Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
L'augmentation des champs d'application de l'électronique de puissance conduit à l'émergence de nombreuses évolutions technologiques en corrélation avec les niveaux de sollicitations et les contraintes législatives. De par le caractère sécuritaire des modules à semi-conducteurs de puissance dans le système, il est impératif de valider la fiabilité de ces nouvelles solutions. Or, les faibles volumes de production et les grandes durées de vie objectivées limitent l'usage de l'approche statistique dans ce domaine technologique. En ce sens, cet article propose d'appréhender l'évaluation de la « fiabilité » en mettant l'accent sur une approche de la physique de défaillances des assemblages de puissance.
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Mounira BOUARROUDJ-BERKANI : Docteur de l'École Normale Supérieure de Cachan - Maître de conférences, Université Paris-Est Créteil (IUFM Créteil) - Chercheuse au laboratoire SATIE de l'ENS Cachan
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Laurent DUPONT : Docteur de l'École Normale Supérieure de Cachan - Chargé de recherche, INRETS (Laboratoire des technologies nouvelles à Versailles Satory)
INTRODUCTION
Le développement de l'électronique de puissance dans de nouveaux domaines d'usage conduit à un accroissement des niveaux de sollicitations fonctionnelles et environnementales appliqués aux modules de puissance (automobile, aéronautique…). Dès lors, de nombreuses ruptures technologiques sont développées afin de satisfaire les objectifs parfois contradictoires de maîtrise des coûts, de réduction du poids et de l'encombrement, tout en améliorant les spécifications en termes de maintenabilité et de fiabilité.
Or, un certain nombre de freins limitent l'exploitation des prescriptions définies dans le champ de la sûreté de fonctionnement et, plus spécifiquement, pour l'évaluation de la fiabilité des dispositifs intégrés à semi-conducteurs de puissance. En effet, l'évaluation de la fiabilité, indissociable de l'approche statistique, est rendue délicate de par la grande durée de vie objectivée avec un faible taux de défaillance, les nombreuses évolutions technologiques et le faible volume de production des systèmes à semi-conducteurs de puissance.
La démarche présentée dans ce dossier propose une introduction à l'évaluation de la robustesse des assemblages à semi-conducteurs de puissance à partir d'une compréhension de la dégradation physique entraînant la défaillance, avec :
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la présentation des constituants d'un assemblage de puissance conventionnel et les principaux domaines d'application ;
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en rapport avec les profils de mission imposés, le défaut de l'état de l'art des principaux modes de dégradations conduisant à des défaillances principalement d'origine thermomécaniques ;
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dans le sens de l'approche de la physique de défaillance, l'exposé des principaux mécanismes et facteurs d'endommagement et des moyens permettant de les révéler.
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Problématique
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6. Conclusion et synthèse
Dans les prochaines années, de nombreux défis seront à relever pour profiter pleinement des avantages de l'utilisation de l'énergie électrique (actionneur réversible, rendement élevé, compatibilité avec les énergies renouvelables…).
À ce jour, ce besoin conduit à une large augmentation des demandes de dispositifs basés sur l'intégration de l'électronique de puissance. Or, la maîtrise de la fiabilité de ces blocs fonctionnels est un impératif pour accéder à une gestion sécurisée des flux d'énergie électrique dans le système.
Dès lors, les professionnels, notamment dans le domaine du transport, sont dans l'obligation de proposer des systèmes, qualifiés pour des durées de vie élevées, avec une maitrise des coûts associés à une production de masse. Ce dernier point induit une nécessaire remise en cause des méthodes conventionnelles d'estimation de durée de vie.
En cela, cette présentation condensée des outils et méthodes, permettant l'évaluation de la robustesse des assemblages de puissance, révèle la nécessité de prendre nombre de précautions. En effet, la seule évaluation de la durée de vie des assemblages de puissance est une action qui s'appuie en premier lieu sur une connaissance précise des conditions d'usage et de l'environnement. La méthodologie exposée démontre la complexité des moyens devant être mis en œuvre qui vont de l'approche expérimentale à l'étude physique des mécanismes conduisant à la défaillance. En écho aux difficultés de mise en place d'une approche fiabiliste, des travaux de recherche tentent de développer des moyens de supervision permettant de rendre compte de l'état de vieillissement des assemblages de puissance.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SELIGER (N.), WOLFGANG (E.), LEFRANC (G.), BERG (H.), LICHT (T.) - Reliable power electronics for automotive applications. - Microelectronics Reliability, vol. 42, Issues 9-11, p. 1597-1604, sept.-nov. 2002.
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(2) - CIAPPA (M.) - Selected failure mechanisms of modern power modules. - Microelectronics Reliability, vol. 42, Issues 4-5, p. 653-667, avr.-mai 2002.
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(3) - MERMET-GUYENNET (M.), PERPIÑÁ (X.), PITONA (M.) - Revisiting power cycling test for better life-time prediction in traction. - Microelectronics Reliability, vol. 47, Issues 9-11, p. 1690-1695, sept.-nov. 2007.
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(4) - LU (H.), BAILEY (C.), YIN (C.) - Design for reliability of power electronics modules. - Microelectronics Reliability, vol. 49, Issues 9-11, p. 1250-1255, sept.-nov. 2009.
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(5) - MALANDRUCCOLO (V.), CIAPPA (M.), ROTHLEITNER (H.), FICHTNER (W.) - A new built-in screening methodology to achieve zero defects in the automotive environment. - Microelectronics Reliability, vol. 49, Issues 9-11, p. 1334-1340, sept.-nov. 2009.
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HAUT DE PAGE
ESREF European Symposium on Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis (conférence internationale)
EPE Europeen conference on Power Electronics and Applications (conférence internationale)
PCIM http://www.mesago.de/en/PCIM/home.htm
ECPE Europeen Center for Power Electronics http://www.ecpe.org
EPF Electronique de Puissance du Futur (conférence nationale)
HAUT DE PAGE
DO 160 (1997), Environmental condition and test procedures for airborne equipment, RTCA
IEC 60747-15, Ed. 1 : Discrete Semiconductor devices – Part 15 : Isolated power semiconductor...
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