Soutenance mémoire
Modules de puissance classiques – interconnexion par fils de bonding
Architecture des modules classiques
Dans ce type de module, le composant actif est brasé sur un substrat isolant DBC (Direct Bonded Copper) ou IMS (Insulated Metal Substrate). Le substrat est ensuite, brasé sur une semelle qui peut être à base de cuivre, d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium et de carbure de silicium (AlSiC). Pour évacuer les pertes issues du fonctionnement des puces par commutation et/ou des pertes par conduction, le module est monté sur un dissipateur thermique. Une interface thermique est nécessaire pour homogénéiser le contact entre le module et le dissipateur, [3]. L’interconnexion de la face avant du composant actif est assurée par des fils de bonding (d’un diamètre pouvant aller de 100 à 500 µm, [4]), généralement à base d’aluminium. Ce choix est conditionné par la nature de la métallisation des faces avant des puces qui est aussi en aluminium permettant ainsi la soudure par ultrason du fil de bonding sur cette dernière .
L’ajout d’un gel silicone encapsulant permet à la fois d’assurer une protection mécanique contre les agressions externes et d’améliorer l’isolation électrique. En effet, la rigidité diélectrique du silicone est comprise entre 15 et 20 kV.mm-1 contre environ 1 kV.mm-1 pour l’air sec. De plus, le gel permet de protéger les puces contre l’humidité et l’oxydation, [6].
Modules classiques et fiabilité
Méthodologie de vieillissement
Les études de fiabilité ont pour but de développer des modèles qui permettent de prédire la durée de vie des modules de puissances à l’aide d’essais de vieillissement accélérés tel que le cyclage thermique (passif et actif) parfois associés à des contraintes d’humidité et/ou de vibration, et de surcharges électriques.
En fonctionnement, les variations de température subies par les modules de puissance résultent à la fois des variations de température ambiante (elles peuvent être d’amplitude élevée mais de fréquence de répétition généralement faible). Les variations de température sont également liées au fonctionnement des convertisseurs, elles peuvent être de quelques dizaines de degrés et sont caractérisées par une fréquence d’occurrence plus élevée, liée à la vitessed’évolution des courants [7]. La contrainte thermique subie par le module est la « superposition » de ces deux contributions .
Les modules de puissance classiques sont composés d’un empilement de plusieurs matériaux hétérogènes en termes de composition et de dimension comme illustré sur la Figure 1.3. Les variations de température provoquent la dilatation (ou la compression) des différents matériaux, générant ainsi des contraintes thermomécaniques à l’intérieur du module et particulièrement aux interfaces des matériaux aux différences de CTE les plus élevées. Ces contraintes répétitives génèrent sur le long terme de la fatigue mécanique, s’accompagnant de fissuration et causant ainsi à terme sa défaillance.
L’étude de la durée de vie des composants de puissance se base sur une approche combinant des tests expérimentaux et des modèles multiphasiques. La partie expérimentale consiste à soumettre les composants à des essais de vieillissement qui peuvent être accélérés. Son but est de révéler les différents mécanismes de dégradation et de suivre leurs évolutions dans le temps jusqu’à l’apparition d’une défaillance. Ces tests permettent d’élaborer des modèles de durée de vie purement empiriques ou bien sont utilisés comme entrées pour des modèles basés sur la physique de défaillance [8] et [9]. Afin de suivre l’évolution de la dégradation des composants sous test, des indicateurs de vieillissements sont utilisés. Ils retournent une information sur l’état de dégradation des semiconducteurs et des différentes connectiques. Ils sont analysés tout au long du vieillissement ou périodiquement. Ils diffèrent selon la nature des composants semi-conducteurs et le type d’essai. À titre d’exemple, la résistance thermique Rth indique l’état de dégradation des brasures lors des cyclages thermiques. À l’inverse, l’évolution de la tension directe (ou la résistance à l’état passant RDSON) des MOSFETs renseigne sur la qualité des connectiques de la face avant. Une valeur limite est attribuée à chaque paramètre. Au-delà de cette limite, le composant est considéré comme défaillant, [10].
Pour l’étude de la durée de vie des modules de puissance classiques, plusieurs normes ont été établies à travers des projets ou autres (ex. Projet européen RAPSDRA [11]). Ils permettent de définir pour chaque essai, le protocole expérimental à suivre, les paramètres de suivi du vieillissement et les critères de défaillances à utiliser. Les contraintes thermiques étant principalement à l’origine de la défaillance des modules de puissance, nous nous sommes limités au vieillissement accéléré par cyclage thermique (actif et passif).
Essais de cyclage thermique passif
Le cyclage thermique passif reproduit principalement l’évolution de la température de l’environnement et des conditions climatiques. Il consiste à stresser l’ensemble du module de puissance par la variation de la température ambiante et ainsi entraîner une fatigue globale sur ce dernier. Il est basé sur l’application d’une variation de température répétitive ΔT à faible fréquence. Le choix de la plage de variation de température dépend du domaine d’application ; par exemple entre – 40°C et 120°C pour l’automobile [7], voir entre – 55°C et 200°C pour l’aéronautique (au plus proche des réacteurs), [12]. Cette variation de température génère des contraintes thermomécaniques dans l’assemblage, causées principalement par la différence des coefficients de dilatations thermiques CTE des différents matériaux du module (puce, substrat, connectiques…). Ces contraintes permettent de faire apparaître des modes de défaillances, principalement au niveau de la brasure entre le substrat et la semelle avec l’apparition de fissures à l’interface qui se propagent provoquant un délaminage important de la brasure mais aussi des fractures dans le substrat isolant lui-même [13].
Le cyclage thermique passif est élaboré dans des enceintes climatiques. Ces dernières sont configurées en fonction du profil thermique que l’on souhaite appliquer aux véhicules de test (température maximale et minimale, pente de variation de température, durée du palier aux températures extrêmes) .
Les phénomènes de fluage dans les brasures sont accélérés par la pente de variation de la température ainsi que la durée du palier, [14].
Essais de cyclage thermique actif
Le cyclage thermique actif consiste à injecter un courant périodique IF dans les puces du module de puissance, afin d’engendrer des pertes par effet Joules. Ces pertes génèrent un flux de chaleur évacué vers le dissipateur thermique et se traduisent par des échauffements locaux [15], la température maximale se trouvant au niveau des puces. Ce type de cyclage permet d’exciter les modes de défaillances au plus proche de la puce, telle que la levée des fils de bonding, reconstruction de la couche de métallisation.
Les paramètres essentiels du cyclage actif sont les suivants :
➢ ∆Tj est l’amplitude de variation de température de jonction, elle représente l’écart de température que l’on souhaite imposer entre les puces et la semelle;
➢ Tj°max est la valeur maximale de la température de jonction durant le vieillissement ;
➢ Tj°min est la valeur minimale de la température de jonction durant le vieillissement;
➢ IF est le courant à injecter au niveau de la puce.
➢ TON est la durée d’injection du courant (d’échauffement) et TOFF est la durée de refroidissement.
Le principe du cyclage thermique actif varie selon la nature du circuit, plus précisément selon la forme d’onde du courant injecté lors des essais de vieillissement. À cet effet, deux types de cyclage thermique actif existent. Le premier s’effectue sous courant continu (cyclage DC) dans lequel un courant constant périodique est injecté, le composant sous test (DUT) est toujours à l’état passant et la commutation étant assurée par des interrupteurs externes (Figure 1.6-a). L’avantage de ce type de circuit est la simplicité de mise en œuvre, la facilité de contrôle et la relative simplicité de suivi des indicateurs de vieillissement. Le deuxième type utilise un fonctionnement en PWM des puces à des fréquences de commutation élevées (Figure 1.6-b). Le cyclage en mode PWM permet de reproduire des conditions de fonctionnement plus proches du fonctionnement réel des dispositifs [16]. Cependant, il est plus compliqué à mettre en œuvre et les indicateurs de vieillissement sont plus difficiles à mesurer.
Les modes de défaillance engendrés dans les modules classiques
Plusieurs modes de défaillances peuvent apparaître au niveau des modules de puissances. Ils sont localisés à la fois au niveau du composant actif, ou bien au niveau des interfaces de contacts entre les différents matériaux du module. Dans ce qui suit, quelques mécanismes de défaillances sont présentés.
|
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
1 CHAPITRE. 1 ETAT DE L’ART
1 INTRODUCTION
2 MODULES DE PUISSANCE CLASSIQUES – INTERCONNEXION PAR FILS DE BONDING
2.1 Architecture des modules classiques
2.2 Modules classiques et fiabilité
2.3 Evolution des modules classiques vis-à-vis de la fiabilité
2.4 Conclusion et discussion sur les modules de puissance classiques
3 VERS UNE NOUVELLE TECHNOLOGIE DE MODULES DE PUISSANCE
3.1 Technologies sans fils de bonding
3.2 Intégration PCB avec matériaux d’interconnexion classiques
3.3 Intégration PCB avec de nouveaux matériaux d’interconnexion
4 CONCLUSION
2 CHAPITRE 2 TECHNOLOGIE D’INTEGRATION DE COMPOSANTS ACTIFS AU CŒUR DU PCB PAR MOUSSE METALLIQUE
1 INTRODUCTION
2 CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX UTILISES DANS LES ASSEMBLAGES PROPOSES
2.1 Les mousses métalliques
2.2 Le substrat PCB
2.3 Couches de Prepreg
2.4 Composants actifs
3 PROCEDES D’INTEGRATION PROPOSES
3.1 Procédé d’intégration avec imprégnation de la résine dans la mousse (PCB#1)
3.2 Procédé d’intégration sans imprégnation de la résine dans la mousse (PCB#2)
4 CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX ET DE L’ASSEMBLAGE PCB#1
4.1 Techniques d’observations par rayons X (analyse tomographique)
4.2 Caractérisation thermique
4.3 Caractérisation mécanique
4.4 Caractérisation électrique
5 D’AUTRES ALTERNATIVES A LA MOUSSE METALLIQUE ?
6 CONCLUSION
CHAPITRE 3 CYCLAGE THERMIQUE PASSIF
1 INTRODUCTION
2 METHODOLOGIE DE VIEILLISSEMENT
2.1 Définition des profils thermiques
2.2 Critères de défaillances
2.3 Équipements de test utilisés
2.4 Équipements d’analyse et de suivi des défaillances
3 EXPERIMENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS
3.1 Définition des assemblages utilisés durant cette étude
3.2 Essais menés et analyse des résultats
4 SIMULATION NUMERIQUE – MODELE 2D
4.1 Simulation des contraintes thermomécaniques dans l’assemblages PCB
4.2 Optimisation de l’assemblage : effet de l’épaisseur de la mousse sur les contraintes thermomécaniques
5 CONCLUSION
4 CHAPITRE 4 CYCLAGE THERMIQUE ACTIF
1 INTRODUCTION
2 SUIVI DE VIEILLISSEMENT
2.1 Paramètres de suivi de vieillissement
2.2 Mesure de la température de jonction
3 BANC DE TEST
3.1 Description du banc de test
3.2 Eléments constituants le banc d’essai
3.3 Validation des mesures indirectes de températures
4 CYCLAGE ACTIF DES ASSEMBLAGES PCB
4.1 Conditions de test
4.2 Analyses des résultats de vieillissement
5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
