Le développement des convertisseurs haute tension pour les applications de traction ou de distribution électrique nécessite de travailler à la fois sur la réalisation de transistors IGBT à plus forts calibres en tension et sur leur association en série. L'objectif est d'obtenir des systèmes fiables et compacts, aspects critiques dans les applications embarquées par exemple. L'étude s'intéresse à la mise en série. Son originalité repose sur une évaluation d'une large palette de solutions avec un objectif d'intégration hybride élevée. Cette intégration génère d'importantes contraintes, que ce soit électrique ou thermique, entre autres, au sein des boîtiers. Les valeurs de ces contraintes et leur degré de couplage ont été étudiés. Le travail a été mené à l'aide de simulations éléments finis couplées à des mesures ceci afin de servir de base à une aide à la conception intelligente de boîtiers dans le futur.

Les convertisseurs de puissance en DC/DC sont largement utilisés pour les applications domestiques et industrielles pour des puissances de quelques Watts à quelques MégaWatts. Généralement, pour chaque application un convertisseur adapté est conçu afin de répondre au cahier des charges. A chaque nouvelle application correspond donc un nouveau convertisseur, ce qui conduit à concevoir systématiquement de nouvelles structures de conversion et qui s'avère coûteux en temps et en argent. Eventuellement, cela peut conduire à des développements technologiques spécifiques qui, eux aussi ont des conséquences sur le coût de développement des solutions d'électronique de puissance. Afin de contourner ces difficultés, mes travaux de thèse portent sur la démarche Réseaux de Micro Convertisseurs (RµC) qui propose une nouvelle approche permettant de répondre de manière totalement flexible à n'importe quel cahier des charges. Cette approche vise à créer un composant unique, appelé cellule élémentaire (CE), permettant de répondre à tout type de cahiers des charges par la mise en série et/ou en parallèle de plusieurs de ces cellules élémentaires. Elle permet ainsi de régler les calibres en tension et/ou en courant du convertisseur à réaliser. Mes travaux de thèse se divisent en deux grandes parties. La première partie consiste en la conception et l'intégration de la cellule élémentaire utilisée dans le RµC. La deuxième, aborde les stratégies de configuration utilisées dans les RµC ainsi que les modes d'association des cellules élémentaires pouvant répondre à n'importe quel cahier des charges.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre des problèmes d'intégration des dispositifs électriques en général et des composants passifs en particulier permettant de réaliser des systèmes de conversion intégrés. Le travail débute avec l'étude et la caractérisation de transformateurs piézoélectriques de taille " méso " de quelques fractions de watts à quelques watts destinées à la mise en œuvre d'une commande rapprochée de transistors de puissance MOSFET & IGBT intégrée sur un substrat en PCB. Il se place ensuite dans la problématique de l'intégration sur silicium de micro-transformateur piézoélectriques pour des systèmes d'alimentation électrique de quelques micro-watts. L'objectif est d'établir de nouvelles structures de micro-transformateur, exploitant des couches minces d'AlN et de PZT déposées par pulvérisation cathodique, dont les étapes de fabrication sont compatibles avec les technologies et les contraintes de la microélectronique.

La photonique sur silicium connaît depuis plusieurs années un fort développement avec la démonstration d’importants résultats concernant les interconnexions optiques. En effet, l’explosion du trafic de données au sein des centres de données a nécessité de trouver une solution annexe aux interconnexions métalliques afin de supporter de très hauts débits de transmission, tout en assurant une faible consommation énergétique et un coût raisonnable. Les applications de la photonique se situent d’une part dans le domaine des communications à longue distance entre équipements dont les standards actuels visent un débit de 400 Gb/s, et d’autre part dans le domaine des calculateurs à haute performance afin de réaliser les interconnexions courte distance entre un processeur et une banque de mémoires.STMicroelectronics s’est lancé depuis 2012 dans le développement d’une plateforme photonique sur silicium sur wafers de 300mm. Les principaux objectifs sont : la conception des composants optiques passifs et actifs pour réaliser un transceiver élémentaire à un débit de 20 Gb/s, l’intégration accrue des dispositifs électro-optiques afin de constituer un interposeur photonique, la capacité à gérer plusieurs longueurs d’onde.Dans ce contexte, le sujet de cette thèse porte sur la mise au point d’un circuit de qualification proposant l’intégration d’un transmetteur électro-optique à l’échelle de la puce.Cette solution tire bénéfice de l’architecture de l’assemblage en trois dimensions des éléments constitutifs au sein de l’interposeur et permet de traiter l’hétérogénéité des composants électriques et optiques.Dans ces travaux, nous proposons dans un premier temps d’étudier le modulateur optique. Celui-ci repose sur l’utilisation d’un anneau résonant dont la bande passante est optimisée afin de permettre des débits jusqu’à 50 Gb/s. Dans un second temps, nous décrivons la conception du driver électrique en technologie CMOS 55nm et expliquons le compromis mis en jeu entre la vitesse et la puissance consommée par le transmetteur. Les deux dispositifs sont fabriqués sur des plateformes distinctes, puis caractérisés et analysés par rapport à leur modèle respectif. Puis, nous réalisons une première intégration du transmetteur complet via un assemblage wire-bonding, ce qui nous permet de valider son fonctionnement et d’identifier les difficultés d’une telle co-intégration. Enfin, la dernière partie de la thèse est consacrée à la préparation d’un démonstrateur intégrant, dans un assemblage 3D à base de micro-piliers en cuivre, un lien électro-optique capable de transmettre 16 canaux à 20 Gb/s. Le multiplexage en longueurs d’onde déployé dans ce lien devrait permettre d’atteindre un débit total de 320 Gb/s. De plus, l’étude énergétique du système permet de s’assurer que l’interconnexion finale respectera les contraintes de consommation de puissance. / Stimulated by a series of important breakthrough, silicon photonics has been experiencing a significant development for several years. Indeed, due to exponential growth of data traffic inside datacenters, an alternative solution to metallic interconnects has been proposed to address very high transmission rates while ensuring a low energy consumption and a reasonable cost. Promising applications are in the field of both long- and short-distance optical communications. Long-range interconnects between datacenter equipment currently target an aggregate throughput of 400 Gb/s while short-reach interconnects are involved in high performance computers between a processor and a memory bank.STMicroelectronics has been developing a silicon photonic platform on 300 mm wafers since 2012. The main objectives are: the design of passive and active optical components to achieve an elementary 20 Gb/s transceiver, the increased integration of electro-optic devices to form a photonic interposer, the ability to manage several wavelengths.In this context, this PhD report deals with a testchip development at wafer level, proposing the integration of anelectro-optic transmitter. This solution benefits from the three dimensions assembly architecture of the dies within the photonic interposer and can handle the heterogeneity of electrical and optical components.This work first proposes to study the optical modulator which is based on a ring resonator. The ring bandwidth is optimized to operate up to 50 Gb/s. Secondly, the 55nm CMOS electrical driver design is described and the trade-off between transmitter speed and power consumption is highlighted. Both devices are fabricated on distinct technological platforms, then characterized and analyzed with respect to their respective models. A first integration of the complete transmitter is assembled through wire-bonding method, which enables to validate the transmitter operation. Finally, the last part of the report is devoted to the preparation of a 3D demonstrator based on micro-copper pillars assembly. The demonstrator integrates a wavelength division multiplexed link with 16 channels, which is expected to achieve a total throughput of 320 Gb/s. In addition, the system study enables to ensure that the final interconnect will respect power consumption constraints.

Afin de rendre les télécommunications optiques disponibles au plus grand nombre, le rapport coût/fonctions entrainé par la production de composants photoniques doit être fortement réduit. Or, un procédé permet de repousser les limites des dispositifs classiques basés sur un seul matériau. Il s'agit de l'intégration hybride. Cette technique fait intervenir deux échantillons ou plus pour optimiser les composants. C'est pourquoi ce projet de maîtrise s'est concentré sur le développement de nouvelles technologies de fabrication pouvant appuyer l'hybridation. En fait, ce document aborde le sujet à partir des trois directions suivantes: Direction 1: Collage moléculaire basse température à base de titane oxydé par plasma. Dans ce premier cas, le but est d'obtenir des collages moléculaires dont la forte adhésion permet de faire de l'intégration hybride en dessous de 300 [degrés Celsius]. Pour y arriver, une couche intermédiaire de titane oxydé par plasma est utilisée. Cela rend possible le collage d'échantillons de petites tailles, de matériaux différents et possédants des microstructures. Direction 2: Intégration de réseaux de Bragg verticaux dans des circuits planaires optiques. Dans ce second cas, le but est d'intégrer des réseaux de Bragg verticaux sur des branches de jonctions"Y" grâce à une lithographie mixte (photolithographie et électrolithographie combinés). Cela rend possible l'étude de dispositifs non disponibles commercialement. Direction 3: Coupleur SU-8/Silicium à faibles pertes. Dans ce dernier cas, le but est de faire le prototypage rapide de coupleurs dont les simulations prédisent une grande efficacité de couplages (>75%). Ces composants tirent profit de la plateforme silicium-sur-isolant (SOI ) et d'une photorésine, la SU-8. Cela rend possible la fabrication et le test de la première génération de ces coupleurs. L'ensemble de ces travaux ouvre la voie à des projets de microfabrication de dispositifs photoniques hybride complets et fonctionnels à l'Université de Sherbrooke.

La photonique sur silicium a le potentiel de rendre des technologies de télécommunication optiques accessibles au grand public. Alors que l’indice de réfraction élevé du silicium permet de fabriquer des circuits photoniques intégrés (CPI) compacts, il rend difficile l’injection de lumière sur les puces de silicium. Pour faciliter le transfert de lumière d’une fibre optique vers un guide d’onde en silicium, une plateforme technologique nommée coupleur évanescent optimisé pour les différences d’indice de réfraction élevées (CEIRE) a été développée à l’Université de Sherbrooke. Afin d’appuyer cette méthode d’injection, des technologies complémentaires ont également été étudiées.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans une thématique nouvelle pour 1*équipe Electronique de Puissance du LEG : "l'intégration hybride des composants passifs". Us portent sur la conception de composants passifs et s'attardent sur leur modélisation, leur réalisation et leur caractensation. Ces composants seront employés au sein d'un convertisseur AC-DC à prélèvement sinusoïdal qui servira de support à notre étude. Il ressort d'une évaluation de quelques convertisseurs que la structure à résonance série se prête bien à l'intégration. Les effets des interactions électriques en haute fréquence ont été pris en compte grâce à une nouvelle formulation axisymétrique. Cette dernière couplée avec les équations de circuit électrique s'avère bien adaptée pour la caractérisation électromagnétique des composants magnétiques. Les travaux de modélisation des composants passifs, développés au LEG, ont permis de caractériser la structure LCT en prenant en compte tous les aspects utiles de son comportement. Cela a conduit, en particulier, à l'évaluation des pertes dues au diélectrique. Les mesures ont montré que la structure LCT intégrée apporte surtout une meilleure compacité.

Les convertisseurs de puissance en DC/DC sont largement utilisés pour les applications domestiques et industrielles pour des puissances de quelques Watts à quelques MégaWatts. Généralement, pour chaque application un convertisseur adapté est conçu afin de répondre au cahier des charges. A chaque nouvelle application correspond donc un nouveau convertisseur, ce qui conduit à concevoir systématiquement de nouvelles structures de conversion et qui s'avère coûteux en temps et en argent. Eventuellement, cela peut conduire à des développements technologiques spécifiques qui, eux aussi ont des conséquences sur le coût de développement des solutions d'électronique de puissance.Afin de contourner ces difficultés, mes travaux de thèse portent sur la démarche Réseaux de Micro Convertisseurs (RµC) qui propose une nouvelle approche permettant de répondre de manière totalement flexible à n’importe quel cahier des charges. Cette approche vise à créer un composant unique, appelé cellule élémentaire (CE), permettant de répondre à tout type de cahiers des charges par la mise en série et/ou en parallèle de plusieurs de ces cellules élémentaires. Elle permet ainsi de régler les calibres en tension et/ou en courant du convertisseur à réaliser. Mes travaux de thèse se divisent en deux grandes parties. La première partie consiste en la conception et l’intégration de la cellule élémentaire utilisée dans le RµC. La deuxième, aborde les stratégies de configuration utilisées dans les RµC ainsi que les modes d’association des cellules élémentaires pouvant répondre à n’importe quel cahier des charges. / DC/DC power converters are widely used for domestic and industrial applications with powers from a few watts to several MegaWatts. Generally, for each application, an appropriate converter is designed to meet the specifications. So, with a new application corresponds a new converter leading to systematic review and re-design of a new structure of conversion which is costly in time and money. Eventually, it can lead to specific technological developments which also have an impact on the cost of developing solutions for power electronics. To circumvent these difficulties, my thesis focuses on the process of Micro Converters Networks (MiCoNet) which proposes a new approach to respond fully flexibely to any specifications. The aim of this approach is to create a unit component, called elementary cell, able to respond to any kind of specifications by connecting in series and/or parallel several of these elementary cells. It permits to adjust the voltage and/or current of the converter to achieve. Therefore, my thesis is divided into two main parts. The first part consists in the design and the integration of the elementary cell used in the MiCoNet. The second discusses the configuration strategies used in the MiCoNet and association modes of elementary cells which can respond to any specification.

L’émergence des satellites très haut débit pour la couverture des zones rurales s’accompagne de nombreuses contraintes technologiques. Dans le cadre du plan France très haut débit, le projet THD-sat proposé par le CNES se base sur l’utilisation des bandes Q et V pour assurer les liaisons avec les stations au sol et libérer de la ressource sur la bande Ka communément utilisée par les satellites ancienne génération. Avec la montée en fréquence, les besoins en termes de filtrage deviennent très stricts nécessitant des considérations particulières. Le premier chapitre reprend le contexte de l’étude et expose les différents éléments permettant de justifier le choix de la technologie SIW qui profite à la fois des bons facteurs de qualité des modes volumiques se propageant dans le substrat et de l’aisance du procédé technologique et de l’intégration des structures planaires. Les performances des cavités SIW restent néanmoins intimement liées à l’épaisseur de substrat qui doit être augmentée pour atteindre de meilleurs facteurs de qualité. L’augmentation de l’épaisseur de substrat s’accompagne de deux principales limitations : le rallongement des fils de « bonding » utilisés pour le câblage du filtre à son environnement MIC d’épaisseur 254 μm et l’élargissement de la ligne d’accès 50 Ω induisant des problèmes de discontinuités et d’excitations de modes parasites. L’approche suivie consiste à considérer des formes 3D permettant l’adaptation de mode et d’épaisseur entre une ligne microruban sur substrat de 254 μm d’épaisseur et le SIW d’épaisseur plus importante. Une nouvelle transition 3D est dès lors imaginée. Le chapitre II reprend les différents procédés technologiques utilisés pour la mise en forme et la métallisation des substrats 3D. Les substrats considérés sont l’alumine et la silice fondue mis en forme par ablation laser et le thermoplastique COP mis en forme par moulage. La principale limitation de l’ablation laser concerne les épaisseurs de substrat accessibles. Nous nous limitons à 635 μm dans le cas de l’alumine et à 500 μm dans le cas de la silice fondue. Le moulage polymère permet de s’affranchir de cette limitation et de viser des substrats plus épais (2 mm pour la solution COP).Le chapitre III reprend les étapes de conception des différentes solutions de filtrage avec la nouvelle transition 3D. Des résultats de mesures de différents prototypes réalisés sont par ailleurs présentés. Ces résultats sont globalement encourageants mais nécessitent d’être davantage développés pour être mieux exploitables. / The emergence of satellite high-speed internet for the coverage of rural zones is accompanied by numerous technological constraints. The current trend is to use higher frequency bands to release the satellite capacity for users. The increasing frequency requires new considerations especially for filtering needs which become notably strict in terms of performance and integration in small integrated circuits. This work introduces filtering solutions based on high quality factor Substrate Integrated Waveguides (SIW) using a novel 3D transition for a better integration in widely planar Hybrid ICs.The first chapter introduces the study’s context and the different elements justifying the use of the SIW technology.In fact, these structures profit from both the good quality factors of TE-modes propagating in the substrate and the easy fabrication process and integration of planar circuits. However, to increase the SIW quality factor, the substrate’s height should be increased which induces interconnection limitations such as long bond wires with high parasitic effects and large microstrip access lines with discontinuity problems and the propagation of parasitic modes. The adopted approach consists in imagining 3D shapes providing both mode and thickness matching between a microstrip line etched on a thin substrate and a high substrate SIW.The second chapter introduces the different manufacturing processes used for the substrate’s shaping and metallization. Three substrates are considered: Alumina, fused Silica and Cyclo Olefin Polymer COC. Alumina is widely used in space applications and has a well-mastered process. For equivalent dielectric losses, fused silica has a lower permittivity for bigger structures with less manufacturing tolerance sensitivity. Both Alumina and fused silica substrates are shaped using a laser ablation. The reachable substrate’s height using this machining method is relatively low. The polymer solution (COP) is elaborated using a molding process allowing higher substrates heights.The last chapter outlines the design steps of the different solutions and the measurement results of the first prototypes. These results are on the whole encouraging but require further development.

Actuellement, le module de puissance (convertisseur de puissance) standard hybride 2D est la technologie de référence qui domine le marché de la moyenne et de la forte puissance. Ce dernier se présente sous la forme d'un boitier à multi-puces discrètes. Les puces à semi-conducteur sont reliées entre elles par des faisceaux de wire-bonding (câblage par fils) pour former des cellules de commutation. La technologie d'interconnexion wire-bonding présente une grande maturité technologique, et ses modes de défaillance sont bien connus aujourd'hui. Toutefois, cette technologie est un facteur limitant en termes de performances électrique et thermomécanique, d'intégrabilité tridimensionnelle et de productivité. Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer et d'étudier de nouvelles architectures de convertisseurs de puissance très intégrés. Comparée à la technologie hybride, dite de référence, les architectures proposées visent à un degré d'intégration plus poussé, avec un effort d'intégration partagé et conjoint au niveau semi-conducteur (intégration monolithique) et au niveau assemblage (intégration hybride). L'intégration monolithique consiste à intégrer les interrupteurs formant les cellules de commutation dans de nouvelles architectures de puces, passant ainsi de la notion de puce dipôle à celle de macro-puce multi-pôle. L'intégration hybride repose sur le développement de nouvelles technologies de report et d'assemblage de ces macro-puces. Pour valider les trois nouvelles architectures d'intégrations proposées, la démarche a consisté dans un premier temps à étudier et valider le fonctionnement des nouvelles puces par des simulations SentaurusTM TCAD. Ensuite, les puces multi-pôles ont été réalisées en s'appuyant sur la filière IGBT disponible dans la plateforme de micro-fabrication du LAAS-CNRS. Pour finir, les puces ont été reportées sur des cartes PCB, afin de réaliser des circuits de conversions prototypes. La maille de commutation très intégrée proposée présente une inductance parasite inférieure au nanohenry, ce qui est remarquable comparée à ce qui est présenté dans l'état de l'art (env. 20 nH). / Currently, the standard 2D hybrid power module (power converter) is the reference technology for the medium and high power market. This hybrid power module is a discrete multi-chip case. The semi-conductor chips are interconnected by wire-bonding to form switching cells. The wire-bonding interconnection technology is a limiting factor in terms of electrical and thermomechanical performances, three-dimensional integrability and productivity. The aim of this thesis is to study new architectures of very integrated power converters. Compared to the so-called hybrid reference technology, the proposed architectures aim at a greater degree of integration, with an integration at both the semi-conductor level (monolithic integration) and the packaging level (hybrid integration). Monolithic integration consists in integrating switching cells into new multi-terminal macro-chip architectures. Hybrid integration consists in developing of new technologies to assemble these macro-chips. To validate the different proposed integration architectures, the first step was to study and validate the operating modes of the new chips by SentaurusTM TCAD simulations. Then, the multi-terminal chips were realized in the micro and nanotechnology platform of LAAS-CNRS laboratory. Finally, the chips were bonded on PCB substrates to realize power converter circuit prototypes. The highly integrated switching loop presents a stray inductance loop lower than one nanohenry, wich is an important improvement as compared to the values reported in literature (about 20 nH).