Thermo mechanical Fatigue of Connections in Semiconductor Power Modules

Partners : LMGC (UM)

Researchers : G. Pellecuer (PHD student), F. Forest (Professor), J-J. Huselstein (Assistant professor), A. Chrysochoos (Professor – LMGC UM)

Duration : 3 years (2016-2019)

The subject is the aging of power semiconductor modules. In operation, these modules undergo a clean heating, which can vary cyclically over time when the application imposes a variable electrical regime. This is called thermal cycling, a mechanism that imposes significant thermo mechanical stresses on the internal connections and can lead to their damage. This problem is the heart of the thesis work. It relies on the integration of adapted constitutive laws in software tools of the "finite element" type to lead the study of a module representative of the current technology. From an experimental point of view, the implementation of tests on "classical" modules is relatively complex and the exploitation of results by imaging techniques requires significant prior work. To overcome these drawbacks, the work presented here proposes a procedure for making specific samples focusing on the aging of a bonding wire. The use of these new test vehicles makes it easier to follow the damage and facilitates post-aging analysis. In addition, aging studies on generic modules for different values ​​of cycling speeds make it possible to evaluate the hypothesis of the independence of fatigue with respect to this cycling speed.


Fiabilité et Diagnostic des Composants Électroniques de Puissance pour applications Automobiles

Partners : ANR FIDEA VTT (laboratoire LTN IFSTTAR, IMS, SATIE, P', CEMES, LAAS, Sociétés Freescale, Actia, PSA))

Researchers : A. Rashed (PHD student), J-J. Huselstein (Assistant professor), F. Forest (Professor)

Duration : 36 mois (2012-2014)

A bord des véhicules conventionnels apparaissent de plus en plus d'organes électriques, pour répondre aux besoins de confort, de réduction de la consommation et d'optimisation de fonctions. Par ailleurs, dans le cas de véhicules électriques (VE) et hybrides (VEH), des fonctions de traction sont assurées par des convertisseurs électroniques de puissance. Pour ces dernières applications, les marchés des véhicules hybrides dans les différentes architectures possibles commencent à se développer à une échelle « série ». En particulier en Europe, sur la base d'architectures micro-hybride jusqu'à mild-hybride, en général en basse tension (< 50V) les annonces de Production série sont de plus en plus nombreuses. Ces éléments conduisent à une augmentation constante du nombre de composants de puissance installés dans un véhicule et de ce fait à une plus grande occurrence des défaillances de ces composants. Simultanément pour réduire les coûts, la zone active de ces composants est de plus en plus réduite, ce qui entraine une augmentation continue du stress électro-thermo-mécanique appliqué. Or du fait des Professorocessus de fabrication et des méthodes modernes de maintenance la défaillance d'un composant conduit en général à la destruction du module. Tout ceci conduit à une exigence très élevée en termes de défaut de fiabilité, exigence qui devra être atteinte Professorogressivement au fur et à mesure de l'augmentation Professorogressive de puissance électrique installée sous peine d'handicaper fortement cette évolution nécessaire aux objectifs de réduction de consommation. Pour atteindre un tel objectif, il est d'abord essentiel de pouvoir comProfessorendre les modes et mécanismes de défaillance des modules de puissance suivant les types d'usage normaux et anormaux. Mais une telle étude ne peut être envisagée qu'au niveau du système d'électronique de puissance en tenant compte de l'environnement applicatif réel. Ce Professorojet s'inscrit dans la continuité du Professorogramme EPO-Auto+ (ProfessorEDIT 3) dont une partie (FIDUCOHT) était déjà consacrée à la fiabilité. Il permet, tout en bénéficiant de l'ensemble des acquis d'EPO-Auto+ d'apProfessorofondir les éléments nouveaux dégagés sur le thème particulièrement important de la fiabilité. De même, il bénéficiera de l'expérience de collaboration à un grand nombre de Partners ainsi que de tous les acquis organisationnels qui ont été mis en place à l'occasion du développement de ce Professorogramme.

 

 


Stress électrique post irradiation des transistors MOS de puissance pour les systèmes embarqués spatiaux



Partners : ANR PiGS (ONERA, CNES, Sociétés Thales Alenia Space, TRAD, EADS …)

Researchers : J-J. Huselstein (Assistant professor), F. Forest (Professor)

Duration : 48 mois (2012-2015)

At Professoresent, space actors are highly concerned with heavy ion-induced power MOSFETs hard failures and in particular by oxide rupture after heavy ion irradiations. In order to guarantee the reliability of space systems, contractors have to follow qualification Professorocedures. The US military standard for heavy ion testing, MIL-STD-750E method 1080, recommends performing a Post-irradiation Gate Stress (PiGS) in order to reveal latent defects sites that might have been created during irradiation. Unfortunately, this type of test can only be considered as a pass or fail test. With a too much restrictive apProfessoroach, rare are the devices to be qualified. Even if the US test method is accurate on most of the points, the main issue is related to the Post-irradiation Gate Stress. What is lacking is that this part of the US Test Standard has neither been dedicated to real space missions nor adapted to space environment. The PiGS test has even no physical basis justifying performing it for space applications. Working from fundamental to applicative, we aim at drawing test standards dedicated to the engineer in charge of space applications. The qualification of power MOSFETs for space applications is one of the major challenges for European space actors. The independence of European end-users and manufacturers is clearly at stake. Consequences in Professoractice are at a geopolitical level and related to the ITAR legislation.