Mise en oeuvre de moyens de vieillissement accéléré et d'analyses dédiés aux composants de puissance grand gap.

Implementation of the accelerated aging methodology and analysis in wideband gap power component

• Auteur / Autrice : Jian zhi Fu
• Direction : Moncef Kadi, Pascal Dherbecourt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes robotique
• Date : Soutenance le 21/12/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, information et ingénierie des systèmes (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de recherche en systèmes électroniques embarqués (Saint-Étienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 2001-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....) - Ecole supérieure d'ingénieurs en génie électrique (Rouen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en systèmes électroniques embarqués (Saint-Étienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 2001-...)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Algani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadir Idir, Daniel Pasquet, Jean-Charles Le Bunetel, François Fouquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadir Idir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fiabilité

Composants électroniques

Détérioration

Transistors de puissance

Électronique de puissance

Mots clés libres

GaN

GIT

Vieillissement

Court-circuit

Modèle

Analyse microstructurale

GaN

Model

GIT

Aging

Short-circuit

Microstructural analysis

Résumé

Cette thèse constitue un des éléments du projet de recherche EMOCAVI (Evolution des Modèles des Composants de puissance grand gAp au cours du VIeillissement). Elle porte sur l’étude de la fiabilité des transistors de puissance en Nitrure de Gallium (GaN) récemment apparus sur le marché. Ces travaux se focalisent sur la réalisation d’une méthodologie pour paramétrer le modèle du composant GaN GIT (Gate Injection Transistor) en fonction du vieillissement auquel il a été soumis. Pour atteindre cet objectif, nous sommes passés par plusieurs étapes. La première a été consacrée à la définition, la mise en place et la validation d’un banc de vieillissement et à la caractérisation de ces composants avant et en cours de vieillissement. Un banc de test de vieillissement en court-circuit répétitif à faible puissance a été conçu et mis en oeuvre. Ce banc a permis de valider l’hypothèse du vieillissement lié à l’énergie, d’identifier son niveau déterminant d’un point de vue fiabilité du composant et enfin mettre en évidence la dégradation progressive du composant afin d’identifier les paramètres du transistor les plus sensibles au vieillissement. La deuxième étape de nos travaux a été consacrée à l’établissement d’une méthodologie de création de modèle de vieillissement du composant GaN-GIT. En reproduisant le modèle COBRA présenté dans la littérature, nous avons réussi dans nos travaux à proposer une approche novatrice permettant d’intégrer les dépendances en température et en énergie subie par le composant pendant le stress (la durée d’impulsion Tsc et le nombre de pulse subi Nsc). La dernière étape de nos travaux a été dédiée à l’analyse physique de défaillance afin de confirmer les hypothèses faites sur les mécanismes de dégradation obtenus après vieillissement du composant. Pour réaliser ces analyses, nous avons commencé par la décapsulation du composant en combinant l’ouverture laser aux attaques chimiques de la résine constituant le packaging. Une fois le défaut localisé par photoluminescence, une analyse approfondie par des vues au microscope électronique à balayage MEB puis par découpe PFIB (Plasma Fouced Ion Beam) a été réalisée afin de déterminer le mécanisme de défaillance. Il s’agissait principalement de fissures situées dans le métal d’Al au niveau du drain ainsi que la présence de cavités dans la couche métallique qui sert à réaliser le contact ohmique au niveau de la source, ce qui explique l’augmentation de la résistance RDSON.

This thesis constitute one of the elements of the EMOCAVI research project (Evolution of the Large gAp Power Component Models during the VIeillissement). It deals with the study of the reliability of Gallium Nitride (GaN) power transistors which are recently appeared on the market. This work focuses on the realization of a methodology to parameterize the model of GaN GIT component (Gate Injection Transistor) according to the aging to which it has been subjected. To achieve this goal, it will be necessary to go through several steps. The first step was dedicated to the definition, implementation and validation of an aging bench for the component and the characterization of these components before and during aging. A low power repetitive short-circuit aging test bench was designed and implemented. This bench is used to validate the energy-related aging hypothesis, to identify its determining level from a point of view of the reliability of the component and finally to highlight the progressive degradation of the component in order to identify the parameters of the transistor which are the most sensitive to aging. The second step of our work was devoted to the establishment of a methodology to create the aging model for the GaN-GIT component. By reproducing the COBRA model presented in the literature, we have succeeded in our work in proposing an innovative approach to integrate the dependencies in temperature and energy suffered by the component during stress (the Tsc pulse duration and the number of pulse suffered Nsc). The last step of our work was dedicated to the physical failure analysis in order to confirm the hypothesis made on the degradation mechanisms obtained after aging of the component. To carry out these analyzes, we started with the de-capsulation of the component by combining the laser cutting with the chemical attacks of the resin constituting the packaging. Once the defect was localized by photoluminescence, an in-depth analysis by SEM scanning and then PFIB (Plasma Focused Ion Beam) scans was performed to determine the mechanism of failure. These were mainly cracks in the Al metal at the drain and the presence of cavities in the metal layer which is used to make the Ohmic contact at the source, which explains the increase in resistance RDSON.