Outils et méthodologies de caractérisation électrothermique pour l'analyse des technologies d'interconnexion de l'électronique de puissance

par Benoît Thollin

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Jean-Christophe Crebier et de Zoubir Khatir.

Soutenue le 04-04-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Grenoble, Electrical Engineering Laboratory (équipe de recherche) .

Le président du jury était Bruno Allard.

Le jury était composé de Jean-Christophe Crebier, Zoubir Khatir, Ahmad Bsiesy.

Les rapporteurs étaient Frederic Richardeau, Eric Woirgard.


  • Résumé

    L'électronique de puissance et particulièrement les systèmes de conversions deviennent un enjeu majeur de la transition énergétique et de l'avenir des transports. Les contraintes technico-économiques liées aux nouvelles applications impliquent une augmentation des densités de puissance au sein des modules tout en limitant leur coût et en conservant une robustesse satisfaisante. Aujourd'hui, des solutions semblent émerger grâce à des structures innovantes associées aux composants grands gap et à l'intégration tridimensionnelle. Ces solutions apportent cependant un certain nombre de contraintes liées aux interconnexions électrothermomécaniques (ETM). L'augmentation des niveaux de température permis par les composants grands gap et l'attrait du refroidissement double face offert par les assemblages 3D augmentent de manière importante les contraintes thermomécaniques et causent des problèmes de fiabilité. C'est pourquoi de nouvelles interconnexions ETM sont développées pour s'adapter aux nouvelles contraintes et rendre possible ce saut technologique. Cependant les outils permettant la caractérisation thermique et électrique de ces nouvelles interconnexions restent à développer. Les travaux présentés dans ce mémoire se portent sur le développement et la mise au point d'outils de caractérisation des interconnexions dans des assemblages 3D. La difficulté d'obtenir la température du composant au sein du boîtier nous a poussé à explorer deux voies permettant d'estimer la température de jonction (TJ). Premièrement par l'implantation de capteurs de température et de tension au coeur d'un composant de puissance grâce la réalisation d'une puce de test spécifique. Et deuxièmement, par l'observation de la réponse en température de composants fonctionnels faisant appel à l'utilisation d'un paramètre électrique thermosensible (PTS) du composant. Les deux pistes explorées mettent à profit des solutions spécifiques innovantes pour permettre des caractérisations thermique et électrique fines des assemblages d'électronique de puissance.

  • Titre traduit

    Tools and methodologies for electrothermal caracterization adapted to power electronics interconnection technologies


  • Résumé

    Power electronic and particularly conversion systems are becoming a major challenge for the future of energetic and transport systems. Technical and economic constraints related to new applications lead to an increase of module power densities while reducing cost and maintaining a good robustness. Today, solutions seem to emerge from innovative structures associated to wide band-gap semiconductors and three-dimensional integration. These solutions lead to many constraints in electro-thermo-mechanical (ETM) interconnection field. Temperature level rises allowed by wide band-gap semiconductors and attractiveness of double sided cooling provide by the 3D assemblies have significantly increase thermo-mechanical stresses and cause reliability problems. This is why new ETM interconnections are developed to facing those difficulties and enable this technological gap. However, thermal and electrical interconnections characterization tools need to be develop. Works presented in this thesis focuses on the development of tools for new interconnections characterization adapted to 3D package. The difficulty of obtaining the temperature of the component within the package has led us to explore two ways to estimate the junction temperature (TJ). In a first hand we integrate temperature and voltage sensors inside a power component in a clean room process thanks to the achievement of a specific thermal test chip (TTC). And in a second hand, by observing the temperature response of functional components, using a temperature-sensitive electrical parameter (TSEP). The both paths explored take advantage of innovative specific solutions to allow precise thermal and electrical characterization of power electronic assemblies.


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