Etude du comportement au vieillissement des interfaces thermiques pour modules électroniques de puissance dédiés à des applications transports

Study of the aging behavior of thermal interfaces for power electronic modules dedicated to transportation applications.

• Auteur / Autrice : Jean-Pierre Ousten
• Direction : Zoubir Khatir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique Électrotechnique Automatique
• Date : Soutenance le 21/06/2013
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Woirgard, Stéphane Lefebvre, Jacques Salat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Allard, Yvan Avenas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Matériaux -- Fatigue

Analyse thermique

Mots clés libres

Interface thermique

Vieillissement thermique

Conductivité thermique

Résistances de contact

Caractérisation statique thermique

Dégradation des matériaux d'interface

Analyse thermique transitoire

Thermal interface material

Thermal aging

Thermal conductivity

Contact resistance

Static thermal characterization

Material interface degradation

Transient thermal analysis

Résumé

Dans le cadre des applications transports, et plus particulièrement de "l’avion plus électrique", avec une demande toujours plus présente de réduction d’encombrement et de poids, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée des convertisseurs statiques. L’augmentation de leur densité de puissance et celle des contraintes thermiques, induites par l’environnement dans lequel ces structures sont localisées, deviennent de plus en plus critiques. La gestion thermique de ces dispositifs est assurée par des systèmes de refroidissement sur lesquels sont montés les composants semi-conducteurs via un matériau d’interface thermique. Une gestion performante sera obtenue par la diminution de la résistance thermique globale entre les éléments dissipatifs et le milieu ambiant grâce en autre à l’amélioration du système de refroidissement et des propriétés thermiques des matériaux constituant le module. Or cette interface est un point délicat du transfert de chaleur car elle peut représenter plusieurs dizaines de pourcents de la résistance thermique globale. Elle nécessite donc une connaissance approfondie de son comportement aux sollicitations thermiques. Après un état de l’art sur les matériaux d’interfaces thermiques et les méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux, nous proposons la mise en œuvre d’outils expérimentaux et mathématiques permettant de suivre l’éventuelle évolution de matériaux d’interfaces utilisés en électronique de puissance au cours d’un vieillissement par cyclage en température. Pour cela, deux méthodes sont présentées. La première repose sur la mesure de la résistance thermique des interfaces en régime stationnaire avec un transfert de chaleur monodimensionnel alors que la seconde, basée sur une caractérisation transitoire thermique d’un système, permet d’en identifier les constantes de temps et le réseau Résistance-Capacité du système testé. Des travaux de simulations numériques ont été menés sur les deux types de bancs expérimentaux, d’un côté pour pouvoir évaluer les pertes thermiques latérales du banc statiques, de l’autre côté pour montrer qu’il est bien possible de détecter une variation de la résistance thermique d’un matériau d’interface par l’analyse de l’impédance thermique.

In the context of transportation applications, and especially the "more electric aircraft", with an ever present demand for space and weight reduction, the trend is to integrate more extensive of static converters. The increase in power density and the thermal stresses induced by the environment in which these structures are located, are becoming increasingly critical. Thermal management of these devices is provided by cooling systems on which are mounted the semiconductor components via a thermal interface material. Effective management will be achieved by reducing the overall thermal resistance between the dissipative elements and the environment by improving the cooling system and thermal properties of the materials constituting the module. However, this interface is a delicate point of heat transfer because it can represent several tens of percent of the circuit total thermal resistance. It therefore requires a thorough knowledge of their behavior in thermal stresses. After a state of the art on the thermal interface materials and methods for characterizing thermophysical properties of materials, we propose the implementation of experimental and mathematical tools to monitor any change of interface materials used in power electronics during aging by temperature cycling. For this, two methods are presented. The first is based on the measurement of the thermal resistance of the interfaces with a steady one-dimensional heat transfer, while the second, based on a characterization of a transient thermal system, allows to identify the time constants and the resistor and capacitor network of the tested system. Numerical simulations were carried out on two types of experimental benches, on one side in order to assess the lateral heat losses from static bench, on the other side to show that it is possible to detect a change in the thermal resistance of a TIM with the analysis of the thermal impedance.