Modélisation électrothermique de composants de puissance discrets soumis à une surcharge électrique sous cadence

Electrothermal modeling of discrete power components subjected to electrical overstress with Cadence

• Auteur / Autrice : Achraf Kaid
• Direction : Jean-Baptiste Kammerer, Luc Hebrard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 24/04/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Fremont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Morgan Madec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Allard, Patrick Tounsi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation électrothermique

Composants électroniques

Mots clés libres

Simulation électro-thermique

Modèle compact

Modèle distribué

Discrétisation spatiale

Electrothermal simulation

Compact model

Distributed model

Spatial discretization

Résumé

La miniaturisation des composants électroniques est un défi majeur pour nos objets du quotidien. Cependant, cette miniaturisation entraîne une augmentation de la densité de puissance, une élévation de la température et une dégradation des performances et de la fiabilité des composants. Pour remédier à cela, il est donc important de prendre en compte les effets thermiques lors de la conception des composants. Ceci est fait à l'aide de la Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Cette thèse a permis de développer un outil de simulation simple et efficace pour les composants électroniques de puissance. L’outil est basé sur l'utilisation de plusieurs modèles compacts distribués dans l'espace pour décrire un seul composant de puissance. Cela permet de déterminer l'évolution des grandeurs électriques et thermiques (courant, température…) à l'intérieur du composant de puissance. Notre méthode permet aussi de s’affranchir de la résolution numérique des équations de transport de charges et de chaleur dans les jonctions. Celles-ci doivent être finement discrétisées dans les méthodes de CAO conventionnelles basées sur la méthode des éléments finis, mais notre méthode utilise le calcul de modèles compacts ne nécessitant pas un tel niveau de discrétisation. Cet atout réduit considérablement les temps de simulation. Le développement d’une interface graphique a été réalisé pour une utilisation simplifiée de l’outil. Enfin, cette approche est suffisamment générale pour être appliquée à tous types de composants et pour modéliser d’autres domaines de la physique.

The miniaturization of electronic components is a major challenge for our daily objects. However, this miniaturization leads to an increase in power density, an elevation in temperature, and a degradation of component performance and reliability. To remedy this, it is therefore important to take thermal effects into account during component design. This is done using Computer-Aided Design (CAD). This thesis allowed the development of a simple and effective simulation tool for power electronic components. The tool is based on the use of multiple compact models distributed in space to describe a single power component. This allows to determine the evolution of electrical and thermal quantities (current, temperature, etc.) inside the power component. Our method also avoids numerical resolution of charge and heat transport equations in junctions. These must be finely discretized in conventional CAD methods based on the finite element method, but our method uses the calculation of compact models that do not require such a level of discretization. This advantage significantly reduces simulation times. The development of a graphical user interface was carried out for simplified use of the tool. Finally, this approach is sufficiently general to be applied to any type of component and to model other types of physics.