Analyse thermique à haute résolution spatiale et temporelle par thermo-réflectance de composants de puissances en régimes extrêmes.

par Youssef Metayrek

Projet de thèse en Génie électrique

Sous la direction de Zoubir Khatir et de Thierry François Kociniewski.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec SATIE - Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (laboratoire) , TEMA - Technologies pour l'Electro-Mobilité Avancée (equipe de recherche) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    L'électronique de puissance et particulièrement les systèmes de conversions sont des éléments majeurs de la transition énergétique et de l'avenir des transports. L'évolution technologique de ces composants passe par une augmentation des densités de puissance qui engendre des stress thermiques beaucoup plus importants. Pour la commercialisation de ces nouveaux composants, il est nécessaire de conserver une robustesse satisfaisante.Pour cela, il faut étudier minutieusement les contraintes thermiques auxquelles vont être soumis ces composants. Jusqu'à maintenant on utilisait essentiellement la cartographie thermique par infrarouge mais cette technique à des lacunes en termes de résolutions spatiale et temporelle qui deviennent de plus en plus gênantes avec l'évolution des composants.La thermoréflectance est une technique qui devrait permettre de combler ces lacunes. Il s'agit d'une méthode optique sans contact utilisant les variations locales de réflectivité induites par le chauffage pour déduire une mesure de la température. Des résolutions spatiales limitées par la diffraction, de l'ordre de λ /2, soit 200 à 500 nanomètres, peuvent être obtenues dans le domaine visible. Le groupe TEMA de l'IFSTTAR/COSYS, en collaboration avec le GEMaC (Groupe d'Etude de la Matière Condensée) de l'UVSQ, est en cours de développement d'un banc de caractérisation thermique par thermoréflectance. Les premiers résultats en régime permanent ont déjà pu mettre en évidence les inhomogénéités thermiques aux niveaux de l'émetteur d'une puce de puissance de type IGBT avec une résolution de l'ordre du µm. Ces résultats préliminaires sont très encourageants et témoignent du potentiel de la thermoréflectance pour l'électronique de puissance.Deux objectifs principaux sont visés dans la thèse: Le premier concerne l'utilisation de la thermoreflectance pour analyser les évolutions dynamiques des champs de températures sur les surfaces de composants lors de phénomènes brefs (de l'ordre de quelques microsecondes) tels que les régimes extrêmes électriques (courts-circuits et avalanches) qui ponctuent la vie des composants. Le second objectif est la caractérisation de l'évolution de la cartographie thermique du composant sous test sous l'effet du vieillissement par courts-circuits répétitifs. Cela doit permettre d'apporter des connaissances sur le mécanisme de dégradation subi lors des courts-circuits. A ce jour, le mécanisme reste encore inconnu.

  • Titre traduit

    Thermal analysis with high spatial and temporal resolution by thermo-reflectance of power components in extreme regimes.


  • Résumé

    Power electronics and particularly conversion systems are major elements for the energetic transition and the future of transport. The technological evolution of these components involves an increase in power densities that generate much greater thermal stress. For the commercialization of these new components, it is necessary to maintain satisfactory robustness.Hence, it is necessary to study carefully the thermal stresses to which these components are subjected. Until now, thermal mapping by infrared light has mainly been used, but this technique has gaps in terms of the spatial and temporal resolutions which become more and more troublesome with the evolution of the component.Thermoreflectance is a technique that should be able to fill these gaps. It is a non-contact optical method which uses the local reflectivity induced by heating to derive a measurement for the temperature. Spatial resolutions limited by diffraction, of the order of λ / 2 ( ie 200 to 500 nanometers), can be obtained in the visible range. The TEMA group of IFSTTAR / COSYS, in collaboration with the GEMaC (Condensed Matter Study Group) of the UVSQ, are in the process of developing a thermoreflectance bench for thermal characterization. The first results in the steady state regime have already been able to highlight the thermal inhomogeneities at the level of the transmitter of an IGBT type power chip with a resolution in the order of 1 μm. These preliminary results are very encouraging, and they demonstrate the potentials of thermoreflectance technique for power electronics.Two main objectives are targeted in the thesis: The first concerns the use of thermoreflectance to analyze the dynamic evolution (of the order of a few microseconds) in the temperature fields on the component surfaces (of the order of a few microseconds) such as electrical extreme regimes (short-circuits and avalanches) which punctuate the life of the components. The second objective is the characterization of the thermal mapping evolution of the desired components under the effect of aging by repetitive short circuits. This should allow us to gain knowledge on the degradation mechanism undergone during short circuits, which up to date, the mechanism is still unknown.