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HAL Id: tel-00346572 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00346572 Submitted on 11 Dec 2008 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude de la fatigue thermo-mécanique de modules électroniques de puissance en ambiance de températures élevées pour des applications de traction de véhicules électriques et hybrides Mounira Bouarroudj-Berkani To cite this version: Mounira Bouarroudj-Berkani. Etude de la fatigue thermo-mécanique de modules électroniques de puissance en ambiance de températures élevées pour des applications de traction de véhicules élec- triques et hybrides. Sciences de l’ingénieur [physics]. École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2008. Français. tel-00346572 1 N° ENSC- THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Présentée par Madame Mounira BOUARROUDJ-BERKANI Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Domaine : ELECTRONIQUE- ELECTROTECHNIQUE – AUTOMATIQUE Sujet de la thèse : Etude de la fatigue thermo-mécanique de modules électroniques de puissance en ambiance de températures élevées pour des applications de traction de véhicules électriques et hybrides. Thèse présentée et soutenue à Cachan le 09 Octobre 2008 devant le jury composé de : Mauro CIAPPA Professeur- ETH Zurich Président Eric WOIRGARD Professeur -Bordeaux 1 Rapporteur François FOREST Professeur -Montpellier 2 Rapporteur Bruno ALLARD Professeur-INSA Lyon Examinateur Zoubir KHATIR Directeur de recherche-INRETS Co-Directeur Stéphane LEFEBVRE Professeur-CNAM Co-Directeur Serge BONTEMPS Responsable Technique-MICROSEMI Invité Stéphane CARUBELLI Ingénieur-PSA PEUGEOT CITROEN Invité Thèse préparée à : Laboratoire des Technologies Nouvelles et au Laboratoire SATIE (ENS CACHAN/CNRS/UMR 8029) 2 3 A mes parents, A Sofiane mon mari 4 5 Remerciements Cette thèse à été préparée à l’Institut Nationale de Recherche sur les Transports et leurs Sécurité (INRETS) au sein duquel j’ai passé trois années très enrichissante scientifiquement et humainement. Mes remerciements s’adressent en premier lieu à mes encadrants, Zoubir KHATIR et Stéphane LEFEBVRE pour lesquels je présente ma profonde gratitude. Je les remercie pour leur encadrement, leur disponibilité et leur savoir faire scientifique qui m’ont aidé à réaliser les travaux présentés dans ce manuscrit et m’ont permis d’évoluer tout au long de ces trois années de thèse. Je remercie M. Gérard Coquery, directeur du Laboratoire des Technologies Nouvelles, pour son accueil au sein de son équipe et pour la confiance qu’il m’a accordée. J’exprime ma reconnaissance à M. François FOREST, Professeur et directeur du Laboratoire d'Electrotechnique de Montpellier, et M. Eric WOIRGARD, Professeur à l’Université Bordeaux 1, pour avoir accepté de rapporter sur mon manuscrit. Je remercie M. Mauro CIAPPA de l’ETH Zurich et M. Bruno ALLARD de l’INSA de Lyon pour m’avoir fait l’honneur de faire partie de mon jury de thèse. Je remercie également M. Serge BONTEMPS de la société MICROSEMI et M. Stéphane CARUBELLI de PSA-PEUGEOT-CITROEN d’avoir accepté de faire partie du jury de ma soutenance en tant que membres invités. Je remercie toute l’équipe du SATIE et du CNAM pour leur accueil chaleureux lors de mes passages pour réaliser quelques travaux au court de ma thèse, je pense particulièrement à Jean Claude FAUGIERES du CNAM qui s’est occupé des échantillons cyclés dans le DRAGON et Mohand ARAB pour m’avoir consacré du temps à réaliser les analyses EDX à l’ENS Cachan. Que toute l’équipe technique du LTN soit profondément remercié, particulièrement Jean Pierre OUSTEN, Frederic BADEL (parti depuis un an pour un autre horizon professionnel), Sébastien DEBUQUOI et Pachak BOUGNALITH pour la mise en œuvre des essais expérimentaux en cyclage actif. Une profonde reconnaissance pour Michel SEBES qui m’a beaucoup aidé dans l’utilisation d’ANSYS et Richard LALLEMAND pour son aide précieuse devant le scan acoustique sans oublier Juliette KAUV pour son coup de main et son soutien lors de l’utilisation de la vieille polisseuse. Je remercie tout les membres du LTN pour leur accueil et leur sympathie envers moi. Les conversations à la cantine ou dans le couloir ont toujours été intéressantes, particulièrement les récits de Jean-Louis sur son expérience Algérienne. Je tiens aussi à remercier mes collègues thésards : Roland, Etienne et Marouan et je souhaite bon courage aux jeunes doctorants: Zohra, Fatma, Flora et Faicel et puis je dis merci à tout les autres : Laurent, Walid, Allou et Latifa. Une pensée à Abdel Kader Sahraoui du LAAS qui m’a fait découvrir le monde de la recherche. Les longues discutions et ses conseilles ont été d’un grand réconfort au court de mon stage de DEA. Je remercie également mon amie Aicha avec qui j’ai partagé les joies et les frustrations d’une thèse. Merci à tous ceux que j’ai croisé au court de ces trois années et qui m’ont apporté leurs soutiens et leurs aides d’une manière ou d’une autre. Enfin, je remercie ma famille et ma belle famille pour leurs soutiens. Je remercie mes parents, sans qui je ne serais pas arrivé jusque là et Sofiane mon mari qui à su être à l’écoute au court de ces trois années et m’a soutenu sans relâche jusqu’au bout. 6 7 Table des Matières Introduction Générale .....................................................................................17 CHAPITRE I Etat de l’art sur la technologie des modules IGBT de puissance..........................................................................................................21 I.1. Introduction.....................................................................................................................................21 I.2. Les composants de puissance........................................................................................................22 I.3. Structures et technologies des puces IGBT................................................................................25 I.4. Les différentes structures d'IGBT................................................................................................26 I.4.1. Transistor IGBT Punch Trough (PT)..................................................................................26 I.4.2. Transistor IGBT Non Punch Trought (NPT)....................................................................27 I.4.3. Transistor IGBT à champ limité (Fiel Stop ou Soft Punch Through)............................27 I.4.4. Technologie Trench-Gate (grille à tranchées).....................................................................27 I.5. Les technologies d’assemblage......................................................................................................29 I.5.1. Les substrats isolants ..............................................................................................................29 I.5.2. Les brasures..............................................................................................................................31 I.5.2.1. Quelques alliages sans plomb ........................................................................................33 I.5.2.2. Contraintes liées au passage au sans plomb.................................................................34 I.6. Contraintes thermiques imposées aux composants de puissance............................................35 I.7. Les modes de défaillance engendrés ............................................................................................36 I.7.1. Défaillances au niveau Assemblage ......................................................................................36 I.7.1.1. Levée et fracture des fils de bonding............................................................................36 I.7.1.2. Fissuration des brasures..................................................................................................38 I.7.1.3. Dégradation du DCB......................................................................................................39 I.7.2. Défaillances au niveau Puce...................................................................................................40 I.7.3.1. Reconstruction de la métallisation ................................................................................40 I.7.3.2. Dégradation de l’oxyde...................................................................................................41 I.7.3.3. Passivation des zones périphériques de tenue en tension .........................................41 I.8. Fiabilité et durée de vie des composants de puissance..............................................................41 I.8.1. Estimation de la durée de vie par des tests de vieillissement accélérés...........................42 I.8.2. Estimation de la durée de vie par des modèles physiques.................................................44 I.8.3. Modèles de durée de vie des brasures ..................................................................................46 CHAPITE II Vieillissement accéléré par cyclage actif............................. 49 II.1. Introduction ...................................................................................................................................49 II.2. Equipement de test .......................................................................................................................50 II.2.1. Banc d’essai.............................................................................................................................50 II.2.2. Circuit de refroidissement ....................................................................................................51 II.2.3. Les modules IGBT testés.....................................................................................................53 II.2.4. Instrumentation des modules sur le banc d’essai..............................................................54 8 II.2.4.1. Les paramètres thermiques relevés..............................................................................55 II.2.4.2. Les paramètres électriques............................................................................................56 II.3. Protocole des essais de cyclage actif...........................................................................................56 II.3.1. Caractérisations préliminaires ..............................................................................................56 II.3.1.1. Caractérisations électriques...........................................................................................56 II.3.1.1.1. Mesure des courants de fuite................................................................................56 II.3.1.1.2. Mesure de la tension seuil .....................................................................................57 II.3.1.1.3. Calibration thermique............................................................................................58 II.3.1.2. Caractérisation mécanique............................................................................................59 II.3.1.2.1. Analyse acoustique.................................................................................................59 II.3.1.2.2. Mesure de planéité..................................................................................................62 II.3.2. Mesures réalisées durant le cyclage .....................................................................................62 II.3.2.1. Mesure de la température de jonction.........................................................................63 II.3.2.2. Evolution de la chute de tension directe Vce ............................................................64 II.3.2.3. Mesure des résistances thermiques..............................................................................65 II.3.3. Définition des conditions de cyclage..................................................................................66 II.3.4. Critères de défaillance ...........................................................................................................67 II.4. Cyclage actif des modules IGBT.................................................................................................68 II.4.1. Analyse des résultats du cyclage ..........................................................................................69 II.4.1.1. Dégradation au niveau assemblage..............................................................................70 II.4.1.1.1. Dégradation des fils de bondings.........................................................................70 II.4.1.1.2. Délaminage des brasures.......................................................................................73 II.4.1.2. Dégradations au niveau de la puce..............................................................................76 II.4.1.2.1. Reconstruction de la métallisation.......................................................................76 II.4.1.2.2. Evolution de la tension de seuil ...........................................................................77 II.4.1.2.3. Augmentation brutale de la température de jonction .......................................78 II.5. Synthèse des résultats....................................................................................................................80 Chapitre III Vieillissement Accéléré par Cyclage Passif................................81 III.1. Introduction..................................................................................................................................81 III.2. Détermination des profils thermiques......................................................................................82 III.3. Equipements utilisés pour les tests de cyclage passif .............................................................82 III.3.1. Equipement de tests ............................................................................................................82 III.3.2. Equipements d’analyse........................................................................................................83 III.4. Expérimentation et Analyse des résultats.................................................................................84 III.4.1. Analyse initiale......................................................................................................................85 III.4.2. Profils thermiques obtenus.................................................................................................87 III.4.3. Initiation des fissures...........................................................................................................88 III.4.4. Propagation des fissures......................................................................................................91 III.4.4.1. Mesure de la vitesse de propagation..........................................................................96 CHAPITE IV Modélisation et simulation thermo-mécanique.................... 99 IV.1. Introduction..................................................................................................................................99 IV.2. Quelques notions de mécanique..............................................................................................100 9 IV.2.1. Contraintes thermiques et mécaniques ...........................................................................100 IV.2.2. Lois de comportement des solides ..................................................................................101 IV.2.3. Propriétés des matériaux de l’assemblage étudié...........................................................106 IV.3. Effet des géométries de brasures sur les résultats de simulation thermomécanique .......107 IV.3.1. Modélisation des géométries de brasures .......................................................................108 IV.3.2. Résultats obtenus................................................................................................................109 IV.3.3. Effet de la géométrie sur l'évaluation de durée de vie des brasures............................114 IV.4. Simulation du cyclage passif.....................................................................................................117 IV.4.1. Résultats pour une brasure au plomb..............................................................................118 IV.4.2. Résultats pour une brasure sans plomb ..........................................................................123 IV.5. Combinaison entre le cyclage passif et actif...........................................................................125 IV.5.1. Modèle 3D et conditions aux limites...............................................................................125 IV.5.2. Résultats au niveau de la brasure .....................................................................................127 IV.5.3. Résultats au niveau de la puce..........................................................................................130 Conclusion Générale...................................................................................... 131 Références Bibliographiques ........................................................................135 10 11 Liste des figures Chapitre I Fig.I.1 : (a) Module IGBT moyenne puissance (600V-200A), (b) Module IGBT forte puissance (3200V-1200A).............................. 22 Fig.I.2 : Eexemple de substrat DCB avec des métallisations en cuivre (CURAMIK)................................................................................ 22 Fig.I.3 : Schéma d’un assemblage d’un module de puissance....................................................................................................................... 23 Fig.I.4 : Mmodule sans semelle de Semikron ............................................................................................................................................ 23 Fig.I.5 : uploads/Science et Technologie/ mounira-bouarroudj-berkani.pdf