Etude thermomécanique expérimentale et numérique d'un module d'électronique de puissance soumis à des cycles actifs de puissance

Thermo-mechanical study of a power module under active power cycling by means of experiments and simulations

• Auteur / Autrice : Camille Durand
• Direction : Daniel Coutellier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 23/01/2015
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Ponthot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Coutellier, Jean-Michel Bergheau, Alain Rassineux, Maxence Bigerelle, Markus Klingler, Hakim Naceur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Bergheau, Alain Rassineux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Traitement thermomécanique

Rupture, Mécanique de la

Simulation par ordinateur

Joints brasés

Mots clés libres

Module de puissance

Mosfet

Cu clip

Brasure

Al métallisation

Puce

Intermétalliques

Thermomécanique

FEM simulations

Cycle Passif de Température

Cycle Actif de Puissance

Mécanismes de rupture

Analyse de sensibilité

Mécanique de la rupture

Ctod

Vcct

Durée de vie

Fiabilité

Power module

Mosfet

Cu clip

Solder

Al metallization

Chip

Intermetallics

Thermo-Mechanics

FEM simulations

Passive temperature cycling

Active power cycling

Failure mechanisms

Sensitivity study

Fracture mechanics

Ctod

Vcct

Lifetime

Reliability

Résumé

De nos jours, la durée de vie des modules d’électronique de puissance est désormais limitée par les technologies standards de conditionnement, telles que le câblage par fils et le brasage. Ainsi une optimisation des technologies actuellement employées n’est pas suffisante pour satisfaire les futures exigences de fiabilité. Pour dépasser ces limites, un nouveau module de puissance remplaçant les fils de connexion par des clips en cuivre a été développé. Ce design innovant vise à améliorer la fiabilité du module puisqu’il empêche la dégradation des fils de connexion, constituant bien souvent la principale source de défaillance. La contrepartie de ce gain de fiabilité réside dans la complexification de la structure interne du module. En effet, l’emploi d’un clip en cuivre nécessite une brasure supplémentaire fixant le clip à la puce. Ainsi, le comportement thermomécanique et les différents modes de rupture auxquels le composant est soumis lors de son utilisation doivent être caractérisés. Cette étude utilise la simulation numérique pour analyser avec précision le comportement de chaque couche de matériaux lors des cycles actifs de puissance. De plus, une étude de sensibilité à la fois expérimentale et numérique concernant les paramètres de tests est réalisée. Les zones critiques du module ainsi que les combinaisons critiques des paramètres de tests pour les différents modes de rupture sont mis en évidence. Par ailleurs, une analyse en mécanique de la rupture est conduite et la propagation des fissures à différentes zones clés est analysée en fonction des différents paramètres de tests. Les résultats obtenus permettent la définition de modèles de prédiction de durée de vie.

Today a point has been reached where safe operation areas and lifetimes of power modules are limited by the standard packaging technologies, such as wire bonding and soft soldering. As a result, further optimization of used technologies will no longer be sufficient to meet future reliability requirements. To surpass these limits, a new power module was designed using Cu clips as interconnects instead of Al wire bonds. This new design should improve the reliability of the module as it avoids wire bond fatigue failures, often the root cause of device failures. The counterpart for an improved reliability is a quite complicated internal structure. Indeed, the use of a Cu clip implies an additional solder layer in order to fix the clip to the die. The thermo-mechanical behavior and failure mechanisms of such a package under application have to be characterized. The present study takes advantage of numerical simulations to precisely analyze the behavior of each material layer under power cycling. Furthermore an experimental and numerical sensitivity study on tests parameters is conducted. Critical regions of the module are pointed out and critical combinations of tests parameters for different failure mechanisms are highlighted. Then a fracture mechanics analysis is performed and the crack growth at different locations is analyzed in function of different tests parameters. Results obtained enable the definition of lifetime prediction models.