Redesign einer Halbleiterklammer mittels Topologieoptimierung und integrierter FEM Rechnung. Optimierung mittels Inspire von solidThinking. Halbleiterklammer zur Sicherstellung der Kühlung von IGBT Bausteinen in Hochstromapplikationen. Optimierung unter der Restriktion verfügbarer Fertigungsverfahren.

This thesis examines alternatives for power supply for a heavy truck application based on five different modular multilevel converter configurations that ultimately feed a 3-phase motor. Advantages and disadvantages of the different configurations are being discussed as well as other important factors that play a role in what configuration that is beneficial for the intended application. How half- or full-bridge submodules and battery cells relate to each other to achieve a desired voltage are being explained and calculated. Power losses of the converter submodules are being calculated as well as how a specific battery capacity, with increasing average power consumption, performs uphill according to set requirements. It turns out to be the double-armed modular multilevel converter configurations that has the best performance when it comes to utility, energy storage and the lowest power losses.

Actuellement, le module de puissance (convertisseur de puissance) standard hybride 2D est la technologie de référence qui domine le marché de la moyenne et de la forte puissance. Ce dernier se présente sous la forme d'un boitier à multi-puces discrètes. Les puces à semi-conducteur sont reliées entre elles par des faisceaux de wire-bonding (câblage par fils) pour former des cellules de commutation. La technologie d'interconnexion wire-bonding présente une grande maturité technologique, et ses modes de défaillance sont bien connus aujourd'hui. Toutefois, cette technologie est un facteur limitant en termes de performances électrique et thermomécanique, d'intégrabilité tridimensionnelle et de productivité. Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer et d'étudier de nouvelles architectures de convertisseurs de puissance très intégrés. Comparée à la technologie hybride, dite de référence, les architectures proposées visent à un degré d'intégration plus poussé, avec un effort d'intégration partagé et conjoint au niveau semi-conducteur (intégration monolithique) et au niveau assemblage (intégration hybride). L'intégration monolithique consiste à intégrer les interrupteurs formant les cellules de commutation dans de nouvelles architectures de puces, passant ainsi de la notion de puce dipôle à celle de macro-puce multi-pôle. L'intégration hybride repose sur le développement de nouvelles technologies de report et d'assemblage de ces macro-puces. Pour valider les trois nouvelles architectures d'intégrations proposées, la démarche a consisté dans un premier temps à étudier et valider le fonctionnement des nouvelles puces par des simulations SentaurusTM TCAD. Ensuite, les puces multi-pôles ont été réalisées en s'appuyant sur la filière IGBT disponible dans la plateforme de micro-fabrication du LAAS-CNRS. Pour finir, les puces ont été reportées sur des cartes PCB, afin de réaliser des circuits de conversions prototypes. La maille de commutation très intégrée proposée présente une inductance parasite inférieure au nanohenry, ce qui est remarquable comparée à ce qui est présenté dans l'état de l'art (env. 20 nH). / Currently, the standard 2D hybrid power module (power converter) is the reference technology for the medium and high power market. This hybrid power module is a discrete multi-chip case. The semi-conductor chips are interconnected by wire-bonding to form switching cells. The wire-bonding interconnection technology is a limiting factor in terms of electrical and thermomechanical performances, three-dimensional integrability and productivity. The aim of this thesis is to study new architectures of very integrated power converters. Compared to the so-called hybrid reference technology, the proposed architectures aim at a greater degree of integration, with an integration at both the semi-conductor level (monolithic integration) and the packaging level (hybrid integration). Monolithic integration consists in integrating switching cells into new multi-terminal macro-chip architectures. Hybrid integration consists in developing of new technologies to assemble these macro-chips. To validate the different proposed integration architectures, the first step was to study and validate the operating modes of the new chips by SentaurusTM TCAD simulations. Then, the multi-terminal chips were realized in the micro and nanotechnology platform of LAAS-CNRS laboratory. Finally, the chips were bonded on PCB substrates to realize power converter circuit prototypes. The highly integrated switching loop presents a stray inductance loop lower than one nanohenry, wich is an important improvement as compared to the values reported in literature (about 20 nH).

Silver sintering technology has received considerable attention in recent years because it has the potential to be a suitable interconnection material for high-temperature power electronic packaging, such as high melting temperature, high electrical/thermal conductivity, and excellent mechanical reliability. It should be noted, however, that pressure (usually between three to five MPa) was added during the sintering stage for attaching power chips with area larger than 100 mm2. This extra pressure increased the complexity of the sintering process. The maximum chip size processed by pressure-free sintering, in the published resources, was 6 x 6 mm2. One objective of this work was to achieve chip-attachment with area of 13.5 x 13.5 mm2 (a chip size of one kind of commercial IGBT) by pressure-free sintering of nano-silver paste. Another objective was to fabricate high-power (1200 V and 150 A) multi-chip module by pressure-free sintering. In each module (half-bridge), two IGBT dies (13.5 x 13.5 mm2) and two diode dies (10 x 10 mm2) were attached to a DBC substrate. Modules with solder joints (SN100C) and pressure-sintered silver joints were also fabricated as the control group. The peak temperature in the process of of pressure-free sintering of silver was around 260oC, whereas 270oC for vacuum reflowing of solder, and 280oC under three MPa for pressure-sintering of silver. The process for wire bonding, lead-frame attachment, and thermocouple attachment are also recorded. Modules with the above three kinds of joints were first characterized by electrical methods. All of them could block 1200 V DC voltage after packaging, which is the voltage rating of bare dies. Modules were also tested up to the rated current (150 A) and half of the rated voltage (600 V), which were the test conditions in the datasheet for commercial modules with the same voltage and current ratings. I-V characteristics of packaged devices were similar (on-resistance less than 0.5 mohm). All switching waveforms at transient stage (both turn-on and turn-off) were clean. Six switching parameters (turn-on delay, rise time, turn-off delay, fall time, turn-on loss, and turn-off loss) were measured, which were also similar (<9%) among different kinds of modules. The results from electrical characterizations showed that both static characterizations and double-pulse test cannot be used for evaluating the differences among chip-attach layers. All modules were also characterized by their thermal performances. Transient thermal impedances were measured by gate-emitter signals. Two setups for thermal impedance measurement were used. In one setup, the bottoms of modules were left in the air, and in the other setup, bottoms of modules were attached to a chiller (liquid cooling and temperature controlled at 25oC) with thermal grease. Thermal impedances of three kinds of modules still increased after 40 seconds for the testing without chiller, since the thermal resistance of heat convection from bottom copper to the air was included , which was much larger than the sum of the previous layers (from IGBT junction, through the chip-attach layer, to the bottom of DBC substrate). In contrast, thermal impedances became almost stable (less than 3%) after 15 seconds for all modules when the chiller was used. Among these three kinds of modules, the module with pressure sintered joints had the lowest thermal impedance and the thermal resistance (tested with the chiller) around 0.609oK/W, In contrast, the thermal resistance was around 964oK /W for the soldered module, and 2.30oK /W for pressure-free sintered module. In summary, pressure-free large-area sintered joints were achieved and passed the fabrication process for IGBT half-bridge module with wiring bonding. Packaged devices with these kinds of joints were verified with good electrical performance. However, thermal performances of pressure-free joints were worse than solder joints and pressure-sintered joints. / Master of Science

Les systèmes d’imagerie médicale, principalement les systèmes à rayons X, sont devenus incontournables dans le diagnostic et le traitement des maladies complexes. Le générateur à rayons X fait partie des sous-systèmes critiques d’un système à rayons X. La technologie des générateurs à rayons X se complexifie et les contraintes vues par les composants augmentent. L’évaluation de la fiabilité du générateur à rayons X est par conséquent nécessaire afin d’optimiser la durée de vie de ce dernier. Dans ces travaux de thèse, une méthodologie d’évaluation de la fiabilité d’un générateur à rayons X est proposée. La méthodologie repose sur l’évaluation de la fiabilité allant du composant au système. Des essais de vieillissement sont d’abord réalisés au niveau des composants critiques du générateur afin d’identifier les mécanismes de défaillance et de construire les courbes de durée de vie permettant d’effectuer une prévision de fiabilité. Les paramètres du recueil de fiabilité FIDES ont aussi été utilisés pour construire les courbes de durée de vie des composants critiques. Une méthode de prévision de la fiabilité basée sur l’hypothèse du dommage cumulé avec la règle de Miner est proposée pour évaluer la durée de vie des composants critiques sous contraintes thermomécaniques. Cette méthode utilise les règles de comptage rainflow pour obtenir une distribution des différences de température vues par les composants critiques. Une association de fiabilité permet enfin d’estimer la durée de vie de chaque sous système du générateur à rayons X à travers ses composants critiques. / Medical imaging systems, mainly X-rays imaging systems, have become essential in the diagnosis and treatment of complex diseases. X-rays generator is one of the critical subsystems of a medical system. Its technology became more complex and constraints seen by the components increase. An assessment of X-rays generator reliability is therefore necessary to optimize its lifetime. In this thesis, a reliability assessment method of an X-rays generator is proposed. The methodology is based on the assessment of the reliability from component to system. Aging tests are first performed for X-rays generator critical components in order to identify failure mechanisms and build lifetime curves for performing reliability prediction. FIDES guide parameters were also used to construct critical components lifetime curves. A reliability prediction method based on the assumption of cumulative damage with Miner's rule is proposed to evaluate critical components lifetime under thermomechanical stresses. This method uses rainflow counting rules for the temperature cycles distribution of critical components. A reliability block diagram is finally used to estimate the lifetime of each X-ray generator subsystem through its critical components.

Cette thèse présente l'étude et la réalisation d'un disjoncteur statique tout silicium et intelligent pouvant fonctionner à haute température (200°C) pour des applications de type DC basse et moyenne tensions. Plusieurs applications dans l’aéronautique, l’automobile et les transports ferroviaires poussent les composants à semi-conducteur de puissance à être utilisés à haute température. Cependant, les Si-IGBT et Si-CoolMOSTM actuellement commercialisés ont une température de jonction spécifiée et estimée à 150°C et quelque fois à 175°C. L’une des faiblesses des convertisseurs provient de la réduction du rendement avec l’augmentation de la température de jonction des composants à semiconducteur de puissance qui peut amener à leur destruction. La solution serait d’utiliser des composants grand-gap (SiC, GaN), qui autorisent un fonctionnement à une température de jonction plus élevée ;mais ces technologies en plein essor ont un coût relativement élevé. Une solution alternative serait de faire fonctionner des composants en silicium à une température de jonction voisine de 200°C afin de conserver l’un des principaux intérêts du silicium en termes de coût. Avant de commencer, le premier chapitre portera sur un état de l’art des différentes techniques de protection aussi bien mécanique que statique afin d’identifier les éléments essentiels pour la réalisation du circuit de protection. Les disjoncteurs hybrides seront aussi abordés afin de voir comment ceux-ci arrivent à combler les lacunes des disjoncteurs mécaniques et purement électroniques (statiques). A partir du chapitre précédent, un disjoncteur statique intelligent de faible puissance sera réalisé afin de mieux cerner les différentes difficultés qui sont liées à ce type de disjoncteur. Le disjoncteur statique sera réalisé à partir de fonction analogique de telle façon à ce qui soit autonome et bas cout. Il en ressort que les inductances parasites ainsi que la température des composants à base de semi-conducteurs ont un impact significatif lors de la coupure.Le chapitre III portera sur une analyse non exhaustive, vis-à-vis de la température, de différents types d’interrupteurs contrôlés à base de semi-conducteur de puissance en s’appuyant sur plusieurs caractérisations électriques (test de conduction, tension de seuil, etc) afin de sélectionner le type d’interrupteur de puissance qui sera utilisé pour le chapitre IV. Comme il sera démontré, les composants silicium à super jonction peuvent se rapprocher du comportement des composants à base de carbure de silicium pour les basses puissances. Un disjoncteur statique 400V/63A (courant de court-circuit prédictible de 5kA) sera étudié et 4développé afin de mettre en pratique ce qui a été précédemment acquis et pour montrer la compétitivité du silicium pour cette gamme de puissance. / This thesis presents a study about a smart solid state circuit breaker which can work at 200°C forlow and medium voltage continuous applications. Some applications in aeronautics, automotive,railways, petroleum extraction push power semiconductor devices to operate at high junctiontemperature. However, current commercially available Si-IGBT and Si-CoolMOS have basically amaximum junction temperature specified and rated at 150°C and even 175°C. Indeed, the main problemin conventional DC-DC converters is the switching losses of power semiconductor devices (linked to thetemperature influence on carrier lifetime, on-state voltage, on-resistance and leakage current) whichdrastically increase with the temperature rise and may drive to the device failure. Then, the use of wideband gap semiconductor like SiC or GaN devices allows higher junction temperature operation (intheory about 500°C) and higher integration (smaller heatsink, higher switching frequency, smallconverter), but are still under development and are expensive technologies. In order to keep theadvantage of low cost silicon devices, a solution is to investigate the feasibility to operate such devicesat junction temperature up to 200°C.Before starting the first starting chapter is a stat of the art of protectives circuit technics as well asmechanics as statics in order to identify essentials elements to develop the protective circuit. Hybridprotective circuits are approached too.From the precedent chapter, a smart and low power solid state circuit breaker is realized to identifyproblems which are linked with this type of circuit breaker. Solid state circuit breaker is developed withanalog components in a way that is autonomous and low cost. It’s follow that stray inductance andtemperature have an important impact when a default occurs.Chapter III give an analyze on different silicon power semiconductor dice towards temperature5relying on statics and dynamics characteristics in order to find the best silicon power switch which beused in the chapter IV. It has been shown that super junction MOSFET has the same behavior at lowpower than silicon carbide MOSFET.Solid state circuit breaker (400V/63A) has been studied and developed, in order to use all theknowledge previously acquired and to show the competitively of the silicon for this power range.

Ce travail traite de la fiabilité des composants électroniques de puissance comme les MOSFET et les IGBT affectés par l'Environnement Radiatif Naturel dans lequel ils évoluent. Cette problématique fait, de nos jours, partie intégrante de la fiabilité des composants. Alors qu'elle concernait initialement les composants destinés à travailler en environnement radiatif sévère du type spatial ou aéronautique, l'évolution et la complexité de l'électronique embarquée, qui peut interagir avec ce type d'environnement et avoir des effets potentiellement dommageables, nous amène à prendre en compte ces contraintes radiatives comme le cas d'ion lourd. C'est dans ce cadre que nous avons effectué les travaux présentés dans ce mémoire. Des simulations utilisant les outils Synopsys TCAD ont été menées afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillances comme le Single Event Burn-out (SEB) et le Single Event Latch-up (SEL) ainsi que la définition de critères de déclenchement, de comportement et de la sensibilité de différents composants (VDMOS, SJ-MOSFET, IGBT planar et IGBT trench). Ces études nous ont permis de proposer et d'évaluer des solutions de durcissement au niveau de design permettant la désensibilisation contre les phénomènes de déclenchement liés aux structures parasites.

Dans le domaine de l'intégration hybride de puissance, l'opération de câblage des dispositifs semi-conducteurs de puissance est la cause de fortes interactions électriques parasites entre les inductances de connexion, les capacités parasites par rapport au plan de masse, les dispositifs de puissance eux même et leur électronique de commande rapprochée. Ces interactions constituent une source de pollution et d'auto-perturbation EMI d'une part et un facteur de limitation des performances et de la fiabilité d'autre part. La voie de l'intégration monolithique de puissance au sein d'un même cristal constitue une approche intéressante permettant de solutionner simultanément l'ensemble des problèmes induits par l'intégration hybride. Dans ce cadre, les travaux de cette thèse visent à étudier la faisabilité d'une approche d'intégration monolithique intermédiaire où une structure générique multiphasée est décomposée et intégrée sous la forme de deux macro-puces, chacune vient intégrer un réseau d'interrupteurs multiphasés partageant au moins une électrode commune. Chaque macro-puce est un "aiguilleur de courant" déclinée en deux versions : une version "high-side" à anode commune/face arrière de la macro-puce et une version "low-side" à cathode commune/face avant de la macro-puce. Ce mode d'intégration adresse des applications de conversion d'énergie de type DC/AC, AC/DC ou encore des interrupteurs de puissance quatre segments de faible et moyenne puissance. L'étude comporte : la modélisation par simulations physiques/électriques 2D de structures de puces proposées, la validation de la fonctionnalité recherchée sur le plan semi-conducteur (structure physique) et système (circuit électrique), la réalisation de puces "prototype" en salle blanche du LAAS puis les caractérisations préliminaires sous pointes et enfin l'étude de solutions d'assemblage 2D et 3D des puces réalisées sur substrat SMI/DBC constituant à terme des modules de puissance ultra compacts. Les perspectives scientifiques à ce travail reposent sur une approche d'intégration monolithique "ultime" des cellules de commutation au sein d'une seule puce. Cette approche reposerait sur la réunion et sur un agencement original des deux aiguilleurs initialement étudiés et profite des résultats de comparaison de leurs techniques d'assemblage.

The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models. The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also derived. In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulations. / Für die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht. Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein- flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet. Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann.

L’augmentation de la puissance électrique consommée à bord des avions a récemment conduit à introduire des convertisseurs électroniques de puissance à base d'interrupteurs à IGBT dans de nombreuses applications aéronautiques. L'utilisation de ces interrupteurs diffère de leurs emplois traditionnels dans les domaines du ferroviaire ou de l'automobile. En effet, les sollicitations environnementales ainsi que les cycles de commandes électriques sont différents de ceux rencontrés jusqu’alors, ce qui amène à remettre en cause les résultats actuels au sujet de la durée de vie et de la fiabilité de ces interrupteurs. Face à ces interrogations, les sociétés THALES et Hispano-Suiza se sont associées au sein du programme de l’avion plus électrique MODERNE (MODular ElectRical NEtwork) initié par Airbus, en vue de développer des solutions à haut niveau de fiabilité pour des applications aéronautiques sévères. C’est dans ce contexte que prennent place les présents travaux, dont les objectifs sont dans un premier temps de proposer de nouvelles architectures de modules susceptibles de présenter de meilleures performances d’intégration, et dans un second temps d’en étudier la fiabilité. Pour répondre à ces questions, un état de l'art des technologies utilisables a été mené. La confrontation de ses technologies aux contraintes et recommandations aéronautiques a conduit au choix de deux approches d'assemblage, proposées avec un jeu de matériaux sélectionnés pour leurs propriétés physiques et en conformité avec les réglementations sur l’utilisation de matériaux polluants. À l'issue d'une analyse de défaillances, différents développements ont été conduits afin de modéliser et caractériser le comportement thermique, mécanique puis à défaillance des modules. Des modèles Éléments Finis de structures représentatives des solutions proposées ont alors été mis au point et exploités pour l'élaboration de règles de conception, sur la base de plans d'expériences couplés à de la simulation numériques. Les informations générées ont servi à la conception de trois prototypes destinés à des applications différentes. Les performances de ces prototypes ont été évaluées, notamment leurs fiabilités obtenues par des calculs mécano-fiabilistes ayant permis l'optimisation de la conception des différents modules. / Within the framework of the electric plane programs, the aircraft industry is facing higher demands of electric power, fact which involves an increasing use of IGBT modules in aeronautical power converters. Although such modules have been well studied and known in railway and the automotive domains, they will be subjected to stresses and operational cycles specific to the aeronautical environment. Consequently, this requires manufacturers to answer some questions about their lifetime and reliability issues. Faced with these questions, THALES and Hispano-Suiza have associated in the more electric aircraft project launched by Airbus (MODERNE - MODular ElectRical NEtwork), with the aim of developing high reliability solutions for harsh aeronautic applications. This work takes place in this context, with the objectives of proposing power modules architectures likely to exhibit better performances and integration level, and then study the reliability of different prototypes. To answer these questions, technological studies of the possible packaging and connecting solutions, faced with aeronautical stresses and requirements led to the choice of two basic assembling approaches. A set of materials selected for their physical properties and their compliance with polluting materials regulations was also proposed. The potential failure modes of these solutions were pointed out and taken into account within experimental and numerical developments, to model and characterize the thermal, mechanical and failure behaviour of the modules. Then, different Finite Element models representative of the proposed technologies structures were developed and investigated for defining design rules on the basis of Designs of Experiments. The whole knowledge generated by the simulations was used to design three prototypes of IGBT module for different applications. The performance of these prototypes have been evaluated and compared to the requirements, including their reliability obtained by mechanical calculations coupled with probabilistic methods which led to their optimization.