Caractérisation de l'endommagement de composants électroniques de puissance soumis à des tests de vieillissement accéléré

par Donatien Martineau

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Marc Legros et de Colette Levade.

Soutenue le 17-03-2011

à Toulouse, INSA, dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse), en partenariat avec Centre d'Elaboration des Matériaux et d'Etudes Structurales (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-marie Dorkel.

Le jury était composé de Marc Legros, Colette Levade, Philippe Dupuy, Zoubir Khatir, Tony Lhommeau.

Les rapporteurs étaient Mauro Ciappa, Stephane Lefebvre.


  • Résumé

    L’intégration des dispositifs électroniques de puissance dans les véhicules automobiles nécessite une connaissance approfondie de leur fiabilité. Ces éléments sont soumis à des contraintes de fatigue électrothermique de plus en plus importantes. Cette étude vise à caractériser l’évolution de composants à base de MOSFET lors de tests de fatigue accélérés et contrôlés afin de déterminer les mécanismes physiques qui conduisent à sa dégradation.Nous décrivons d'abord l’évolution technologique des composants électroniques de puissance jusqu’à la technologie de type SmartMos utilisée par Freescale Semiconductor aujourd'hui. Les outils de caractérisation microstructurale (SAM, SAT, SEM, SIM, TEM, …) sont ensuite détaillés ainsi que l'échelle spécifique pour laquelle ils sont utilisés.Le vieillissement accéléré des composants est effectué sur un banc de fatigue pour déterminer la durée de vie d'un composant selon des paramètres donnés. L'analyse complète des composants détruits a permis de conclure que la zone affectée en priorité par le cyclage électro-thermique est le métal source qui comprend la métallisation en aluminium et les fils d'amenée de courants. Ces mêmes zones sont ensuite examinées après un vieillissement contrôlé correspondant à une fraction de la durée de vie. La fatigue du composant est essentiellement caractérisée par une forte augmentation de la résistance du métal source qui engendre l’augmentation de sa résistance drain-source (RdsON). Nous avons expliqué ce phénomène par une dégradation de la métallisation qui consiste en une division des grains d'aluminium et à l’apparition de fissures le long des joints de grains.Ces caractérisations sont corrélées à une étude par éléments finis (FEM) qui permet de simuler l’augmentation et le gradient de température dans un composant pendant un cycle de vieillissement, ainsi que l’impact de l’élévation de la résistance de la métallisation source sur le comportement thermoélectrique du composant

  • Titre traduit

    Characterization of alterations on power electronic devices subjected to accelerated ageing tests


  • Résumé

    Integration of power electronic devices in automotive applications requires a perfect knowledge of their reliability as these components are subjected to more drastic electrothermal stresses. This study aims at determining the physical mechanisms responsible for degradation and failure of modern MOSFET-based power microprocessors during accelerated and controlled fatigue tests.After a description of the recent developments in power electronics that led to today's SmartMos technology from Freescale Semiconductor, the different microstructural characterizing techniques (SAM, SAT, SEM, SIM, TEM, …) and the specific scale for which they are used are detailed.The accelerated ageing of the components were carried out on a fatigue bench to evaluate the component lifetime according to parameters such as the temperature, current and pulse durations. A complete analysis of failed components showed that the area which is primarily affected by the electro-thermal cycling is the metal source that includes aluminum metallization and connection wires. In controlled ageing tests, we showed that the drain-source resistance (Rdson) increase was due to the metal source resistance augmentation. This phenomenon is linked to the degradation of the Aluminum layer that happens through grains division and crack propagation along the grain boundaries



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