La microscopie à émission de photons spectrale (SPEM) est une technique non destructive utilisée comme outil de localisation des défauts et comme indicateur des mécanismes de défaillance. Cette thèse présente un nouveau système de SPEM développé pour étudier la fiabilité des dispositifs de puissance à large bande interdite, notamment les MOSFET SiC et les MEMTs AlGaN/GaN. Un aperçu des différents aspects fondamentaux de l'émission de lumière dans les dispositifs à semi-conducteurs est présenté. L'analyse spectrale en électroluminescence des MOSFET SiC à haute puissance et des HEMTs AlGaN/GaN est rapportée et corrélée avec des analyses électriques et micro-structurales pour localiser les défaillances et identifier l'origine physique de la dérive des performances de ces composants. / Spectroscopic photon emission microscopy (SPEM) is a non-destructive technique used as a defect localizing tool and as an indicator of the failure mechanisms. This thesis presents a new system of SPEM developed to study the reliability of wide band Gap power devices notably SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs. An overview of different fundamental aspects of the light emission defects on semiconductors devices is presented. The electroluminescence spectral analysis of high power stressed SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs is reported and correlated with electrical and micro-structural analysis to localize the failures and identify the physical origin of the performance drift of these components.

Lastwechseltests stellen eine standardisierte und etablierte Methode zur Zuverlässigkeitsbewertung und Produktqualifizierung in der Leistungselektronik dar. Sie basieren auf der Applikation von wiederkehrenden Laststromimpulsen, welche im Leistungsbauelement in zyklischen Temperaturschwankungen umgesetzt werden. Die dabei induzierten thermo-mechanischen Spannungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der im Verbundsystem beteiligten Fügepartner, führen letztendlich zu den typischen Versagensmechanismen in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Herkömmliche Lastwechseltests bilden allerdings die komplexen Belastungssituationen unter Feldbedingungen, in welchen unterschiedliche Lastfaktoren simultan auftreten, nur ungenügend nach. Im Kontext der Einführung neuartiger Bauelement- und Package-Technologien, rauer werdenden Umgebungsbedingungen sowie steigenden Zuverlässigkeits- und funktionalen Sicherheitsanforderungen ergibt sich somit der Bedarf an verbesserten Methoden zur Zuverlässigkeitstestbewertung. Ein möglicher Ansatz besteht in der Kombination verschiedener Belastungsarten, mit dem Ziel, Testeffizienz sowie Testabdeckung zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher unter Verwendung eines selbstentwickelten Lastwechselteststandes systematische Lastwechseltestuntersuchungen, sowohl in standardmäßiger Ausführung als auch mit überlagerten passiven Temperaturzyklen, an diskreten Leistungsbauelementen durchgeführt. Neben der Untersuchung unterschiedlicher Sperrschichttemperaturprofile erfolgte auch ein Vergleich unterschiedlicher Bauelementtypen. Auf Basis einer qualitativen und quantitativen Testauswertung wurden belastungsbasierte Lebensdauermodelle aufgestellt. Dabei zeigte sich, dass die den Standard-Lastwechseltests zugrunde-liegenden Lebensdauermodelle nicht die Testergebnisse der überlagerten Lastwechseltests vorhersagen konnten. Die Ursache dafür lag im temperaturabhängigen Werkstoffverhalten der Moldmasse begründet, welches Einfluss auf den dominierenden Fehlermodus Bonddrahtabheber hat. Daher wird die Verwendung von fall-sensitiven Lebensdauermodellen vorgeschlagen, da somit die veränderte Schädigungsphysik beim Überschreiten des Glasüberganges der Moldmasse berücksichtigt werden kann. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit eine neue Methode zur optischen in-situ-Untersuchung von Leistungsbauelementen vorgestellt, welche zukünftig die Untersuchung von thermisch-transienten sowie thermo-mechanischen Vorgängen unter aktiver Belastung erlaubt.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Danksagung Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Fokus und Ziel der Arbeit 2 Grundlagen zur Leistungselektronik und zu ihrer Zuverlässigkeitsbewertung 2.1 Aufbau typischer Leistungselektronikkomponenten und Module 2.1.1 Leistungsklassen und klassische Aufbauvarianten 2.1.2 Leistungshalbleiter 2.1.3 Substrattechnologien für Leistungsmodule 2.1.4 Verbindungstechniken in Leistungselektronikmodulen 2.1.4.1 Chipflächen- und Baugruppenkontaktierung 2.1.4.2 Chipanschlusskontaktierung 2.1.4.3 Kühlkörperanbindung 2.1.5 Verkapslungskonzepte 2.1.6 Kühlkonzepte in der Leistungselektronik 2.2 Typische Fehlermodi und -mechanismen 2.3 Lebensdauerbewertung von Leistungselektronik0 2.3.1 Globale Ansätze zur Produktqualifizierung und Zuverlässigkeitsbewertung0 2.3.2 Lebensdauertests in der Leistungselektronik 2.3.2.1 Überblick und Einordnung von Lastwechseltests 2.3.2.2 Testkonzepte und -strategien 2.3.3 Lebensdauermodellierung 3 Neue methodische Ansätze und Prüfstandsentwicklung 3.1 Überlagerung von aktiven Lastwechseln mit passiven Temperaturzyklen 3.2 Entwicklung und Aufbau eines Lastwechselprüfstandes zur Untersuchung von überlagerten Belastungstests 3.2.1 Konzeption 3.2.2 Kühlkörper-Design 3.2.3 Steuer- und Auswertesoftware 3.2.4 Lastwechselteststand 3.2.5 Messprozedur 3.2.6 Validierung der Tvj-basierten Temperaturmessung 3.3 Optisches In-situ-Monitoring während Lastwechseltests 3.3.1 Testaufbau und Probenpräparation 3.3.2 IR-Messungen an angeschliffenem Prüfling 4 Prüfgegenstände, Testplanung und Testdurchführung 4.1 Auswahl und Übersicht der Prüflinge 4.2 Testkonzeption und Versuchsplanung 4.2.1 Lastwechseltests 4.2.2 Temperaturschocktests 4.3 Testaufbau und -durchführung 4.3.1 Lastwechseltests 4.3.2 Temperaturschocktests 5 Testergebnisse 5.1 Messdatenanalyse und Auswerteprozedur 5.2 Statistische Testauswertung 5.2.1 Übersicht über Testergebnisse 5.2.2 Weibull-Verteilungen 5.3 Fehleranalytik 5.3.1 Bonddrahtausfälle 5.3.2 Lotdegradation 5.4 Optische In-situ-Analyse während aktiver Belastung 5.4.1 Methodik 5.4.2 Verschiebungsfelder in Abhängigkeit von ∆Tvj und Tvj,m 5.4.3 Einfluss der Einschaltzeit ton auf Verschiebungsfelder 5.4.4 Ableitung der Dehnungsfelder und Ergebnisdiskussion 6 Lebensdauermodellierung 6.1 Belastungsbasierte Lebensdauermodelle 6.1.1 Lebensdauerdiagramme und -einflussfaktoren 6.1.2 Multiple lineare Regression 6.1.3 Berücksichtigung der effektiven Temperatur T(v)j,eff 6.1.4 Vergleich der Lebensdauermodelle mit überlagerten Testergebnissen 6.1.5 Zusammenfassung 146 6.1.6 Einordnung der ermittelten Lebensdauermodelle 6.2 FE-Analyse zur Validierung der Ergebnisse aus der Lebensdauermodellierung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis / Active power cycling tests represent a standardized and well-established method for reliability evaluation and product qualification in power electronics. They are based on the application of recurring load current pulses, which are converted into cyclic temperature swings in the power component. The thereby induced thermo-mechanical stress, caused by the different material properties of the joining partners involved in the composite system, ultimately leads to the typical failure modes and mechanisms in the devices. However, these conventional tests do not sufficiently stimulate the complex load schemes in field operations in which different load factors occur simultaneously. In the context of the introduction of novel device and package technologies, increasingly harsh environmental operation conditions as well as increasing reliability and functional safety requirements, there is a need for improved reliability test methods. One possible approach is the combination of different load factors in order to increase test efficiency and test coverage. Within the scope of this thesis, systematic reliability investigations, including standard power cycling tests as well as power cycling tests superimposed with passive thermal cycles, were therefore carried out on discrete power components using a self-developed test rig. In addition to the investigation of different junction temperature profiles, a comparison of different component types was performed. On the basis of a qualitative and quantitative test evaluation, load-based lifetime models were derived. It was found that the lifetime models determined on the basis of the standard power cycling tests could not predict the test results of the superimposed power cycling tests. The reason for this was the influence of the temperature-dependent material behaviour of the moulding com-pound, which has an influence on the failure mode wire-bond lift-off. Based on these findings, the use of case-sensitive lifetime models is suggested that are able to take the changed damage physics into account. In addition, a new method for the optical in-situ investigation of moulded power devices is presented, which allows the investigation of thermal-transient as well as thermo-mechanical processes in the package under active loading conditions.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Danksagung Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Fokus und Ziel der Arbeit 2 Grundlagen zur Leistungselektronik und zu ihrer Zuverlässigkeitsbewertung 2.1 Aufbau typischer Leistungselektronikkomponenten und Module 2.1.1 Leistungsklassen und klassische Aufbauvarianten 2.1.2 Leistungshalbleiter 2.1.3 Substrattechnologien für Leistungsmodule 2.1.4 Verbindungstechniken in Leistungselektronikmodulen 2.1.4.1 Chipflächen- und Baugruppenkontaktierung 2.1.4.2 Chipanschlusskontaktierung 2.1.4.3 Kühlkörperanbindung 2.1.5 Verkapslungskonzepte 2.1.6 Kühlkonzepte in der Leistungselektronik 2.2 Typische Fehlermodi und -mechanismen 2.3 Lebensdauerbewertung von Leistungselektronik0 2.3.1 Globale Ansätze zur Produktqualifizierung und Zuverlässigkeitsbewertung0 2.3.2 Lebensdauertests in der Leistungselektronik 2.3.2.1 Überblick und Einordnung von Lastwechseltests 2.3.2.2 Testkonzepte und -strategien 2.3.3 Lebensdauermodellierung 3 Neue methodische Ansätze und Prüfstandsentwicklung 3.1 Überlagerung von aktiven Lastwechseln mit passiven Temperaturzyklen 3.2 Entwicklung und Aufbau eines Lastwechselprüfstandes zur Untersuchung von überlagerten Belastungstests 3.2.1 Konzeption 3.2.2 Kühlkörper-Design 3.2.3 Steuer- und Auswertesoftware 3.2.4 Lastwechselteststand 3.2.5 Messprozedur 3.2.6 Validierung der Tvj-basierten Temperaturmessung 3.3 Optisches In-situ-Monitoring während Lastwechseltests 3.3.1 Testaufbau und Probenpräparation 3.3.2 IR-Messungen an angeschliffenem Prüfling 4 Prüfgegenstände, Testplanung und Testdurchführung 4.1 Auswahl und Übersicht der Prüflinge 4.2 Testkonzeption und Versuchsplanung 4.2.1 Lastwechseltests 4.2.2 Temperaturschocktests 4.3 Testaufbau und -durchführung 4.3.1 Lastwechseltests 4.3.2 Temperaturschocktests 5 Testergebnisse 5.1 Messdatenanalyse und Auswerteprozedur 5.2 Statistische Testauswertung 5.2.1 Übersicht über Testergebnisse 5.2.2 Weibull-Verteilungen 5.3 Fehleranalytik 5.3.1 Bonddrahtausfälle 5.3.2 Lotdegradation 5.4 Optische In-situ-Analyse während aktiver Belastung 5.4.1 Methodik 5.4.2 Verschiebungsfelder in Abhängigkeit von ∆Tvj und Tvj,m 5.4.3 Einfluss der Einschaltzeit ton auf Verschiebungsfelder 5.4.4 Ableitung der Dehnungsfelder und Ergebnisdiskussion 6 Lebensdauermodellierung 6.1 Belastungsbasierte Lebensdauermodelle 6.1.1 Lebensdauerdiagramme und -einflussfaktoren 6.1.2 Multiple lineare Regression 6.1.3 Berücksichtigung der effektiven Temperatur T(v)j,eff 6.1.4 Vergleich der Lebensdauermodelle mit überlagerten Testergebnissen 6.1.5 Zusammenfassung 146 6.1.6 Einordnung der ermittelten Lebensdauermodelle 6.2 FE-Analyse zur Validierung der Ergebnisse aus der Lebensdauermodellierung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

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Silicon Carbide (SiC) is a wide-bandgap (WBG) semiconductor materialwhich has several advantages such as higher maximum electric field, lowerON-state resistance, higher switching speeds, and higher maximum allowablejunction operation temperature compared to Silicon (Si). In the 1.2 kV - 1.7kV voltage range, power devices in SiC are foreseen to replace Si Insulatedgatebipolar transistors (IGBTs) for applications targeting high efficiency,high operation temperatures and/or volume reductions. In particular, theSiC Metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) – which isvoltage controlled and normally-OFF – is the device of choice due to the easeof its implementation in designs using Si IGBTs.In this work the reliability of SiC devices, in particular that of the SiCMOSFET, has been investigated. First, the possibility of paralleling two discreteSiC MOSFETs is investigated and validated through static and dynamictests. Parallel-connection was found to be unproblematic. Secondly, drifts ofthe threshold voltage and forward voltage of the body diode of the SiC MOSFETare investigated through long-term tests. Also these reliability aspectswere found to be unproblematic. Thirdly, the impact of the package on thechip reliability is discussed through a modeling of the parasitic inductancesof a standard module and the impact of those inductances on the gate oxide.The model shows imbalances in stray inductances and parasitic elementsthat are problematic for high-speed switching. A long-term test on the impactof humidity on junction terminations of SiC MOSFETs dies and SiCSchottky dies encapsulated in the same standard package reveals early degradationfor some modules situated outdoors. Then, the short-circuit behaviorof three different types (bipolar junction transistor, junction field-effect transistor,and MOSFET) of 1.2 kV SiC switching devices is investigated throughexperiments and simulations. The necessity to turn OFF the device quicklyduring a fault is supported with a detailed electro-thermal analysis for eachdevice. Design guidelines towards a rugged and fast short-circuit protectionare derived. For each device, a short-circuit protection driver was designed,built and validated experimentally. The possibility of designing diode-lessconverters with SiC MOSFETs is investigated with focus on surge currenttests through the body diode. The discovered fault mechanism is the triggeringof the npn parasitic bipolar transistor. Finally, a life-cycle cost analysis(LCCA) has been performed revealing that the introduction of SiC MOSFETsin already existing IGBT designs is economically interesting. In fact,the initial investment is saved later on due to a higher efficiency. Moreover,the reliability is improved, which is beneficial from a risk-management pointof-view. The total investment over 20 years is approximately 30 % lower fora converter with SiC MOSFETs although the initial converter cost is 30 %higher. / Kiselkarbid (SiC) är ett bredbandgapsmaterial (WBG) som har flera fördelar,såsom högre maximal elektrisk fältstyrka, lägre ON-state resitans, högreswitch-hastighet och högre maximalt tillåten arbetstemperatur jämförtmed kisel (Si). I spänningsområdet 1,2-1,7 kV förutses att effekthalvledarkomponenteri SiC kommer att ersätta Si Insulated-gate bipolar transistorer(IGBT:er) i tillämpningar där hög verkningsgrad, hög arbetstemperatur ellervolymreduktioner eftersträvas. Förstahandsvalet är en SiC Metal-oxidesemiconductor field-effect transistor (MOSFET) som är spänningsstyrd ochnormally-OFF, egenskaper som möjliggör enkel implementering i konstruktionersom använder Si IGBTer.I detta arbete undersöks tillförlitligheten av SiC komponenter, specielltSiC MOSFET:en. Först undersöks möjligheten att parallellkoppla tvådiskretaSiC MOSFET:ar genom statiska och dynamiska prov. Parallellkopplingbefanns vara oproblematisk. Sedan undersöks drift av tröskelspänning ochbody-diodens framspänning genom långtidsprov. Ocksådessa tillförlitlighetsaspekterbefanns vara oproblematiska. Därefter undersöks kapslingens inverkanpåchip:et genom modellering av parasitiska induktanser hos en standardmoduloch inverkan av dessa induktanser pågate-oxiden. Modellen påvisaren obalans mellan de parasitiska induktanserna, något som kan varaproblematiskt för snabb switchning. Ett långtidstest av inverkan från fuktpåkant-termineringar för SiC-MOSFET:ar och SiC-Schottky-dioder i sammastandardmodul avslöjar tidiga tecken pådegradering för vissa moduler somvarit utomhus. Därefter undersöks kortslutningsbeteende för tre typer (bipolärtransistor,junction-field-effect transistor och MOSFET) av 1.2 kV effekthalvledarswitchargenom experiment och simuleringar. Behovet att stänga avkomponenten snabbt stöds av detaljerade elektrotermiska simuleringar för allatre komponenter. Konstruktionsriktlinjer för ett robust och snabbt kortslutningsskyddtas fram. För var och en av komponenterna byggs en drivkrets medkortslutningsskydd som valideras experimentellt. Möjligheten att konstrueradiodlösa omvandlare med SiC MOSFET:ar undersöks med fokus påstötströmmargenom body-dioden. Den upptäckta felmekanismen är ett oönskat tillslagav den parasitiska npn-transistorn. Slutligen utförs en livscykelanalys(LCCA) som avslöjar att introduktionen av SiC MOSFET:ar i existerandeIGBT-konstruktioner är ekonomiskt intressant. Den initiala investeringensparas in senare pågrund av en högre verkningsgrad. Dessutom förbättrastillförlitligheten, vilket är fördelaktigt ur ett riskhanteringsperspektiv. Dentotala investeringen över 20 år är ungefär 30 % lägre för en omvandlare medSiC MOSFET:ar även om initialkostnaden är 30 % högre. / <p>QC 20170524</p>

La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s’est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu’il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC. / Silicon carbide (SiC) has higher critical electric field for breakdown and lower intrinsic carrier concentration than silicon, which are very attractive for high power and high temperature power electric applications. In this thesis, a new 3.3kV/20A SiC-4H JFET is designed and fabricated for motor drive (330kW). This breakdown voltage is beyond the state of art of the commercial unipolar SiC devices. The first characterization shows that the breakdown voltage is lower (2.5kV) than its theoretical value. Also the on-state resistance is more important than expected. By means of finite element simulation the origins of the failure are identified and then verified by optical analysis. Hence, a new layout is designed followed by a new generation of SiC-4H JFET is fabricated. Test results show the 3.3kV JFET is developed successfully. Meanwhile, the electro-thermal mechanism in the SiC JFETs under short circuit is studied by means of TCAD simulation. The commercial 1200V SIT (USCi) and LV-JFET (Infineon) are used as sample. A hotspot inside the structures is observed. And the impact the bulk thickness and the canal doping on the short circuit capability of the devices are shown. The physical models validated by this study will be used on our 3.3kV once it is packaged.