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.

De nos jours, la durée de vie des modules d’électronique de puissance est désormais limitée par les technologies standards de conditionnement, telles que le câblage par fils et le brasage. Ainsi une optimisation des technologies actuellement employées n’est pas suffisante pour satisfaire les futures exigences de fiabilité. Pour dépasser ces limites, un nouveau module de puissance remplaçant les fils de connexion par des clips en cuivre a été développé. Ce design innovant vise à améliorer la fiabilité du module puisqu’il empêche la dégradation des fils de connexion, constituant bien souvent la principale source de défaillance. La contrepartie de ce gain de fiabilité réside dans la complexification de la structure interne du module. En effet, l’emploi d’un clip en cuivre nécessite une brasure supplémentaire fixant le clip à la puce. Ainsi, le comportement thermomécanique et les différents modes de rupture auxquels le composant est soumis lors de son utilisation doivent être caractérisés. Cette étude utilise la simulation numérique pour analyser avec précision le comportement de chaque couche de matériaux lors des cycles actifs de puissance. De plus, une étude de sensibilité à la fois expérimentale et numérique concernant les paramètres de tests est réalisée. Les zones critiques du module ainsi que les combinaisons critiques des paramètres de tests pour les différents modes de rupture sont mis en évidence. Par ailleurs, une analyse en mécanique de la rupture est conduite et la propagation des fissures à différentes zones clés est analysée en fonction des différents paramètres de tests. Les résultats obtenus permettent la définition de modèles de prédiction de durée de vie. / Today a point has been reached where safe operation areas and lifetimes of power modules are limited by the standard packaging technologies, such as wire bonding and soft soldering. As a result, further optimization of used technologies will no longer be sufficient to meet future reliability requirements. To surpass these limits, a new power module was designed using Cu clips as interconnects instead of Al wire bonds. This new design should improve the reliability of the module as it avoids wire bond fatigue failures, often the root cause of device failures. The counterpart for an improved reliability is a quite complicated internal structure. Indeed, the use of a Cu clip implies an additional solder layer in order to fix the clip to the die. The thermo-mechanical behavior and failure mechanisms of such a package under application have to be characterized. The present study takes advantage of numerical simulations to precisely analyze the behavior of each material layer under power cycling. Furthermore an experimental and numerical sensitivity study on tests parameters is conducted. Critical regions of the module are pointed out and critical combinations of tests parameters for different failure mechanisms are highlighted. Then a fracture mechanics analysis is performed and the crack growth at different locations is analyzed in function of different tests parameters. Results obtained enable the definition of lifetime prediction models.