Étude de vieillissement et caractérisation d’assemblage de module de puissance 40 kW pour l’aéronautique

Ageing test and reliability characterization of power electronic assemblies 40 kW for aeronautics

• Auteur / Autrice : Faical Arabi
• Direction : Eric Woirgard, Loïc Théolier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 14/06/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Woirgard, Loïc Théolier, Caroline Richard, Catherine Munier, Hélène Fremont, Mathieu Médina, Mickaël Porcheron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mise sous boîtier (électronique)

Éléments finis, Méthode des

Propriétés thermomécaniques

Assemblages (technologie)

Fiabilité

Modules de puissance (électronique)

Mots clés libres

Assemblages de puissance

Fiabilité

Packaging

AuSn

Film d’Ag fritté

Techniques d’assemblages sans plomb

RoHS

Modélisations par éléments finis

Power module

Reliability

Packaging

Silver paste sintering technology

Lead-free die-attach technology

RoHS

FEM analysis

Résumé

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet GENOME (GEstioN OptiMisée de l’Energie). Ce projet s’intéresse aux solutions de packaging haute-température pour des modules de puissance 40 kW embarqués en aéronautique. Ils s’intègrent dans l’étude de fiabilité des modules de puissance, notamment, les solutions alternatives aux alliages de brasure. De par leurs propriétés physiques, l’argent et l’or-étain ont été sélectionnés comme techniques d’assemblage afin d’étudier et d’évaluer leur fiabilité. Pour ce faire, une méthodologie d’étude de fiabilité des modules de puissance a été définie dans le but de garantir l’exploitabilité des résultats. Ensuite, des analyses destructives et non-destructives ont été réalisées sur des véhicules de tests. Ceux-ci ont été vieillis en cyclages thermiques suivant différents profils afin de comparer leurs influences sur la fiabilité des VTs. L’étude du comportement thermomécanique des assemblages de puissance a été réalisée à l’aide de modélisations par éléments finis. Une méthodologie d’évaluation de la fiabilité des assemblages, basée sur l’étude de la contrainte thermomécanique accumulée dans les couches de joints métalliques, au cours de vieillissements accélérés, est développée. Un deuxième axe devrait permettre de comprendre les modes de défaillance, afin de mettre en lumière les limitations des vieillissements accélérés sévères.

This work is part of “GENOME” project which focuses on high-temperature packaging solutions for electronic power modules. Its mission is to study the reliability of power modules, in particular, the die attach layer. Due to the physical properties of silver and gold-tin, they were selected as die bonds to assess the evolution of their reliability during ageing. In order to achieve this, an appropriate methodology of the power modules reliability has been defined in order to guarantee the results exploitability. Destructive and non-destructive analyzes were carried out on samples aged by different profiles of thermal cycling. These analyzes allowed us to compare the influence of each cycling profile on the reliability of samples. A study of the thermomechanical behavior of power assemblies was carried out using finite element modeling (FEM). A methodology for evaluating the reliability of assemblies during accelerated ageing is developed. A second axis allows us a better understanding of the failure modes and their effects. It also highlights the limitations of severe accelerated ageing. Consequently, the choice of temperature profile is questioned and a limitation of the temperature profile severity must be considered, in order to avoid producing degradations that are not actually found in mission profile.