Développementd'outils d'analyse thermique pour la conception de composants électroniques de puissance

Methods dedicated to the thermal design and analysis of power electronic components

• Auteur / Autrice : Vincent Feuillet
• Direction : Yves Scudeller, Yvon Jarny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et technologies de l'information et des matériaux (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermographie

Transfert de chaleur

Électronique de puissance

Composants électroniques

Résumé

Ce travail concerne le développement d’outils d’analyse thermique pour la conception de composants électroniques de puissance. Ce genre d’outils s’avère incontournable pour faire face aux problèmes de dissipation et d’évacuation de la chaleur dans les composants actuels. Les assemblages étudiés sont constitués d’éléments de dimensions variables pouvant comporter un grand nombre de sources de chaleur. La méthode des Résistances Discrètes de Frontière (RDF) a permis la détermination des champs thermiques au sein de composants hétérogènes. Elle constitue une alternative aux méthodes aux Eléments Finis (EF). Elle a été validée par comparaison à un code aux EF. Elle a été utilisée pour l’étude thermique d’un composant à transistors hyperfréquences. Une méthode d’estimation de distributions de résistance thermique pour la détection de défauts et d’hétérogénéités entre deux éléments a été mise au point. Elle repose sur l’analyse du champ de température au sommet de l’assemblage acquis par thermographie infrarouge. L’algorithme du gradient conjugué a été appliqué et a permis d’identifier différentes distributions 2D de résistance thermique. Des améliorations ont été apportées à l’algorithme pour l’estimation d’une distribution de paramètres. Ce travail a conduit à l’élaboration d’un dispositif expérimental visant la caractérisation thermique de défauts et d’hétérogénéités d’assemblage. Une méthode de fabrication associant les procédés de photolithographie et de gravure chimique a permis la réalisation d’éléments chauffants destinés à l’excitation thermique de l’assemblage. Le dispositif a été utilisé pour la caractérisation de lames d’air au sein de liaisons adhésives.

This work deals with the development of several tools for the thermal design of power electronic components. This kind of tools are essential to face the heat dissipation problems in the current components. The systems under consideration are heterogeneous stacked structures of elements of various size with a high number of heat sources. An original calculation method has been developed to determine the temperature distribution in heterogeneous components. The Discrete Boundary Resistance (DBR) method constitutes an alternative to Finite-Element methods. It has been validated by comparing the results with those given by a Finite-Element code. It has been used for the thermal analysis of a Radio-Frequency component. An estimation method of thermal resistance distributions has also been developed. This method aims at detecting defects and heterogeneities at the interface of two elements. It consists in analysing the temperature distribution at the top of the structure with infrared thermography. The conjugate gradient algorithm has been used to estimate different types of thermal resistance distributions. The algorithm has been improved for the estimation of a parameter distribution. Moreover, this work lead to the set up of an experimental apparatus for the thermal characterisation of defects and heterogeneities. The photolithography and chemical etching processes have been applied to form heater elements for the thermal stimulation of the structure. Finally the experimental set-up has been used to characterize air gaps in adhesive bonds.