Contribution à l'identification de nouveaux indicateurs de défaillance des modules de puissance à IGBT, Contribution to the identification of new failure indicators for power assembly

N° d’ordre : 4258






THÈSE

PRÉSENTÉE A

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR

Par Yassine, BELMEHDI

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Électronique

CONTRIBUTION A L'IDENTIFICATION DE NOUVEAUX
INDICATEURS DE DEFAILLANCE DES MODULES DE
PUISSANCE A IGBT




Soutenue le : 04 mai 2011

Après avis de :
M. DORKEL, Jean-Marie Professeur, INSA de Toulouse
M. KHATIR, Zoubir Directeur de Recherche, IFSTTAR Versailles-Satory

Devant la commission d’examen formée de :
M. ALLARD, Bruno Professeur, INSA de Lyon
M. AZZOPARDI, Stéphane Maître de Conférence, ENSEIRB – MATMECA
M. DORKEL, Jean-Marie Professeur, INSA de Toulouse
M. KHATIR, Zoubir Directeur de Recherche, IFSTTAR Versailles-Satory
Mme. LABAT, Nathalie Professeur, Université Bordeaux 1
M. MEDINA, Mathieu Ingénieur de Recherche, SERMA TECHNOLOGIES
M. PITON, Michel Ingénier de Recherche, ALSTOM Tarbes
M. WOIRGARD, Eric Professeur, Université Bordeaux 1


Université Bordeaux 1
Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement
1





A mes parents
A Nasséra, mon épouse
A Jibraîl, mon fils
A ma famille et aux amis...
2 3Remerciements

Je remercie l’ensemble des membres du jury Bruno ALLARD, Stéphane
AZZOPARDI, Jean-Marie DORKEL, Zoubir KHATIR, Nathalie LABAT, Mathieu
MEDINA, Michel PITON et Eric WOIRGARD : pour leurs enthousiasmes, leurs "créativités"
ainsi que pour leurs travaux sans lesquels cette thèse n’aurait pas lieu d’être.
Je remercie Monsieur le Professeur Eric WOIRGARD, mon directeur de thèse, pour
m’avoir permis de travailler au sein de son équipe.
Je ne remercierai jamais assez Stéphane AZZOPARDI pour son excellent
encadrement, sa disponibilité, sa gentillesse et pour tout ce qu’il m’a apporté durant la thèse.
Je remercie tous les membres du laboratoire IMS et en particulier les membres de
l’équipe puissance que j’ai eu du plaisir à côtoyer durant ces quelques années.
Je remercie toutes les personnes du laboratoire IMS et en dehors du laboratoire qui
ont contribuées à la réalisation de ces travaux de thèse.
Je remercie tous les doctorants que j’ai côtoyé durant toutes ces années et grâce à qui
j’ai passé de très agréables moments : Othman, Nicolas, Hassan, Riadh, Adel, Hassene,
Wissam, Hyacinthe, Abad, Habib (Larojou3e), Guillaume, Warda, Ramzi, Akram, Kamal,
Baraka, Youssef, Mohamed, Etienne, Moez, Montassar, Sahebi, Ludi, François, Adrien,
George, Piero, Yao…
Un infini remerciement à mes parents Aïcha et Driss, ma sœur Karima et mes deux
frères Saïd et Ramzi qui m’accompagnent depuis tant d’années. Je leur dédie ce mémoire en
témoignage de la confiance et du soutien qu’ils m’ont toujours attesté.
À ma tendre et très chère épouse Nasséra et à mon fils bien aimé Jibraîl qui m’ont
encouragé et qui m’ont entouré au quotidien de tendresse et d’amour sans réserve.


4 5Table des matières
Listes des abréviations et des symboles...........................................................................10
Introduction générale...........................................................................................................14
1. Fiabilité des modules de puissance : état de l’art et approche méthodologique .....20
1.1 Introduction .................................................................................................................. 20
1.2 Contexte et objectif de la thèse..................................................................................... 21
1.3 Fiabilité des modules de puissance............................................................................... 22
1.3.1 Principaux modes de défaillances des modules de puissance............................. 23
1.3.1.1 Fatigue thermique des joints de brasures................................................... 24
1.3.1.2 Défaillance du fil de câblage...................................................................... 26
1.3.1.3 Défaillance au niveau de la puce de puissance .......................................... 26
1.3.2 Evaluation de la fiabilité 27
1.3.3 Durée de vie des modules de puissance .............................................................. 29
1.4 Approche méthodologique ...........................................................................................30
1.4.1 Démarche générale.............................................................................................. 30
1.4.2 Identification d’indicateurs de suivi de vieillissement........................................ 30
1.4.3 Modélisation multi-physique............................................................................... 31
1.4.4 Modèles analytiques électrothermiques 33
1.5 Evolution des architectures des modules de puissance ................................................ 36
1.5.1 Généralités........................................................................................................... 36
1.5.1.1 Présentation générale de l’IGBT................................................................ 36
1.5.1.2 Les structures IGBT actuelles.................................................................... 39
1.5.1.3 Diode de puissance .................................................................................... 46
1.5.1.4 Présentation générale du module IGBT..................................................... 47
1.5.1.5 Au-delà du simple module de puissance, le système de puissance............ 48
1.5.2 Etat de l’art des modules de puissance au niveau industriel ............................... 49
1.5.2.1 ABB51
1.5.2.2 Semikron....................................................................................................54
1.5.2.3 International Rectifier................................................................................56
1.5.3 Distribution des contraintes mécaniques au niveau de la puce de puissance...... 57
1.6 Conclusion partielle......................................................................................................59
2. Caractérisation électromécanique : historique, état de l’art et éléments de théorie 60
2.1 Introduction .................................................................................................................. 60
2.2 Généralités.................................................................................................................... 61
2.2.1 Contraintes mécaniques....................................................................................... 61
2.2.2 Contraintes mécaniques et semi-conducteur....................................................... 64
2.2.3 Mesure des contraintes mécaniques exercée sur un semi-conducteur ................ 66
2.3 Historique ..................................................................................................................... 68
2.3.1 Travaux antérieurs............................................................................................... 68
2.3.2 Introduction à l’ingénierie des contraintes mécanique appliquées sur les
composants électroniques « Stress Engineering »........................................................ 70
2.3.2.1 Contraintes dues au processus de fabrication ............................................ 71
2.3.2.2 Introduction intentionnelle des contraintes mécaniques............................ 72
2.4 Influence des contraintes mécaniques sur les caractéristiques électriques des
composants de puissance..................................................................................................... 73
62.5 Modélisation physiques par éléments finis électromécaniques.................................... 76
2.5.1 Modèle piézorésistif............................................................................................ 78
2.5.2 Théorie des potentiels de déformation ................................................................ 80
2.6 Exemple de simulation physique bidimensionnelle électromécanique statique d’un
IGBT asymétrique à grille en tranchée ............................................................................... 82
2.7 Conclusion partielle......................................................................................................85
3. Modélisation électro-thermo-mécanique d’un IGBT asymétrique à grille en tranchée
en mode de fonctionnement électrique dynamique et extrême .................................86
3.1 Introduction ....