'CONTRAT DOCTORAL PRIORITAIRE' Fatigue thermomécanique des connexions dans les modules de puissance à semi-conducteurs.

par Guillaume Pellecuer

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de François Forest et de André Chrysochoos.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec IES - l'Institut Electronique et des Systèmes (laboratoire) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le sujet proposé est ciblé sur la connectique des modules de puissance à semi-conducteurs. Les modules dont il est question ici sont les composants clés des systèmes de l'électronique de puissance, dont la fonction générale est la conversion de l'énergie électrique. Ces systèmes sont omniprésents dans les industries manufacturières, le transport sous toutes ses formes, les réseaux électriques, la domotique, etc. La maîtrise du comportement et de la fiabilité de ces modules est donc un enjeu très significatif. Le domaine des transports que nous venons d'évoquer est particulièrement révélateur de cet enjeu. L'électrification massive des vecteurs de transport, historique pour certains, récente ou en devenir pour d'autres (trains, trams, véhicules hybrides ou électriques, avions, navires), conduit à introduire les composants considérés dans des fonctions qui sont critiques pour le vecteur et donc pour la sécurité des personnes qu'il embarque. Au fil du temps, les fabricants, fondeurs et assembleurs, ont largement amélioré les performances électriques de ces modules mais également leur durée de vie. Si les premières dépendent principalement des caractéristiques des puces semi-conductrices, la seconde est directement liée au packaging particulier de ces modules et c'est l'évolution des différentes parties de ce packaging qui a permis d'atteindre les niveaux de robustesse actuels. Dans les conditions de cyclage thermique couramment rencontrées dans les applications (en particulier les transports), les connexions entre les puces et les prises de contact extérieures restent un point de faiblesse. Actuellement, ces connexions sont très majoritairement réalisées avec des fils métalliques en aluminium («wire bonding»), soudés par ultrasons sur la surface des puces. Les évolutions envisagées pour améliorer cette partie sont, d'une part, le remplacement de l'aluminium par du cuivre, ce qui nécessite un conditionnement différent de la surface des puces, d'autre part, la réalisation des zones de contacts par frittage (exemple pâte d'argent), ce qui constituerait une rupture assez radicale dans les procédés de fabrication. Ces solutions de remplacement ont déjà été réalisées en laboratoire. Les modes de dégradation et de défaillance des bondings en aluminium sont répertoriés depuis longtemps et sont d'ordre thermomécanique au sens où les variations de température génèrent des déformations et/ou des contraintes qui dégradent progressivement ces connexions. Cela dit, l'analyse physique des modes de dégradation est restée à un niveau relativement élémentaire et, surtout, leur corrélation avec les contraintes d'usage est loin d'être rigoureusement établie. En ce qui concerne les solutions de remplacement, le retour d'expérience est faible voire nul. L'objectif général de la thèse est d'améliorer de façon significative la connaissance sur la physique des dégradations, en lien avec les chargements d'usage d'origine électrothermiques, ce qui devrait permettre, aussi bien pour les technologies actuelles que pour les technologies en émergence : – de construire des modèles de durée de vie robustes utilisables par les concepteurs de systèmes pour faire de la fiabilité prévisionnelle, – de proposer un cadre plus rigoureux pour effectuer les tests d'endurance, avec la possibilité de définir des facteurs d'accélération à partir d'une réelle compréhension des mécanismes. Le travail correspondant comprendra une partie expérimentale et une partie théorique. La partie expérimentale aura pour vocation d'apporter un maximum de données exploitables pour le développement du volet théorique, sur trois technologies, d'usage courant ou en émergence. Des bancs de test performants mis au point pour les études précédentes étant disponibles, des essais sur des modules en conditions réelles continueront d'être menés et serviront de références. Ces tests sur des modules réels étant très lourds à mettre en œuvre, nous nous proposons d'initier dans ce travail une nouvelle approche qui consiste à développer des vecteurs de tests spécifiques permettant de cumuler beaucoup plus de résultats plus rapidement. L'idée est de reproduire les différentes options de connexion sur des dispositifs élémentaires plus simples à manipuler. Vis-à-vis des éléments de connexion, les puces jouent le double rôle de support mécanique rigide et de source de chaleur à faible inertie thermique. Il paraît tout à fait possible de recréer cette situation tout en évitant les contraintes de mise en œuvre imposées par l'usage d'un vrai module. Nous disposons des moyens technologiques pour produire de tels échantillons (plate-forme technologique 3DPHI Toulouse). Les simplifications induites seraient les suivantes : – Ces échantillons seraient beaucoup plus facilement 'instrumentables'. En particulier l'implantation de sondes de température à proximité immédiate, impossible à effectuer dans un module, serait alors réalisable. – Ces échantillons seraient 'ouverts' ce qui permettrait l'emploi de méthodes d''imagerie dans l'infrarouge (thermique) et dans le visible (mesure de déplacements par corrélation d'images). – L'environnement de puissance nécessaire à l'injection de courant dans les puces (ou dans les dispositifs chauffants) serait considérablement réduit et plus économe en énergie. – Nous éviterions la fastidieuse préparation des modules, nécessaire aux analyses post-défaillance (MEB ou autres instruments), à savoir ouverture des boîtiers moulés et dissolution du gel de passivation silicone présent dans tous les modules industriels. La définition de la constitution exacte de ces échantillons sera établie en début de thèse en s'appuyant sur des considérations thermomécaniques et sur des simulations numériques appropriées. La partie théorique constitue le cœur du sujet de thèse. Elle vise la compréhension physique et la quantification de mécanismes irréversibles de fatigue, particulièrement complexes puisqu'intervenant d'abord aux échelles microstructurales puis à l'échelle mésoscopique de la connexion. Les dégradations étudiées sont liées à de forts couplages entre les phénomènes électriques et thermiques, puis thermiques et mécaniques. Les stress mécaniques qui mènent à ces dégradations sont une conséquence des grandeurs électriques et thermiques locales, de leurs gradients et de leur variation dans le temps. Pour avoir une probabilité de succès raisonnable, ce volet théorique nécessite donc un partenariat 'Electro-thermo-mécanique' qui est inhabituel dans le domaine et constitue l'une des originalités de ce projet. Il s'agira principalement de développer des modèles 3D qui devront tenir compte des effets de couplage fort et de diffusion thermique de façon à décrire les effets mécaniques induits par les chargements thermoélectriques, mais aussi des effets irréversibles (micro(visco)plasticité, endommagement) conduisant progressivement à la rupture de l'attache. Ces modèles seront complexes mais leur mise en œuvre sera limitée à la zone proche de cette attache en choisissant avec soin les conditions aux limites et les modes de chargement. Ce travail de modélisation devrait donc conduire à une meilleure compréhension et maîtrise des cinétiques de fatigue et à une proposition de critère permettant d'estimer les durées de vie des connexions en fonction de l'histoire de leur chargement électro-thermique. Ce travail de modélisation devrait donc conduire à une meilleure compréhension et maîtrise des cinétiques de fatigue et à une proposition de critère permettant d'estimer les durées de vie des connexions en fonction de l'histoire de leur chargement électro-thermique. Il sera évidemment intimement couplé aux données issues de la partie expérimentale.

  • Titre traduit

    Thermomechanical fatigue of connections in power semiconductor modules.


  • Résumé

    This PhD subject is focused on the internal connections of semiconductor power modules, which are key parts of power electronic systems that are used increasingly today, especially in transportation applications. These connections constitute the first weakness when the modules suffer under power cycling. This issue is not new, but the physics of degradations regarding operating conditions are not well known at this time. The PhD work will be supervised by an "electro-thermo-mechanical" team (LMGC, UMR CNRS 5508 and IES, UMR CNRS 5214) that proposes to make up for this shortcoming by associating experimental test results and theoretical analyses of thermal fatigue processes. Previous results obtained by the partners show that these processes change with thermal loads. A more complete understanding of degradation mechanisms will lead to the definition of new testing methods for manufacturers, as well as to the establishment of a theoretical basis for evaluating emerging connection techniques.