Approche probabiliste dans la conception des modules de puissance

Probabilistic approach in power module design

• Auteur / Autrice : Alexandre Micol
• Direction : Moussa Karama, Carmen Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Matériaux -- Propriétés thermiques

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Électronique de puissance

Fiabilité

Assemblages (technologie)

Mots clés libres

Module de puissance

Brasure

Fiabilité

Surface de réponse

Igbt

Résumé

Le principal mode de défaillance des modules de puissance IGBT est la fatigue thermomécanique. L'échauffement thermique provoque des contraintes mécaniques dues à la différence des coefficients de dilatation thermique des matériaux mis en jeu. Leur durée de vie, liée à l'énergie non élastique dissipée, dépend fortement du comportement non linéaire des matériaux. L'intérêt de ce travail réside dans l'application des méthodes fiabilistes traditionnelles au domaine de l'électronique de puissance. Une stratégie originale de modélisation éléments finis des modules est ici proposée. Puisque la défaillance s'évalue par le comportement des matériaux, une identification des lois de comportement non-linéaire de la brasure Sn/Ag3. 5 est ici faite sur des essais de relaxation et d'écrouissage. Une méthode de réponse de surface adaptative dans un environnement de calcul parallèle a été implémentée et mise en application sur plusieurs études fiabilistes électrique, thermique et mécanique.

The major failure mode of power IGBT modules is thermo-mechanical fatigue. Thermal heating leads to mechanical stress due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the materials involved. How long they last, which is linked to dissipated inelastic energy, strongly depends on the nonlinear behaviour of materials. The interest of this work lies in the application of traditional reliability methods to the field of power electronics. We first introduce the different stochastic methods, taking into account the random behaviour of the model's data. Modelisation, used to define the limit state surface, is made of the different failure modes of power module. We present here an original strategy of finite element modelisation. Since failure is assessed by material behaviour, we identify the Sn/Ag3. 5 solder nonlinear law with relaxation and work-hardening test. An adaptive surface response method with parallel computing is implemented and applied on several reliability studies : electrical, thermal and mechanical.