Fiabilité fonctionnelle et mécanismes de dégradation des TRIACs soumis aux chocs thermiques par di/dt à la fermeture

Functional reliability and degradation mechanisms of TRIACs submitted to di/dt thermal shocks at turn-on

• Auteur / Autrice : Stéphane Forster
• Direction : Jean-Pierre Charles, Robert Jérisian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Metz
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de microélectronique de puissance (Tours)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes thermiques

Fiabilité

Triacs

Résumé

Les TRIACs sont des interrupteurs bidirectionnels en courant et tension, généralement protégés des parasites du secteur (dV/dt) par un CALC. Ce circuit de protection provoque à la fermeture des TRIACs une forte contrainte électrique (di/dt), responsable de la dégradation prématurée des composants. L'auteur étudie les effets thermoélectriques de la fermeture des TRIACs sous fort di/dt par l'intermédiaire de simulations transitoires ISE et de l'analyse de défaillance. Le mécanisme de dégradation est caractérisé par la formation de points chauds dans la structure (choc thermique par di/dt) qui induisent des forces mécaniques de tension dans la puce. A chaque cycle de commutation, ces contraintes mécaniques développent les défauts initiaux en micro-fissures soit dans le volume du silicium, soit à l'interface avec le contact métallique. L'analyse statistique de cette fatigue thermique des TRIACs montre que les composants défaillent en suivant une distribution de Weibull. Une loi d'extrapolation de la durée de vie, obtenue théoriquement par les mécanismes de dégradation, est validée par les tests accélérés de fiabilité. Cette loi permet notamment d'estimer la durée de vie des TRIACs sous des contraintes di/dt nominales de fonctionnement

TRIACs are bi-directional current switches that are generally protected from perturbations, like dV/dt, by a Snubber circuit. This circuit creates, at the turn-on of the TRIACs, high current pulses (di/dt) responsible of the early degradation of the power devices. The author studies the thermoelectric and thermomecanical effects of the turn-on TRIACs under strong di/dt through transient ISE simulations and failure analysis. The degradation mechanism is characterized by the formation of hot spots in the structure (silicon undergoes a thermal shock) that induce mechanical tensile forces in the die. These cycles of mechanical stress develop the initial defects in fatigue micro-cracks in the silicon bulk or at the interface with the metallic contact. The statistical analysis of the thermal fatigue of the TRIACs shows that the device failures folow a Weibull distribution. An extrapolation law, obtained theoretically from the degradation mechanism, is validated by accelerated life tests. This law is used to estimate the lifetime of the TRIACs under nominal di/dt for a defined application