Énergie

Énergie
Sécurité
Health monitoring
BLOC ELECTRONIQUE
+ MOTEUR
MODULES A
SEMI-
CONDUCTEUR
PUCES À SEMI-
CONDUCTEUR
‒ 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.
‒ DÉVELOPPER DES CAPTEURS ET DES
TECHNIQUES DE DIAGNOSTIC POUR ÉVALUER EN
TEMPS RÉEL L'ÉTAT DE SANTÉ DE CES
COMPOSANTS.
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 OBJECTIFS
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).
INNOVATION : Développement de techniques de
tests rapides reproduisant les contraintes
d'usage.
APPLICATIONS ET PERSPECTIVES :
‒ Tests et qualification de
nouvelles
technologies de composants.
‒ Reproduction accélérée de
profils
de mission complexes.
ANALYSES DES MÉCANISMES DE DÉFAILLANCE
MODÉLISATION – DURÉE DE VIE
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
HEALTH MONITORING
CAPTEURS INTÉGRÉS
(1) INSTITUT D'ÉLECTRONIQUE ET SYSTÈMES
(2) LABORATOIRES DES SYSTÈMES ET APPLICATIONS DES
TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DE L'ÉNERGIE
CYCLAGE THERMIQUE ACTIF MODULES à IGBT
80°C
90°C
100°C
110°C
120°C
130°C
140°C
0.0 s 0.5 s 1.0 s 1.5 s 2.0 s
IGBT1 IGBT2
1.00E+04
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C 70 °C 80 °C 90 °C 100 °C
Model-Tref=60°C Model-Tref=80°C Model-Tref=90°C Exp-Tref=60°C
Exp-Tref=80°C Exp-Tref=90°C Exp-Tref=80°C lent
Durée de vie
DTJ
ref
a
ν
J
fT
T
exp
ΔT
K
N
K = 2.13 1014 = 5.33 Ta= 126 ° C
1.00E+04
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C 70 °C 80 °C 90 °C 100 °C
Model-Tref=60°C Model-Tref=80°C Model-Tref=90°C Exp-Tref=60°C
Exp-Tref=80°C Exp-Tref=90°C Exp-Tref=80°C lent
Durée de vie
DTJ
ref
a
ν
J
fT
T
exp
ΔT
K
N
K = 2.13 1014 = 5.33 Ta= 126 ° C
FID016 - VCEo - 100A - 125°C
1.300 V
1.350 V
1.400 V
1.450 V
1.500 V
0.0 MCy 1.0 MCy 2.0 MCy 3.0 MCy 4.0 MCy
IGBT1 IGBT2
MONITORING DE LA TENSION EN CONDUCTION
FORT COURANT :
Détection des dégradations
de connexion.
APPLICATIONS ET PERSPECTIVES :
Intégration de circuits de mesure sur les composants pour
contrôler
les conditions de fonctionnement et l'état de santé des
connexions.
Électronique
Haute
résolution
INNOVATION
Conception d'une électronique
capable de mesurer en temps réel
de faibles niveaux de tension dans
un environnement perturbé.
FAIBLE COURANT :
Mesure indirecte de
température.
CYCLAGE THERMIQUE ACTIF DE MODULES MOSFET « SMART POWER »
INNOVATION : Tests et qualification de smart
power en environnement thermique
contraignant et sous contraintes électriques
sévères
APPLICATIONS ET PERSPECTIVES :
Analyse de l’effet des contraintes électriques
à même énergie dissipée sur la durée de vie.
Cartographie de potentiel sur la métallisation
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.
CAPTEURS INTÉGRÉS : VIEILLISSEMENT ET DISTRIBUTION DE COURANT
Vers circuit
de
commande
Bondi
ng
Top-métal
(Réseau de résistances Al)
Vers
circuit de
puissance
Grille
(réseau de
résistances
Poly-Si)
Modèle thermique
(Réseau RC 3D  Modèle réduit EF)
Modèle électrique
(IGBT VHDL-AMS)
Modèle électrique de la
Cellule « élémentaire »
dépendant de T°C locale
(HEFNER)
MODÉLISATION & SIMULATION DES STRESS ÉLECTROTHERMIQUES
INNOVATION : Modélisation
électrothermique distribuée
de puces actives de puissance
avec leur environnement
thermique.
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.
012345678
0
1
2
3
4
5
X(mm)
Y(mm)
-0.07
-0.06
-0.05
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
I
D
S
K
W
4
Coura
nt
de
sortie
S
1
Dr
ai
n
G
W
2
W
3
W
1
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
Résistance normalisée (Rn)
Réactance normalisée (X
n)
puce de référence
après 14000 cyclages
après 24000 cyclages
Impédance normalisée :
Capteur à courants de
Foucault
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