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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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Domaines et contraintes applicatives
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2. Technologies d'intégration pour l'électronique de puissance
L'assemblage d'un composant de puissance désigne la structure et les procédés technologiques permettant d'interconnecter une ou plusieurs puces de puissance afin de réaliser une fonction de conversion de l'énergie électrique (hacheur, onduleur…). D'une manière générale, l'intégration de puissance est présentée en trois sous ensembles :
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niveau 1 : éléments actifs (semi-conducteurs) ;
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niveau 2 : assemblage ;
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niveau 3 : protection du dispositif.
La figure 3 fait apparaître les principales parties d'un composant de puissance :
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le premier niveau est constitué de puces, généralement à base de silicium, qui représentent la partie active du module ;
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le second niveau concerne la connectique et l'isolation électrique ;
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le troisième niveau permet le maintien et la protection mécanique de l'ensemble.
2.1 Niveau I : puces actives
Les éléments actifs d'un assemblage de puissance sont les puces à semi-conducteur de puissance. Elles sont réalisées à partir d'un matériau semi-conducteur, généralement en silicium et associées en parallèle, afin de conduire de forts niveaux de puissance.
HAUT DE PAGE
Le plus utilisé des matériaux semi-conducteur est aujourd'hui le silicium. Mais dans de nombreux domaines d'utilisation, les dispositifs électroniques de puissance sont confrontés à des conditions de fonctionnement de plus en plus sévères et, notamment, à une augmentation croissante du taux d'intégration et de la température de fonctionnement. Dans ces conditions, le silicium commence à atteindre des limites physiques en rapport avec sa température de fonctionnement qui est associée à sa tension de claquage.
D'une manière générale, la limite théorique du silicium est de l'ordre de 175 oC pour les dispositifs hautes tensions (VBR = 1 000 V),...
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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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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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ABAQUS http://www.simulia.com
MATLAB http://www.mathworks.com
SCILAB http://www.scilab.com
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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)
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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