La thèse s'inscrit dans le cadre du projet ECOCIS (Eco-composite pour l'Isolation). Ce projet vise la conception, le développement et la validation des performances d'un composite à base de polypropylène renforcé avec des fibres de bois (également appelé bois-plastique) pour utilisation en plaque de bardage par l'extérieur. Ce nouveau matériau s'inscrit dans la problématique de valorisation de la ressource bois sous forme de matériaux élaborés.On s'intéresse plus particulièrement à l'utilisation de la farine de bois issue des déchets des scieries pour le renforcement d'une matrice thermoplastique en polypropylène (PP) recyclé. Le premier avantage de ce composite est qu'il est écologique vu que le polypropylène est recyclable et les fibres de bois sont biodégradable et dérivent d'une ressource renouvelable. De plus, l'association des fibres de bois et de PP donne naissance à un matériau qui présente des propriétés bien meilleures que les composants initiaux.Une compagne expérimentale a été organisée, qui se concentre sur les essais de caractérisation du matériau en traction, en flexion, au choc Charpy. Des mesures complémentaires de dilatation thermique et de vieillissement artificiel sont également considérées. Ces essais vont permettre de déterminer la loi de comportement du matériau et de comprendre l'évolution de ses propriétés avec les différents paramètres. Une fois les propriétés du matériau ont été validées, l'étape suivante consiste à mettre ce matériau en valeur en le transformant à des plaques de bardages pour une utilisation à l'extérieur. Une caractérisation des plaques en flexion, au choc et à la résistance au vent a été réalisée afin de valider la possibilité d'utilisation de ce matériau en bardage par l'extérieur / The thesis is part of ECOCIS project (Eco-composite for insulation). This project involves the design, development and validation of the performance of a polypropylene-based composite reinforced with wood fibers (also known as wood-plastic) for use in cladding plate from the outside. This new material is part of the valuation issue of wood resources in the form of prepared materials.It focuses on the use of wood flour from waste from sawmills for reinforcing a thermoplastic matrix of polypropylene (PP) recycled. The first advantage of this composite is that it is environmentally friendly because recyclable polypropylene and wood fibers are biodegradable and derived from a renewable resource. Moreover, the combination of wood fiber and PP gives rise to a material with much better properties than the original components.An experimental companion was organized, focusing on the characterization tests of traction material, bending, Charpy impact. Additional measurements of thermal expansion and artificial aging are also considered. These tests will help determine the behavior law of the material and to understand the evolution of its properties with different parameters. Once the properties of the material have been validated, the next step is to put this material by converting it into value for cladding plates for outdoor use. A characterization of the plates in bending, impact and wind resistance was performed to validate the potential use of this cladding material from the outside

Cette thèse, effectuée en collaboration entre le CEMES-CNRS, le laboratoire Satie (ENS Cachan) et NXP Semiconductors est motivée par la compréhension des mécanismes de défaillance des dispositifs MOSFET pour les applications dans l'industrie automobile. Un facteur limitant de la fiabilité à long terme des modules de puissance basse tension est le vieillissement électrothermique et/ou thermo-mécanique des parties métalliques de la source: métallisation en aluminium (ou alliage) et fils de connexion. A cause de la différence de coefficient de dilatation thermique entre la métallisation les oxydes et le substrat semi-conducteur, la température atteinte pendant les cycles de fonctionnement (quelques centaines de degrés), induit une déformation plastique inévitable dans le métal, qui est le matériau le plus mou dans l'architecture complexe du MOSFET. Nous avons caractérisé la microstructure métallique avant et après les tests de vieillissement électrothermique accélérés, en utilisant des techniques spécifiques du domaine de la métallurgie physique: microscopie électronique et ionique, cartographie d'orientation de grains et de la composition chimique. Pour la première fois, la métallisation de la source a été caractérisée sous les fils de connexion, qui sont cent fois plus épais que la métallisation. Cet emplacement est critique pour la fiabilité du composant, car le processus de soudure par ultrasons induit une déformation plastique importante qui peut affaiblir la métallisation initiale avant le vieillissement. Ceci est peu étudié dans la littérature en raison de la difficulté à accéder à la métallisation sous les fils sans altérer leur interface, souvent endommagée et fragilisée dans les modules vieillis. Nous avons mis en place des méthodes de préparation d'échantillon, basées sur le polissage ionique, pour étudier cette interface, sans introduire d'artefacts de préparation. Le processus de soudure à froid induit une déformation plastique sévère et non uniforme dans la métallisation sous les fils sans parvenir à recréer un bon contact électrique: de petites cavités et des résidus d'oxyde natif, ont été systématiquement observés à l'interface Al / Al, dans tous les modules analysés, avant et après vieillissement. Le mécanisme principal de défaillance des modules est la génération et la propagation de fissures de fatigue dans l'aluminium, associée à une oxydation locale qui empêche la fermeture de ces fissures. Sous et en dehors des fils de connexion, ces fissures traversent la métallisation perpendiculairement à la surface jusqu'au substrat en silicium en suivant les joints de grains. Cette fissuration est due à la diffusion intergranulaire accélérée des atomes d'aluminium. Dans la zone de soudure, le phénomène de fissuration parallèle à l'interface est favorisé par les imperfections initiales (cavités, oxyde). Les expériences de tomographie ionique ont montré que ces fissures sont confinées à l'interface fil-métal et ne se propagent pas dans le fil malgré sa plus faible résistance mécanique (Al pur, structure à grains plus grands). La propagation de la fissure le long de l'interface Al/Al peut provoquer une diminution du contact entre le fil et la métallisation de la source et éventuellement son décollement. Les fissures dans le métal source peuvent expliquer l'augmentation locale de la résistance et de la température du module qui accélère le processus de vieillissement jusqu'à l'échec. Cette étude a établi de nouvelles techniques dédiées et des méthodes de quantification pour évaluer le vieillissement des parties métalliques des modules MOSFET. La caractérisation complète de l'interface soudée, intrinsèquement défectueuse et la dégradation de la métallisation pendant le vieillissement électrothermique ouvrent la voie à l'amélioration possible les technologies actuelles et au développement potentiel de nouveaux procédés. / This thesis, a collaboration between CEMES-CNRS, Satie laboratory (ENS Cachan) and NXP Semiconductors is motivated by the comprehension of the failure mechanisms of low voltage power MOSFET devices produced for ap- plications in the automotive industry. A limiting factor for the long-term reliability of power modules is the electro- thermal and/or thermo-mechanical aging of the metallic parts of the source: Al metallization and bonding wires. At the temperature reached during the on-off operating cycles (few hundred degrees), the difference in the coefficient of thermal expansion between the metallization and the oxide and semicon- ductor parts induces an inevitable plastic deformation in the metal, which is the softest material in the complex MOSFET architecture. We have characterized the metal microstructure before and after accelerated electro-thermal aging tests, by using specific techniques from the field of the physical metallurgy: electron and ion microscopy, grain orientation and chem- ical composition mapping. For the first time the source metallization has been characterized both away and under the bonding connections, which are one hundred times thicker than the metallization layer. The latter is a critical loca- tion for the reliability assessment because the ultrasonic bonding process may weaken the initial metallization microstructure by adding an important plas- tic deformation prior to aging. This is, however, poorly stated in the literature because of the difficulty to access the metallization under the wires without damaging their bonding, which is known to be particularly weak in case of aged modules. In order to investigate the wire-metallization interface, we have set up origi- nal sample preparations, based on ion polishing, that allowed us to disclose the metallization under the bonding wires without introducing preparation artifacts in the microstructure. The bonding process induces a severe and non- uniform plastic deformation in the metallization under the wires without re- creating a good electrical contact: small cavities and native oxide residues, have been systematically observed at the Al/Al interface, in all the analyzed mod- ules, before and after aging. The main mechanism behind the device failure is the generation and propa- gation of fatigue cracks in the aluminum metallization, associated to a local Al oxidation that prevents these crack from closing. Away and under the wire bonds, they run perpendicularly from the surface down to the silicon substrate following the grain boundaries, due to an enhanced intergranular diffusion of aluminum atoms. In the bonding area, the phenomenon of parallel cracking is favored by the initial imperfections in the wire-metallization bonding. Ion to- mography experiments have shown that these cracks are confined to the wire- metal interface and do not propagate in the wire despite its lower strength (pure Al, larger grain structure). Crack propagation along the Al/Al interface can cause a contact reduction between the wire and the source metallization and eventually its failure. Such discontinuities in the metal can explain the lo- cal increase in the device resistance and temperature that accelerates the aging process until failure. This study settled new, dedicated techniques and quantification methods to as- sess the aging of the metal parts of MOSFET devices. The full characterization of the intrinsically defective interface generated by the bonding process and the metallization degradation during electro-thermal aging indicated paths to possible improvements of current technologies and potential developments of new processes.

Aujourd’hui, les exigences croissantes en termes de compétitivité requièrent la conception de systèmes électronique de puissance ayant un encombrement minimal tout en gardant une bonne fiabilité. La combinaison de ces deux caractéristiques est absolument requise au niveau d’un système aussi bien qu’au niveau d’un composant. On cite notamment le cas des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide, qui sont largement utilisés comme réservoir de stockage de l’énergie électrostatique. Cette fonction est nécessaire dans les systèmes électroniques de puissance pour fournir l’énergie aux différentes parties à chaque appel de courant. D’après la littérature, l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces systèmes reposent fortement sur celle des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide ainsi que sur d’autres composants identifiés comme critiques (Transistors MOS de découpage, isolants dans les transformateurs, …etc.). Le premier chapitre débute par une présentation de la technologie des condensateurs est détaillée en indiquant les différents paramètres qui les caractérisent et les différents travaux réalisés dans la littéraire sur l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces composants. Dans le deuxième chapitre, les essais de vieillissement sont élaborés en se basant sur le profil de mission du système. Ensuite, les évolutions des caractéristiques ayant une dégradation significative sont modélisées. Le troisième chapitre porte sur la caractérisation physico-chimique du condensateur afin de comprendre et expliquer les modes de défaillance enregistré pendant les essais de vieillissement. Le dernier chapitre est consacré à la réalisation des essais de vieillissement sur système simulant la dissipation de la chaleur des composants adjacents aux condensateurs. Des mesures électriques sont faites en temps réel afin de superviser la tension à leurs bornes. Enfin, un essai de stress mécanique est réalisé afin de permettre d’évaluer l’impact des vibrations sur la connectique des condensateurs neufs et vieillis. / Today, the increasing demands in terms of competitiveness require the design of electronic power systems having a minimal bulk while maintaining a good reliability. The combination of these two features is required at a system level as well as at a component level. It is particularly the case of liquid electrolyte aluminum capacitors, which are widely used as storage tanks forelectrostatic energy. This function is necessary in electronic power systems to provide energy to the different parts with each current draw. According to the literature, the study and the evaluation of the reliability of these systems rely heavily on that of liquid electrolyte aluminum capacitors as well as on other components identified as critical (MOS switching transistors, insulators in transformers, etc.). The first chapter begins with a detailed presentation of the technology of capacitors by indicating the various parameters that characterize them and the different work done in the literary on the study and evaluation of the reliability of these components. In the second chapter, aging tests are developed based on the mission profile of the system. Then, the evolutions of characteristics having a significant degradation are modeled. The third chapter deals with the physico-chemical characterization of the capacitor in order to understand and to explain the failure modes recorded during the aging tests. The last chapter is devoted to performing aging tests on a system which is simulating the heat dissipation of components adjacent to capacitors. Electrical measurements are realized in real time to monitor the voltage at their terminals. Finally, a mechanical stress test is carried out to evaluate the impact of vibrations on the connection of new and aged capacitors.