L'électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L'exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l'état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictive.

Les composants hyperfréquences embarqués dans des satellites utilisent actuellement l'encapsulation hermétique dans des boîtiers métalliques ou céramiques. La très forte amélioration des matériaux organiques en termes de dégazage et d'impureté ionique notamment rend possible l'utilisation de solutions quasi-hermétiques pour l'environnement spatial. Les encapsulations plastiques ouvrent des perspectives avérées de gain de dimension et de coût. La validation d'une technologie d'encapsulation repose sur la réalisation d'essais de fiabilité normatifs (1000 heures à 85°C et 85% d'humidité relative). Ces essais sont applicables quels que soient le profil de stockage de la mission, le type d'encapsulation et la technologie des composants utilisés. Les conditions de réalisation de ces essais ne sont pas clairement définies, par exemple l'application ou pas d'un fort champ électrique au niveau du composant. Or ce seul paramètre devient prépondérant lorsque les conditions sont réunies pour permettre la mise en place de phénomènes de corrosion. Ces travaux de thèse se sont axés sur la compréhension des mécanismes de défaillance mis en jeu dans des tests de vieillissement accéléré en chaleur humide. Pour cela, une méthodologie a été mise en œuvre pour établir les signatures électriques en statique de composants défaillants de deux filières technologiques de MMICs GaAs. Ces tests ont été reproduits sur des composants avec et sans encapsulation par une résine époxyde chargée silice, déposée selon le procédé dam-and-fill. Ainsi, il a été possible de distinguer les défaillances liées à la dégradation intrinsèque des composants, de l'effet protecteur ou non de l'encapsulation plastique. En parallèle, le comportement d'échantillons de résines sous différentes ambiances de chaleur humide a été testé et une modélisation a été proposée pour prédire leur prise d'humidité. Concernant l'effet de l'encapsulation par dam-and-fill, les résultats obtenus ont été contradictoires et dépendant des lots de composants. Ces résultats sont à pondérer par la taille restreinte de l'échantillonnage des files de test. En effet, pour la technologie représentative de cette étude, la présence d'une encapsulation plastique, pour un premier lot de composants, a eu tendance d'une part, à ne pas éviter ni même retarder l'apparition de fuites électriques, et d'autre part à aggraver ces dégradations, au point de mener à des défaillances dans la majorité des cas. De plus, des doutes subsistent sur la qualité de ce lot, notamment celle de la passivation. Pour un second lot de composants testés de technologie identique, il a été observé une amélioration de la résistance à l'humidité des composants encapsulés, vis-à-vis des puces nues. L'analyse de défaillance des composants encapsulés est extrêmement difficile car il faut pouvoir accéder aux défauts à la surface, voire sous la surface, du composant protégé. Une solution alternative a donc été cherchée afin de contourner les problèmes posés par la présence du matériau d'encapsulation. La nouvelle approche proposée combine la thermographie infrarouge avec la méthode du point chaud, l'imagerie en optique et l'analyse aux rayons X. Le défaut est tout d'abord localisé par la face avant, malgré la présence de la résine d'encapsulation. Ensuite, la transparence du substrat GaAs aux infrarouges permet des observations par la face arrière du composant. Une méthodologie de préparation relativement simple et rapide a pu être proposée et sa faisabilité démontrée.

Ce projet de thèse se situe dans le cadre de l'étude de la fiabilité prédictive de nouveaux concepts d'assemblages microélectroniques de type " system in package " SiP. L'objectif est de développer une méthodologie de fiabilité prédictive adaptée aux nouveaux concepts d'assemblage qui permet d'optimiser et de prédire les performances dès la phase de conception. Elle est ensuite appliquée sur des projets concrets. Cette méthodologie de fiabilité prédictive fait intervenir des études expérimentales, des simulations thermomécaniques et des analyses statistiques pour traiter les données et évaluer la fiabilité et les risques de défaillance. L'utilisation d'outils de simulation des composants électroniques est bien adaptée pour aider à l'évaluation des zones les plus fragiles, la mise en place des règles de conception et la détermination des paramètres les plus influents avec une réduction du temps de mise en marché d'un produit fiable et une optimisation des performances. Les études réalisées sur le silicium avec deux tests : bille sur anneau et test trois points montrent que le rodage et l'épaisseur ont une influence sur la variation de la contrainte et la déflexion du silicium à la rupture. Avec le test trois points, le déclenchement des fissures est lié à la qualité de sciage et de rodage. Cependant avec le test bille sur anneau, seule la qualité de surface influence le déclenchement des fissures. Le test bille sur anneau est bien adapté pour évaluer la qualité de surface du silicium. Avec les techniques chimiques de réduction de contraintes, comme la gravure humide et plasma, la résistance à la rupture a été considérablement améliorée. Ces tests de rupture sur le silicium ont permis de caractériser la rupture du silicium sous une contrainte de flexion et de compléter les résultats de simulation. Ces travaux démontrent, le besoin et l'utilité du prototypage virtuel des composants électroniques et de l'utilisation d'une méthodologie prédictive dans l'évaluation de la fiabilité en l'appliquant sur des composants réels.

Ce travail de recherche intitulé " Contribution à la modélisation de l'Intégrité des Alimentations dans les System-in-Package", effectué chez NXP semi-conducteurs, se propose d'étudier l'intégrité des alimentations et des signaux dans un système complexe tel que le System-in-Package(SiP), les System-on-Chip(SoC) ou autres (PoP,...). C'est-à-dire la générations de perturbations électromagnétiques conduites dues à l'activité d'un système complexe sur son environnement d'intégration. Un bilan de puissance statique et dynamique permet de considérer l'influence de l'activité des fonctions numériques sur le système SiP. L'activité dynamique est représentée sous forme de profils canoniques caractérisés par la technologie de conception des fonctions logiques. Cette représentation en base tient compte du cadencement multi fréquentiel (ou multi-harmonique) du système. Un logiciel a été développé permettant d'extraire un profil d'activité numérique définit suivant la géométrie de la fonction, sa technologie et ses fréquences d'activation. Les fonctions analogiques et le réseau passif d'interconnexions sont modélisés au travers de fonctions de transfert et validés par une approche expérimentale (domaine fréquentiel et temporel) et en simulation. Cette analyse a permis de souligner les potentialités de la modélisation BBS (Broad Band Spice Model). Ceci a permis une modélisation multi-port globale de l'environnement d'intégration modélisé depuis le PCB jusqu'aux fonctions actives (PCB-Boitier-interconnexions-circuits). Les modèles extraits sont utilisables dans un environnement SPICE où l'ensemble du système est modélisé dans un environnement unique. La CO-MODÉLISATION et la CO-SIMULATION GLOBALES permettent la proposition de règles de conception et l'optimisation du découplage souligné par le potentiel du substrat de report PICS (Passive Integrating Component Substrate).

Ce document présente une synthèse de mes activités de recherche au cours des 10 dernières années. Recruté en septembre 2003 au laboratoire CITI, je suis venu renforcer les activités dans le domaine des communications radios, particulièrement de ce qui d'un point de vue réseau est dénommée la couche physique. Ces activités étaient jusqu'alors portées par un unique permanent (J.M. Gorce) et une doctorante. Pour être cohérent et complémentaire, j'ai dû opérer une évolution thématique pour m'intéresser aux aspects de traitement du signal et de modélisation niveau système, plus en amont de mes activités antérieures plus proches de l'électromagnétisme (même si les aspects antennes sont encore au cœur des problématiques). Mon rôle a ensuite évolué par la mise en place d'une plateforme de mesure permettant une meilleure prise en compte et validation globale des chaînes de transmissions. Cette évolution vers une vision plus globale des systèmes de transmissions m'a permis désormais de développer mon propre axe de recherche sur les aspects systèmes RF flexibles au sein du laboratoire, tout en poursuivant de multiples collaborations transverses avec mes collègues sur des aspects de radio logicielle ou encore de modélisation du canal radio.

La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l'étude approfondie d'une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d'un véhicule électrique. Il s'agit d'un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes. Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l'architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire. Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l'assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d'alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l'optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d'une part et les défaillances accidentelles d'autre part. Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d'impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu'en cas de défaillance d'un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L'architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d'en améliorer le rendement sur cycle.

La variation de vitesse des machines électriques est une application très porteuse de l’électronique de puissance. La solution de conversion la plus répandue consiste à connecter en cascade deux convertisseurs statiques et d’effectuer une double conversion (AC/DC/AC). Une autre solution, faiblement répandue dans l’industrie, effectue une conversion directe AC/AC. Ce mémoire effectue une synthèse sur les solutions de conversion directe ainsi que sur les stratégies de modulation des convertisseurs matriciels et matriciels « double étage » dans le but de piloter des machines électriques triphasées à partir d’un réseau alternatif triphasé. Cette synthèse a permis de développer une modulation scalaire généralisée, associée à un modulateur par porteuse, équivalente à la modulation vectorielle et applicable aux différents convertisseurs matriciels. Les modulations, à nombre de commutation réduit par période de découpage, ont été approfondies. Cette généralisation a permis de mettre en évidence une solution réduisant les pertes et améliorant le comportement électromagnétique du dispositif comparativement aux modulations traditionnellement utilisées. La présentation des contraintes réelles (commande rapprochée des interrupteurs, Les protections ainsi que le filtrage) est abordée et a été utilisée pour développer une maquette laboratoire. Les stratégies de modulation ont été implantées expérimentalement et valident l’étude théorique. Enfin, un fonctionnement direct à la fréquence réseau, sans modulation donc à faibles pertes, est proposé. Un fonctionnement particulier est introduit, permettant d’effectuer le transitoire du mode modulé classique au fonctionnement direct non modulé / In the power electronics field, the adjustable speed drives is a growing application for electric motors control. The most common conversion solution is to connect in series two static converters and perform a double conversion (AC/DC/AC). Another solution, hardly proposed by industry, uses a direct AC/AC conversion. This thesis aims to make a direct conversion solutions and matrix converters and ‘‘two stage’’ matrix converters modulation strategies synthesis for the purpose to control three-phase electric motor with a three phase input network. This synthesis has developed a generalized scalar modulation, combined with a carrier wave modulator, equivalent to the space vector modulation and applied to matrix converters and the ‘‘two stage’’ matrix converters. Some attention has been done to reduced the switching number during the modulation period. The generalization allows to propose a modified modulation which reduces the losses and improves the electromagnetic performance compared to the traditional modulations used for these kind of converters. The practical constraint (switches control, protection system and filtering) are discussed and has been used to develop a laboratory prototype. The modulations strategies have been implemented experimentally and validate the theoretical study. Finally, a direct function mode with an equal frequency between the input and output network is proposed, without modulation and therefore low losses. In the last part, a particular operation mode is then introduced, permitting the transient operation between the modulated conventional mode to the direct mode without modulation

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'électronique de spin et traite plus particulièrement de l'interaction réciproque entre un courant polarisé en spin et l'aimantation des structures magnétiques. Au cours de ce travail, les équations du transport diffusif dépendant du spin ont été couplées de façon auto-cohérente à l'équation de la dynamique d'aimantation dans l'approche micromagnétique au sein du code éléments finis. Cet outil numérique est appliqué à l'étude de la dynamique de parois de domaines dans différentes géométries sous l'action d'un courant polarisé. Il a permis de mettre en évidence plusieurs nouveaux phénomènes liés à l'interaction mutuelle entre l'aimantation et les spins des électrons. Pour des rubans à section rectangulaire, l'impact de cette interaction, habituellement négligée dans les modèles simplifiés, est quantifié via le calcul de la vitesse de déplacement de parois et du courant critique de Walker. Ces paramètres ont été étudiés en fonction de la largeur de paroi, du courant appliqué et des longueurs caractéristiques du transport polarisé en spin. L'augmentation du paramètre de non-adiabaticité du système, liée à l'augmentation du gradient d'aimantation ainsi qu'à une forte non-localité du modèle couplé, a été démontrée. Pour des fils à section circulaire et à diamètre modulable, une contribution supplémentaire à la non-adiabaticité du système liée, à la géométrie confinée, a été mise en évidence. Puis, les différents régimes dynamiques ainsi que les conditions de dépiégage de la paroi ont été caractérisés en fonction de la taille de constrictions. / In the context of spintronics this thesis studies the mutual interaction between a spin polarised current and the magnetization of magnetic structures. During this work, the diffusive spin transport equations were coupled in a self-consistent manner with the magnetization dynamics equations in the micromagnetic approach in our homemade finite element code. This numerical tool applied to the study of domain walls dynamics in different geometries under the action of spin polarized current highlighted several new phenomena related to the mutual interaction between the magnetization and the spins of electrons. For rectangular cross section stripes, the impact of this interaction, usually neglected in simplified models, is quantified by the computation of the domain wall velocity and the Walker critical current. These quantities were studied as a function of the domain wall width, the applied current, and the spin polarised transport characteristic lengths. Increasing the non-adiabatic parameter of the system related to the increase in the magnetization gradient and a strong non-locality of the coupled model was demonstrated. For circular cross section wires with a modulated diameter, an additional contribution to the non-adiabaticity of the system related to the confined geometry is highlighted. Then the different dynamic regimes and domain wall unpinning conditions are characterised according to the constriction size.

Au cours de la dernière décennie, un important effort a été fait dans le domaine des conducteurs électroniques de basse dimensionnalité afin de réaliser une électronique à électrons uniques. Une idée particulièrement attractive étant de pouvoir contrôler complétement la phase d’un électron unique volant pour transporter et manipuler de l’information quantique dans le but de construire un qubit volant. L’injection contrôlée d’électrons uniques dans un système électronique bidimensionnel balistique peut être fait grâce à une source d’électrons uniques basée sur des pulses de tensions lorentziens sub-nanosecondes. Une telle source peut aussi être utilisée pour mettre en évidence de nouveaux phénomènes d’interférences électroniques. Lorsqu’un pulse de tension court est injecté dans un interféromètre électronique, de nouveaux effets d’interférences sont attendus du fait de l’interaction du pulse avec les électrons de la mer de Fermi. Pour la réalisation de cette expérience, il est important de connaître avec précision la vitesse de propagation du paquet d’onde électronique créé par le pulse.Dans cette thèse, nous présentons des mesures résolues en temps d’un pulse de tension court (<100 ps) injecté dans un fil quantique 1D formé dans gaz d’électron bidimensionnel qui nous ont permis de déterminer sa vitesse de propagation. Nous montrons que le pulse se propage bien plus vite que la vitesse de Fermi d’un système sans interaction. La vitesse de propagation est augmentée par les interactions électron-électron. Pour un fil quantique contenant un grand nombre de modes, la vitesse mesurée est en excellent accord avec la vitesse d’un plasmon dans un système 2D en présence de grilles métalliques. En modifiant le potentiel de confinement électrostatique et donc l’intensité des interactions, nous montrons qu’il est possible de contrôler la vitesse de propagation. Nous avons ensuite étudié un interféromètre électronique à deux chemins basé sur deux fils couplés par une barrière tunnel. Nos mesures préliminaires font ressortir une signature qui peut être attribuée à des oscillations tunnel cohérentes des électrons injectés dans ce système. Dans un future proche, cet interféromètre pourrait être utilisé pour mettre en évidence ces nouveaux effets spectaculaires dus à l’interaction du pulse avec les électrons de la mer de Fermi. / Over the past decade, an important effort has been made in the field of low dimensional electronic conductors towards single electron electronics with the goal to gain full control of the phase of a single electron in a solid-state system. A particular appealing idea is to use a single flying electron itself to carry and manipulate the quantum information, the so-called solid state flying qubit. On demand single electron injection into such a ballistic two-dimensional electron system can be realized by employing the recently developed single electron source based on sub-nanosecond lorentzian voltage pulses. Such a source could also be used to reveal interesting new physics. When a short voltage pulse is injected in an electronic interferometer, novel interference effects are expected due to the interference of the pulse with the surrounding Fermi sea. For the realization of such experiments it is important to know with high accuracy the propagation velocity of the electron wave packet created by the pulse.In this thesis, we present time resolved measurements of a short voltage pulse (<100 ps) injected into a 1D quantum wire formed in a two-dimensional electron gas and determine its propagation speed. We show that the voltage pulse propagates much faster than the Fermi velocity of a non-interacting system. The propagation speed is enhanced due to electron interactions within the quantum wire. For a quantum wire containing a large number of modes, the measured propagation velocity agrees very well with the 2D plasmon velocity for a gated two-dimensional electron gas. Increasing the confinement potential allows to control the strength of the electron interactions and hence the propagation speed. We then have studied an electronic two-path interferometer based on two tunnel-coupled wires. Our preliminary measurements show a signature that can be attributed to the coherent tunneling of the electrons injected into this system. In the near future, this system could be used to reveal these new striking effects due to the interaction of the voltage pulse with the Fermi sea.

Les performances, l’encombrement, l’efficacité et la fiabilité des dispositifs sont parmi les enjeux majeurs de l’électronique de puissance. Ils se traduisent sur la conception, la fabrication et le packaging des semiconducteurs. Aujourd’hui, le packaging 3D apporte des réponses concrètes à ces problématiques en regard de l’approche standard (2D). Malgré les excellentes propriétés de ces modules 3D au niveau de la réduction de la signature CEM et du refroidissement, la réalisation, notamment les interconnexions, est complexe. Une approche globale prenant en compte un maximum de paramètres a été développée dans cette thèse. L’ensemble de ce travail s’appuie sur deux propositions que sont la conception couplée entre les composants et le packaging ainsi qu’une fabrication collective à l’échelle de la plaque des modules de puissance. Elles se combinent par la mise en place d’une filière d’étapes technologiques appuyée sur une boite à outils de procédés génériques. Cette approche est concrétisée par la réalisation d’un module de puissance 3D performant et robuste adressant des convertisseurs polyphasés avec des gains aussi bien sur les procédés de fabrication que le module lui-même ainsi que sur le système final.Ce travail offre une nouvelle vision alternative pour l’élaboration des modules électroniques de puissance. Il ouvre également des opportunités pour une fabrication et un packaging plus performants pour les nouveaux semiconducteurs grand gap. / Performances, efficiency and reliability are among the main issues in power electronics. Nowadays, 3D packaging solutions increase standard planar module (2D) performances, for instance EMC. However such integrations are based on complex manufacturing, especially concerning interconnections. Improvements require global and advanced solutions. This work depends on two proposed concepts: a coupled design of the power devices and their associated package and a collective wafer-level process fabrication. A technological offer is proposed based on an innovative power packaging toolbox. Our approach is materialized by the fabrication of a 3D polyphase power module which proved to be more efficient and reliable. The benefits are more precise process manufacturing, lower EMI generation and lower inductive interconnections.As a matter of fact, this work offers a new and advanced technological integration for future power electronics modules, perfectly suitable for the wide bandgap semiconductors.