Les environnements ont tendance à être plus sévères (plus chauds et quelquefois plus froids). À ce titre, l’électronique de puissance haute température est un enjeu majeur pour le futur. Concernant les technologies d’assemblage à haute température, les brasures haute température comme l'alliage 88Au/12Ge, 97Au/3Si et 5Sn/95Pb pourraient supporter ces niveaux de contraintes thermiques, qui sont actuellement développées pour répondre à ces exigences. Nous avons effectué les caractérisations électriques, mécaniques et thermomécaniques des matériaux d’assemblage. Une étude thermique a réalisée par des méthodes expérimentales et des simulations numériques, l’étude numérique est réalisée sous ANSYS dans le but d’estimer les influences des différents paramètres sur la performance thermique de l’assemblage. En plus, les cyclages thermiques passif de grande amplitude sont effectués pour analyser la fiabilité des modules de puissance dans ces conditions d’utilisation. / The environments tend to be more severe (hotter and sometimes colder). As such, the high temperature power electronics is a major challenge for the future. Concerning the technologies for high temperature assembly, high temperature brazing alloy as 88Au / 12Ge, 97Au / 3Si and 5Sn / 95Pb could support these levels of thermal stresses, which are being developed to answer these requirements. We performed the electric, mechanical and thermomechanical characterizations for the materials of assembly. A thermal study was realized by experimental methods and numerical simulations, the numerical study is carried out in ANSYS in order to estimate the influences of the various parameters on the thermal performance of the assembly. In addition, the passive thermal cycles of large amplitude are conducted to analyze the reliability of the power modules in these conditions.

L’amortisseur thermique étudié dans le cadre de cette thèse a pour objectif de limiter les pics de température des composants électroniques fonctionnant en régime transitoire au moyen d’une structure composite consistant en un réseau de nanotubes de carbone (NTC) rempli de matériau à changement de phase (MCP) solide-liquide, le tout étant contenu dans un boîtier en silicium (Si). Ce système passif vise à augmenter l’inertie thermique volumique du composant grâce à la chaleur latente du MCP tout en maintenant une bonne conductance thermique grâce aux NTC. Un dispositif expérimental polyvalent a été développé spécifiquement pour caractériser les différentes générations d’échantillons fabriqués par les partenaires du projet THERMA3D. L’excitation thermique de l’échantillon est réalisée au moyen d’un laser en face amont et la réponse thermique est mesurée par caméra infrarouge simultanément sur les faces amont et aval. L’application d’une peinture sélectionnée sur l’échantillon permet d’accéder à sa température après un étalonnage dédié. Des méthodes d’estimation de paramètres ont été développées pour quantifier les deux caractéristiques essentielles de l’amortisseur thermique que sont sa capacité de stockage thermique et sa résistance thermique. Les sensibilités de la résistance thermique aux caractéristiques de la connexion Si/NTC et à la longueur des NTC ont été étudiées et les résistances thermiques d’interface Si/NTC ont été identifiées comme dominantes au sein du système. Des essais de cyclage thermique ont permis d’évaluer la fiabilité de l’ensemble de manière accélérée. Le comportement du MCP et la qualité du matériau de scellement ont été analysés par voie optique. Par ailleurs, la plus élevée des deux résistances thermiques d’interface Si/NTC a été localisée grâce à la visualisation infrarouge du réseau de NTC à travers le silicium semi-transparent. Enfin, une méthode de contrôle non destructif de la qualité de l’interface Si/NTC a été développée pour les amortisseurs thermiques de dernière génération. / The purpose of the studied thermal damper is to smooth the temperature peaks of transient electronic components via a composite structure consisting of an array of carbon nanotubes (CNT) filled with solid-liquid phase change material (PCM), the whole being embedded in a silicon (Si) casing. This passive system is intended to increase the thermal inertia per unit of volume of the electronic component thanks to the latent heat of the PCM while maintaining a high thermal conductance thanks to the CNT. A versatile test bench was specifically developed in order to characterize the different generations of samples fabricated by the partners of the THERMA3D project. The thermal excitation of the front side of the sample is generated by a laser and the thermal response is measured simultaneously on the front and back sides by an infrared camera. A selected paint can be deposited on the sample in order to access its temperature by means of a dedicated calibration. Parameter estimation methods were developed in order to quantify both main characteristics of the thermal damper: its heat storage capacity and its thermal resistance. The sensitivities of the thermal resistance to the features of the Si/CNT connection and to the length of the CNT were studied and it was found out that the interfacial thermal resistances Si/CNT are dominant in the system. Thermal cycling tests enabled to assess the reliability of the thermal damper in an accelerated manner. The behavior of the PCM and the quality of the sealing material were optically analyzed. Besides, the infrared visualization of the CNT array through the semi-transparent silicon enabled to identify the highest of both Si/CNT interfacial thermal resistances. Finally, a non-destructive testing method for the evaluation of the quality of Si/CNT interfaces was developed for the latest generation of thermal dampers.

Le développement de composants de puissance à base de carbure de silicium (SiC) permet la réalisation d’interrupteurs pouvant fonctionner au-delà de 200°C. Le silicium présente plus de limitations au niveau physique du matériau qu’au niveau des technologies d’assemblages. Le SiC est un matériau semi-conducteur grand gap ce qui permet d’obtenir des courants de fuite inverse qui restent faibles à haute température ; d’où un fort intérêt pour des applications haute température. Mise à part son utilisation à des températures pouvant dépasser les 300°C, c’est un matériau qui permet aussi d’augmenter les fréquences de commutation ainsi que la densité de puissance par rapport à des composants à technologie silicium. Ceci en fait un candidat idéal pour des applications forte puissance dans le domaine de la traction, des protections de réseaux électriques ou de la transmission et de la distribution d’énergie. L’utilisation du SiC pour une application haute température pose le problème de son packaging, des choix de matériaux et de sa configuration. Cette thèse a pour but d’effectuer une étude de fiabilité et de durée de vie des briques technologiques d’assemblage et de connexions nécessaires à la réalisation d’un cœur de puissance haute température à base de JFET SiC. Une étude des différentes technologies d’assemblages de convertisseurs de puissance haute température est effectuée afin de définir différentes briques technologiques constitutives de ces systèmes. Cette première étude nous permet de procéder à une sélection de certaines technologies d’assemblages comme le frittage de pâtes d’argent pour la technologie de report de puces. Ces briques technologiques feront l’objet d’études plus approfondies allant de la réalisation de véhicules tests jusqu’à la mise au point des essais de cyclages associés aux techniques d’analyse nécessaires à l’étude de leur défaillance.Les études expérimentales concernent des essais de cyclage passif et de stockage thermique, l’apparition de délaminages en cours de cyclage thermique (scan acoustique, RX), le report par frittage de pâtes d’argent nano et microscopiques et la caractérisation électrique et thermique (Rth, I[V]). / The development of power components based on silicon carbide (SiC) allows for the design of power converter operating at high temperature (above 200 or 300°C). SiC is a semiconductor material with a large band gap that not only can operate in temperatures exceeding 300°C but also offers fast switching speed, high voltage blocking capability and higher thermal conductivity compared to silicon technology components. The classical die attach technology uses high temperature solder alloys which melt at around 300°C. However, even a soldered die attach with such high melting point can only operate up to a much lower temperature. Alternative die attach solutions have recently been proposed: Transient Liquid Phase Bonding, soldering with higher melting point alloys such as ZnSn, or silver sintering.Silver sintering is a very interesting technology, as silver offers very good thermal conductivity (429W/m.K, better than copper), relatively inexpensive (compared to alternative solutions which often use gold), and has a very high melting point (961°C).The implementation of two silver-sintering processes is made: one based on micrometer-scale silver particles, and one on nano-meter-scale particles. Two substrate technologies are investigated: Al2O3 DBC and Si3N4 AMB. After the process optimization, tests vehicles are assembled using nano and micro silver particles paste and a more classical high-temperature die attach technology: AuGe soldering. Multiple analyses are performed, such as thermal resistance measurement, shear tests and micro-sections to follow the evolution of the joint during thermal cycling and high-temperature storage ageing.