Énergie

Énergie
Sécurité
Health monitoring
FIABILITÉ DES COMPOSANTS À SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE EMBARQUÉS
DANS LA CHAÎNE D'ÉNERGIE DES VÉHICULES ÉLECTRIQUES OU HYBRIDES
François Forest(1), Zoubir Khatir(2), Stéphane Lefebvre(2)
CONTEXTE
COMPOSANTS SITUÉS EN AMONT DE LA CHAÎNE DE PROPULSION. CRITIQUES ET
FRAGILES, ILS SOUMIS À DIFFÉRENTS STRESS DONT D'IMPORTANTES VARIATIONS DE
TEMPÉRATURE (CYCLAGE THERMIQUE).
OBJECTIFS
‒ IDENTIFIER, ANALYSER ET CLASSER LES
MÉCANISMES DE DÉFAILLANCE EN FONCTION DES
CONTRAINTES D'USAGE. CONSTRUIRE DES
MODÈLES DE DURÉE DE VIE POUR LES
CONCEPTEURS DE SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES.
BLOC ELECTRONIQUE
+ MOTEUR
PUCES À SEMICONDUCTEUR
‒ DÉVELOPPER DES CAPTEURS ET DES
TECHNIQUES DE DIAGNOSTIC POUR ÉVALUER EN
TEMPS RÉEL L'ÉTAT DE SANTÉ DE CES
COMPOSANTS.
MODULES A
SEMICONDUCTEUR
HEALTH MONITORING
CAPTEURS INTÉGRÉS
ANALYSES DES MÉCANISMES DE DÉFAILLANCE
MODÉLISATION – DURÉE DE VIE
CAPTEURS INTÉGRÉS : VIEILLISSEMENT ET DISTRIBUTION DE COURANT
CYCLAGE THERMIQUE ACTIF MODULES à IGBT
INNOVATION : Développement de techniques de
tests rapides reproduisant les contraintes
d'usage.
Durée de vie
K = 2.13 10  = 5.33 T = 126°C
14
1.00E+09
a
 T
K
Nf 
exp  a
 Tref
ΔTJ ν

1.00E+08




1.00E+07
1.00E+06
INNOVATION : Développement de capteurs
électromagnétiques pour le "contrôle santé
intégré des modules de puissance, par
courants de Foucault (vieillissement des
métallisations et brasures) et mesure de
champ rayonné (effet Hall et AMR) pour la
redistribution du courant dans la puce après
vieillissement
1
140°C
puce de référence
après 14000 cyclages
après 24000 cyclages
1.00E+05
120°C
110°C
100°C
J
1.00E+04
20 °C
90°C
80°C
0.0 s
0.5 s
1.0 s
IGBT1
1.5 s
IGBT2
2.0 s
30 °C
40 °C
50 °C
60 °C
70 °C
80 °C
Model-Tref=60°C
Model-Tref=80°C
Model-Tref=90°C
Exp-Tref=80°C
Exp-Tref=90°C
Exp-Tref=80°C lent
90 °C
100 °C
Exp-Tref=60°C
APPLICATIONS ET PERSPECTIVES :
Analyse de l’effet des contraintes électriques
à même énergie dissipée sur la durée de vie.
Réactance normalisée (Xn)
130°C
0.98
Top-métal
(Réseau de résistances Al)
Coura
nt
W
0.94
4
0.9
0
3
sortie
W
W
2
1
0.01
0.02
0.03
0.04
S
K
G
S
1
Dr
ai
n
0.05
Résistance normalisée (Rn)
5
APPLICATIONS ET PERSPECTIVES :
‒ Implantation de capteurs santé intégrés dans des
modules de puissance et suivi des dégradations dans une
optique de maintenance préventive.
‒ Analyse fine de la dégradations des fils de bonding et
métallisations sur la distribution du courant dans les
puces de puissance.
4
I
0
D
-0.01
-0.02
3
-0.03
-0.04
2
-0.05
1
0
0
-0.06
-0.07
1
1.500 V
FID016 - VCEo - 100A - 125°C
1.450 V
FORT COURANT :
Détection des dégradations
de connexion.
Bondi
ng
1.400 V
1.350 V
Vers
circuit de
puissance
Vers circuit
de
commande
1.300 V
Électronique
Haute
résolution
Grille
(réseau de
résistances
Poly-Si)
3
4
X(mm)
5
6
7
8
0.0 MCy
1.0 MCy
2.0 MCy
IGBT1
3.0 MCy
4.0 MCy
INNOVATION
Conception d'une électronique
capable de mesurer en temps réel
de faibles niveaux de tension dans
un environnement perturbé.
IGBT2
FAIBLE COURANT :
Mesure indirecte de
température.
Modèle électrique
2
MONITORING DE LA TENSION EN CONDUCTION
Modèle électrique de la
Cellule « élémentaire »
dépendant de T°C locale
(HEFNER)
Modèle thermique
(Réseau RC 3D  Modèle réduit EF)
(IGBT VHDL-AMS)
APPLICATIONS ET PERSPECTIVES :
Simulation de comportements stressant des composants
‒ Aide à la connaissance des mécanismes de vieillissement et de leurs effets.
‒ Aide à la conception des composants.
APPLICATIONS ET PERSPECTIVES :
Intégration de circuits de mesure sur les composants pour
contrôler
les conditions de fonctionnement et l'état de santé des
connexions.
(1) INSTITUT D'ÉLECTRONIQUE ET SYSTÈMES
37
W de
Impédance normalisée :
Capteur à courants de
Foucault
0.92
MODÉLISATION & SIMULATION DES STRESS ÉLECTROTHERMIQUES
INNOVATION : Modélisation
électrothermique distribuée
de puces actives de puissance
avec leur environnement
thermique.
Cartographie de potentiel sur la métallisation
0.96
Y(mm)
APPLICATIONS ET PERSPECTIVES :
‒ Tests et qualification de
DT
nouvelles
technologies de composants.
‒ Reproduction accélérée de
profils CYCLAGE THERMIQUE ACTIF DE MODULES MOSFET « SMART POWER »
de mission complexes.
INNOVATION : Tests et qualification de smart
power en environnement thermique
contraignant et sous contraintes électriques
sévères
(2) LABORATOIRES DES SYSTÈMES ET APPLICATIONS DES
TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DE L'ÉNERGIE