lifetime of solder joints (useful to compare structurally different options), electro-magnetic simulations to compute RDS(ON) and parasitic elements, and a thermal evaluation to ensure that the package’s temperature is below the maximum rating.

I dispositivi di potenza a semiconduttore si stanno sempre più diffondendo, a causa delle nuove applicazioni nell’ambito delle energie rinnovabili e nei veicoli elettrici. L’esigenza di approfondire gli studi su questi argomenti è suggerita e stimolata anche dalla recente disponibilità dei nuovi materiali wide-band gap, quali Silicon Carbide (SiC) e Gallium Nitride (GaN), che hanno caratteristiche superiori rispetto al Silicio (Si), e dello sviluppo di nuovi package. In questo quadro si inseriscono gli obiettivi della presente Tesi di dottorato, che riguardano lo studio di modelli numerici e analitici, la caratterizzazione sperimentale e gli aspetti applicativi di dispositivi innovativi in Si, SiC e GaN. Con una review introduttiva, sono stati passati in rassegna i metodi di stima delle perdite di potenza delle diverse tipologie di dispositivi considerando i metodi elettrici e termici sperimentali, e modelli numerici e analitici. Successivamente, sono state analizzate, nel complesso, le problematiche applicative più rilevanti, in ambito operativo, durante la fase di progettazione di moduli di potenza in SiC per inverter di trazione. Sono state eseguite simulazioni elettriche per valutare perdite di potenza e temperatura di giunzione; è stata studiata la connessione parallelo di più dispositivi in un singolo switch con simulazioni circuitali; è stato sviluppato un modello basato sul metodo degli elementi finiti (FEM), per determinare il comportamento termico. Inoltre, sono stati trattati temi riguardanti le sovratensioni gate-source, il cortocircuito e l’”avalanche”. I dispositivi di potenza in GaN sono stati, successivamente, esaminati, con un lavoro sulle dipendenze della resistenza dinamica tra “source” e “drain” (RDS(ON) dinamica) rispetto alla frequenza, al tempo e alla tensione di off, alla temperatura e alla corrente. Inoltre, è stato proposto un nuovo flusso FEM (elettromagnetico e termico) per studiare un dispositivo a montaggio superficiale (SMD) in GaN, al fine di valutare il comportamento termico delle piste di rame nel package. Dai risultati ottenuti è emerso che il regime di deformazione dello strato di rame è elastico, senza consumo di vita a fatica. Con l’ultima parte della Tesi è stata affrontata l’analisi di package SMD basati su MOSFET in silicio. Alcuni package basati su MOSFET di alta tensione sono stati analizzati sperimentalmente. È stato altresì sviluppato un modello termico analitico, considerando il trasferimento di calore nel sistema formato da package e board. I risultati ottenuti hanno dimostrato un buon compromesso tra accuratezza e basso sforzo computazionale. Con l’ultimo capitolo è stato presentato un flusso di design completo, che comprende simulazioni per package basati su MOSFET di bassa tensione. La metodologia adottata è basata su modelli termo-meccanici per valutare il lifetime di giunti di saldatura e simulazioni elettromagnetiche per calcolare la RDS(ON) e gli elementi parassiti. È stata anche effettuata una valutazione termica per assicurare che la temperatura del package rimanga sotto i valori massimi consentiti. L’attività svolta nell’ambito di questa Tesi di dottorato si è avvalsa della collaborazione di realtà industriali del settore dei dispositivi a semiconduttore.