Contribution à l'étude et la prédiction des défauts de vieillissement par fatigue thermique des composants électroniques de puissance

Contribution to the analysis and prediction of failure induced by ageing due to thermal fatigue of power electronic devices

• Auteur / Autrice : Messaoud Khelif
• Direction : Gérard Rojat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électrotechnique
• Date : Soutenance en 1994
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEGELY - Centre de génie électrique de Lyon (Rhône ; 1992-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors

Électronique de puissance

Fatigue thermique

Contraintes thermiques

Résumé

Le travail presente consiste dans sa premiere partie en une analyse theorique et experimentale sur l'origine et les effets de la fatigue thermique appliques aux composants electroniques de puissance. Une deterioration graduelle du joint puce-boitier sous l'effet de contraintes de cisaillement induites en presence de gradients de temperature est ainsi etablie. La validation experimentale de ce resultat est menee a l'aide de deux bancs de fatigue thermique concus et realises a cet effet. Ces derniers permettent d'imposer aux composants testes (transistors bipolaires, mos et igbt) un processus accelere de fatigue thermique afin de reduire a un seuil acceptable le temps d'observation necessaire a l'evolution des differents phenomenes. Les mesures effectuees le long de ce processus montrent qu'une augmentation graduelle de l'impedance thermique zth du circuit puce-boitier dans des proportions allant jusqu'a 50% a lieu. Ce resultat est ensuite utilise pour l'elaboration d'une procedure de prediction du seuil de vieillissement atteint. Deux methodes basees sur l'identification detaillee des caracteristiques thermiques du circuit incrimine sont successivement adoptees. La premiere met en uvre un modele analytique de l'evolution temporelle de zth donnee par les mesures. Les parametres estimes dans ce cas, permettent une caracterisation physiquement significative des effets de vieillissement (derive des caracteristiques thermiques du circuit interne au boitier). Toutefois, la mesure de la temperature de jonction tj a travers un parametre thermosensible, necessaire a l'evaluation de zth, rend cette approche sensible aux conditions reelles de mesures. De ce fait, une deuxieme methode qui s'affranchit de la mesure de tj est presentee. Le modele considere dans ce cas, est la fonction de transfert du circuit thermique ayant la puissance dissipee dans la puce comme entree et la temperature du boitier comme sortie. Une simulation menee dans ce but sur des donnees reelles, a permis d'etablir la faisabilite de la prediction selon cette approche. En effet, plusieurs parametres de la fonction de transfert identifiee du circuit thermique incrimine ont montre une correlation etroite et exclusive avec l'evolution des caracteristiques du joint. Chacune des methodes de prediction ainsi presentees a ete validee par des essais reels. Ces derniers permettent de conclure que les deux approches ont des aptitudes reelles pour jouer le role d'outil de maintenance preventive dans le domaine des equipements incluant des composants electroniques de puissance