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