Bibliographie & annexes
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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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Durée de vie des modules sous contraintes thermiques
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4. Mode de dégradation des technologies d'intégration
4.1 Au niveau de la puce
4.1.1 Reconstruction de la métallisation
Les contraintes périodiques de compression et d'extension que subit la fine couche de métallisation, lors du cyclage thermique, conduisent à la déformation de cette dernière et à la « reconstruction » des grains d'aluminium qui la constitue. En effet, le silicium est un matériau avec un faible coefficient de dilatation thermique et une forte résistance à la déformation comparativement à l'aluminium caractérisé par une limite élastique relativement basse. Ainsi, lorsque la température maximale imposée à cette couche de métallisation dépasse 110 oC, celle-ci est sollicitée dans le domaine plastique . Par conséquent, des relaxations de contraintes peuvent avoir lieu sous forme de déplacements de dislocations ou encore de glissements de joints de grains. Cette « reconstruction » de l'aluminium modifie la structure en surface de la métallisation, fragilise les connexions, réduit sa section active et entraîne une augmentation de la résistance superficielle ...
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Mode de dégradation des technologies d'intégration
BIBLIOGRAPHIE
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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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ESREF European Symposium on Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis (conférence internationale)
EPE Europeen conference on Power Electronics and Applications (conférence internationale)
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ECPE Europeen Center for Power Electronics http://www.ecpe.org
EPF Electronique de Puissance du Futur (conférence nationale)
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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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