Aging and failure modes of IGBT power modules undergoing power cycling in high temperature environments

par Vanessa Smet

Thèse de doctorat en Génie électrique, électronique, photonique et systèmes

Sous la direction de François Forest et de Jean-Jacques Huselstein.

Le président du jury était André Chrysochoos.

Le jury était composé de François Forest, Jean-Jacques Huselstein, André Chrysochoos, Stéphane Lefebvre, Alan Mathewson, Frédéric Richardeau.

Les rapporteurs étaient Zoubir Khatir, Yvan Avenas.

  • Titre traduit

    Vieillissement et modes de défaillances de modules de puissance IGBT stressés en régime de cyclage thermique actif à hautes températures


  • Résumé

    Cette thèse a pour objet l'étude de la fiabilité de modules de puissance triphasés à IGBTs 200 A - 600 V, destinés à la construction d'onduleurs de traction pour des applications automobiles hybrides ou électriques. Ces travaux visent à évaluer la tenue de ces modules de puissance en régime de cyclage thermique actif à hautes température, en mettant l'accent sur leur résistance à la fatigue thermomécanique. Deux approches complémentaires ont été mises en oeuvre dans ce but: tests de vieillissement accéléré et modélisation numérique. Une compagne d'essais de vieillissement par cyclage actif a été menée avec des profils de température variés, définis par la température ambiante et la variation de température de jonction des IGBTs, utilisés comme facteurs d'accélération des contraintes. Au cours de ces tests, les composants ont électriquement fonctionné dans des conditions semblables à une application réelle (commande MLI). L'objectif était d'identifier les modes de défaillance, d'estimer l'influence des facteurs d'accélération du vieillissement, et d'évaluer la pertinence des indicateurs de défaillance classiques dans ces conditions de stress thermiques sévères. Aussi, afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance responsables de la fatigue de l'assemblage des modules considérés, une modélisation thermomécanique visant à déterminer l'impact des modèles de comportement mécanique sur la durée de vie estimée des brasures, a été développée. La réponse de l'assemblage à des contraintes de cyclage actif similaires à celles appliquées durant les essais a été évaluée par analyse numérique. Les différentes lois de comportement ont été comparées en termes de contraintes, déformations plastiques, et densité d'énergie plastique dans les brasures.


  • Résumé

    This thesis is dedicated to reliability investigations led on three-phase 200~A~--~600~V IGBT power modules, designed for building drive inverters for hybrid or electric automotive traction applications. The objective was to evaluate the durability of the studied modules when they withstand power cycling in high temperature environments, and especially their resistance to thermo-mechanical fatigue. Two complementary approaches were considered: accelerated aging experiments and numerical modeling.A series of power cycling tests was carried out over a large range of temperature profiles, defined by the ambient temperature and IGBT junction temperature excursion. These quantities are used as thermal stress acceleration factors. Those experiments were led in realistic electrical conditions (PWM control scheme). They aimed at identifying the failure modes of the target devices, assessing the impact of the acceleration factors on their aging process, and evaluating the suitability of standard aging indicators as damage precursors in such harsh loading conditions. Besides, to better understand the failure mechanisms governing the fatigue life of the modules assembly, a thermo-mechanical modeling focusing on solder joints was built. Our simulation efforts concentrated on the appraisal of constitutive modeling effects on solder joints lifetime estimation. Numerical analysis of the assembly response to power cycling in similar operating conditions as practiced in experiments were performed. Behavior laws were then compared on stress, plastic strain, and strain energy density developed within the joints.


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