Le travail développé se place dans le contexte de l'identification thermique et du contrôle non destructif des systèmes. L'objectif est de décrire le comportement de milieux stables ou lentement évolutifs par une approche d'identification des paramètres thermophysiques. Le démarche adoptée consiste d'abord à établir le modèle théorique du système expérimenté dans la base "explicative" qui est généralement le temps puis, à partir de résultats expérimentaux, à déterminer par optimisation les paramètres recherchés. Le système étudié est caractérisé par ses focntions de réponses (fonction de transfert, impédance,...).Dans ces fonctions, le milieu est caractérisé par des paramètres globaux ou apparents. Notre analyse se place dans le domaine fréquentiel dans lequel le produit de convolution, qui existe dans l'espace du temps, se transforme en produit simple. Le système est alors caractérisé par sa fonction de transfert. L'étude des relations flux-température dans un plan conduit à introduire la notion d'impédance thermique. Les développements et applications effectués dans ce travail sont relatifs à la caractérisation thermique du béton en laboratoire et in situ ainsi qu'à la détection de défauts suffisamment contrastés positionnés à différentes profondeurs. L'objectif final est d'être capable d'utiliser les sollicitations naturelles pour l'identification des systèmes. La difficulté réside dans l'exploitation de données naturelles donc aléatoires, dans un processus de traitement situé dans le domaine fréquentiel. Les mesures de flux et de température sont effectuées sur une seule face d'accès, celle qui est en contact avec l'environnement microclimatique extérieur. / The work developed is located in the context of thermal identification and non-destructive testing of systems. The objective is to describe the behavior of stable or slowly progressive approach by identifying thermophysical parameters. The approach is to first establish the theoretical model of the system tested in the basic "explanation" which is usually the time and, from experimental results to be determined by optimizing the parameters sought. The system studied is characterized by its response function (transfer function, impedance,...). In these functions, the medium is characterized by global parameters or apparent. Our analysis is placed in the frequency domain where the convolution product, which exists in the space of time, turns into a single product. The system is then characterized by its transfer function. The study of flow-temperature relationships in a plane leads to introduce the concept of thermal impedance. Developments and applications made in this work are related to the thermal characterization of concrete in the laboratory and in situ and the detection of defects adequately contrasted positioned at different depths. The ultimate goal is to be able to use the solicitation for the identification of natural systems. The difficulty lies in the exploitation of natural data so random in a process located in the frequency domain. Flux measurements and temperature are performed on one side of access, which is in contact with the outside microclimatic environment.

Le travail de recherche concerne l'aide au diagnostic énergétique de bâtiments par le développement d'outils et de procédures d'auscultation basés sur les transferts thermiques. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement thermique de parois constituant l'enveloppe de bâtiments, c'est à dire d'identifier les principales caractéristiques thermiques (conductivité thermique, chaleur volumique...) ainsi que les phénomènes de déphasage de sollicitations, en conditions de laboratoire et in situ. L'instrumentation est basée sur l'utilisation de capteurs fluxmétriques qui est spécifique et innovante, elle est associée à des procédures de traitement des données, dans le domaine fréquentiel (impédance thermique), basées à la fois sur des modèles de comportement et des études de sensibilités aux différents paramètres induits par procédure expérimentale. Au-delà des objectifs réglementaires, il est nécessaire de pouvoir estimer l'influence de la mise en œuvre des composants des parois mais également l'évolution de leurs caractéristiques thermiques en fonction des sollicitations micro-climatiques (évolution de leur teneur en eau). La caractérisation est basée sur des mesures de laboratoire, dites "classiques", sur des échantillons de matériaux de petites dimensions (quelques dm²), mais également sur des parois reconstituées de dimensions moyennes (quelques m²). Enfin les résultats sont comparés à des mesures réalisées in situ sur des bâtiments existants pendant une année complète en fonction des saisons. / The research is relative to the diagnosis of building energy by developing tools and non destructive testing procedures based on heat transfer. The objective of this work is to study the thermal behavior of walls constituting the building envelope, namely to identify the main thermal characteristics (thermal conductivity, volumetric heat...) and the phenomena of phase stresses in laboratory and in situ conditions. The instrumentation is based on the use of heat flux sensor thaht is specific and innovative, it is associated with procedures for data processing in the frequency domain (thermal impedance), based both on models and studies sensitivities to different parameters induced by experimental procedure. Beyond the regulatory objectives, it is necessary to estimate the influence of the implementation of the components of the walls but also the evolution of their thermal characteristics depending on the micro-climate disturbance (changes in water content). The characterization is based on laboratory measurements, "classic" on samples of materials of small dimensions (few dm²), but also on walls reconstituted medium size (several square meters). Finally the results are compared with measurements made in situ on existing buildings for a full year with the seasons.

Ce document porte sur le développement d’un nouveau banc de mesure pour la caractérisation de l’impédance thermique des HEMTs GaN. Le banc développé repose sur la méthode dite « 3ω » qui consiste à mesurer l’harmonique 3 d’un signal électrique véritable image des variations thermiques du composant. Un balayage en fonction de la fréquence d’excitation conduit à l’extraction de l’impédance thermique. Les résultats de mesures ont été validés par les simulations électriques. Des études complémentaires ont été réalisées pour l’identification des effets de pièges en utilisant différentes méthodes permettant l’extraction de la signature des pièges. La réalisation des modèles non-linéaires est présentée pour les transistors HEMT AlGaN/GaN et InAIN/GaN pour des applications d’amplificateur de puissance dans les bandes de fréquences X et K. / This report is devoted to the development of a new measurement bench for thermal impedance characterization of GaN HEMTs. This measurement test set uses the so-called « 3ω » technique, which consists to measure the electrical signal at third harmonic real image of the thermal magnitude variations of the device. A sweep in function of the excitation frequency allows extracting of the thermal impedance. The measurement results have been validated by electrical simulation. Other complementary studies were performed to identify the trapping effects using different methods to extract the traps signature. The realization of nonlinear models is presented for AlGaN HEMT / GaN and InAIN / GaN to the power amplification applications in frequency bands X and K.

L'électronique de puissance et particulièrement les systèmes de conversions deviennent un enjeu majeur de la transition énergétique et de l'avenir des transports. Les contraintes technico-économiques liées aux nouvelles applications impliquent une augmentation des densités de puissance au sein des modules tout en limitant leur coût et en conservant une robustesse satisfaisante. Aujourd'hui, des solutions semblent émerger grâce à des structures innovantes associées aux composants grands gap et à l'intégration tridimensionnelle. Ces solutions apportent cependant un certain nombre de contraintes liées aux interconnexions électrothermomécaniques (ETM). L'augmentation des niveaux de température permis par les composants grands gap et l'attrait du refroidissement double face offert par les assemblages 3D augmentent de manière importante les contraintes thermomécaniques et causent des problèmes de fiabilité. C'est pourquoi de nouvelles interconnexions ETM sont développées pour s'adapter aux nouvelles contraintes et rendre possible ce saut technologique. Cependant les outils permettant la caractérisation thermique et électrique de ces nouvelles interconnexions restent à développer. Les travaux présentés dans ce mémoire se portent sur le développement et la mise au point d'outils de caractérisation des interconnexions dans des assemblages 3D. La difficulté d'obtenir la température du composant au sein du boîtier nous a poussé à explorer deux voies permettant d'estimer la température de jonction (TJ). Premièrement par l'implantation de capteurs de température et de tension au coeur d'un composant de puissance grâce la réalisation d'une puce de test spécifique. Et deuxièmement, par l'observation de la réponse en température de composants fonctionnels faisant appel à l'utilisation d'un paramètre électrique thermosensible (PTS) du composant. Les deux pistes explorées mettent à profit des solutions spécifiques innovantes pour permettre des caractérisations thermique et électrique fines des assemblages d'électronique de puissance.

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.

Durant ces quarante dernières années, les Tubes à Ondes Progressives (TOP) n’ont cessé de se développer, orienté par la demande croissante des nouvelles applications (Internet Haut débit, TV HD…). Cette demande croissante en fréquence et en puissance se traduit par des problèmes d’échauffement thermique. En effet, l’augmentation de la puissance de sortie augmente la puissance dissipée. De plus, la montée en fréquence nécessite une diminution des dimensions, qui conduit tout logiquement à des densités de puissance plus importantes. Cette chaleur produite doit être évacuée par des petites surfaces de contact qui dépendent fortement du type d’assemblage. Cet échauffement thermique implique également des changements du comportement mécanique. Dans ce travail de thèse, le point principal a été l’étude du comportement des interfaces dans les tubes à ondes progressive. Il est question d’étudier les interfaces thermomécaniques produites lors de l'assemblage (frettage à chaud). L’objectif est de fournir un modèle de détermination de la température d’hélice en fonctionnement. Compte tenu des configurations de fonctionnement (Vide, haute tension, petite dimension…) une mesure directe n’est pas réalisable. Néanmoins plusieurs méthodes de mesure indirectes ont été investiguées afin de trouver la plus appropriée. Cette étude porte dans un premier temps sur les lignes de transmissions puis sur les collecteurs des TOPs. Nous avons réalisé un modèle analytique purement thermique permettant d’identifier rapidement l’impédance thermique des dispositifs. Une mesure de RTC et une coupe métallographique déterminant les surfaces de contact alimente ce modèle afin de lui donner une meilleure précision. Un modèle élément finis 2D nous permet d’identifier une pression moyenne de contact afin d’utiliser la RTC correspondante.L’impédance thermique, nous permet de trouver la température d’hélice en indiquant la puissance dissipée dans la ligne. / During these last forty years traveling Waves tubes did not stop developing directed by the increasing request of the new applications (High-speed Internet, TV HD). This increasing request in frequency and in power is translated by thermal heating problems. Indeed, the more the output power will be high, the more there will be of the dissipated power, with smaller and smaller size. This leads logically to bigger and bigger power densities. This produced heat must be evacuated by small contact areas, which depend strongly on the type of assembly. This thermal heating also involves changes of the mechanical behaviour. The principal point will be the study of the behaviour of the interfaces in traveling waves tubes. Thesis work, we study the thermal and mechanical interfaces produced during a hot shrinking. Goal of this work is to supply a numerical or analytical model of helix temperature determination with functioning. Considering the configurations of functioning (Vacuum, high-voltage, small dimension) a direct measure is not impossible. Nevertheless several indirect measure methods were investigated to find the most appropriate. This study concerns at first the transmissions lines then the collectors of TOPS. We realized an analytical thermal model allowing to identify quickly the thermal impedance of devices. A thermal contact resistance measurement and a metallographic cutting determining the contact areas feeds this model to give it a better precision. A 2D finite element allows us to identify an average pressure of contact to use the corresponding RTC. The thermal resistance, allows us to find the helix temperature by indicating the power dissipated in the line.

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'électronique de puissance et particulièrement les systèmes de conversions deviennent un enjeu majeur de la transition énergétique et de l'avenir des transports. Les contraintes technico-économiques liées aux nouvelles applications impliquent une augmentation des densités de puissance au sein des modules tout en limitant leur coût et en conservant une robustesse satisfaisante. Aujourd'hui, des solutions semblent émerger grâce à des structures innovantes associées aux composants grands gap et à l'intégration tridimensionnelle. Ces solutions apportent cependant un certain nombre de contraintes liées aux interconnexions électrothermomécaniques (ETM). L'augmentation des niveaux de température permis par les composants grands gap et l'attrait du refroidissement double face offert par les assemblages 3D augmentent de manière importante les contraintes thermomécaniques et causent des problèmes de fiabilité. C'est pourquoi de nouvelles interconnexions ETM sont développées pour s'adapter aux nouvelles contraintes et rendre possible ce saut technologique. Cependant les outils permettant la caractérisation thermique et électrique de ces nouvelles interconnexions restent à développer. Les travaux présentés dans ce mémoire se portent sur le développement et la mise au point d'outils de caractérisation des interconnexions dans des assemblages 3D. La difficulté d'obtenir la température du composant au sein du boîtier nous a poussé à explorer deux voies permettant d'estimer la température de jonction (TJ). Premièrement par l'implantation de capteurs de température et de tension au coeur d'un composant de puissance grâce la réalisation d'une puce de test spécifique. Et deuxièmement, par l'observation de la réponse en température de composants fonctionnels faisant appel à l'utilisation d'un paramètre électrique thermosensible (PTS) du composant. Les deux pistes explorées mettent à profit des solutions spécifiques innovantes pour permettre des caractérisations thermique et électrique fines des assemblages d'électronique de puissance. / Power electronic and particularly conversion systems are becoming a major challenge for the future of energetic and transport systems. Technical and economic constraints related to new applications lead to an increase of module power densities while reducing cost and maintaining a good robustness. Today, solutions seem to emerge from innovative structures associated to wide band-gap semiconductors and three-dimensional integration. These solutions lead to many constraints in electro-thermo-mechanical (ETM) interconnection field. Temperature level rises allowed by wide band-gap semiconductors and attractiveness of double sided cooling provide by the 3D assemblies have significantly increase thermo-mechanical stresses and cause reliability problems. This is why new ETM interconnections are developed to facing those difficulties and enable this technological gap. However, thermal and electrical interconnections characterization tools need to be develop. Works presented in this thesis focuses on the development of tools for new interconnections characterization adapted to 3D package. The difficulty of obtaining the temperature of the component within the package has led us to explore two ways to estimate the junction temperature (TJ). In a first hand we integrate temperature and voltage sensors inside a power component in a clean room process thanks to the achievement of a specific thermal test chip (TTC). And in a second hand, by observing the temperature response of functional components, using a temperature-sensitive electrical parameter (TSEP). The both paths explored take advantage of innovative specific solutions to allow precise thermal and electrical characterization of power electronic assemblies.

Ce travail de thèse présente une évaluation approfondie des différentes techniques de mesure transitoire et dynamique pour l’évaluation du comportement électro-thermique des transistors bipolaires à hétérojonctions HBT SiGe:C de la technologie BiCMOS et des transistors Métal-Oxyde-Semiconducteur à effet de champ (MOSFET) de la technologie CMOS 45nm. En particulier, je propose une nouvelle approche pour caractériser avec précision le régime transitoire d'auto-échauffement, basée sur des mesures impulsionelles. La méthodologie a été vérifiée par des mesures statiques à différentes températures ambiantes, des mesures de paramètres S à basses fréquences et des simulations thermiques transitoires. Des simulations thermiques par éléments finis (TCAD) en trois dimensions ont été réalisées sur les transistors HBTs de la technologie submicroniques SiGe: C BiCMOS. Cette technologie est caractérisée par une fréquence de transition fT de 230 GHz et une fréquence maximum d’oscillation fMAX de 290 GHz. Par ailleurs, cette étude a été réalisée sur les différentes géométries de transistor. Une évaluation complète des mécanismes d'auto-échauffement dans les domaines temporels et fréquentiels a été réalisée. Une expression généralisée de l'impédance thermique dans le domaine fréquentiel a été formulée et a été utilisé pour extraire cette impédance en deçà de la fréquence de coupure thermique. Les paramètres thermiques ont été extraits par des simulations compactes grâce au modèle compact de transistors auquel un modèle électro-thermique a été ajouté via le nœud de température. Les travaux théoriques développés à ce jour pour la modélisation d'impédance thermique ont été vérifiés avec nos résultats expérimentaux. Il a été montré que, le réseau thermique classique utilisant un pôle unique n'est pas suffisant pour modéliser avec précision le comportement thermique transitoire et donc qu’un réseau plus complexe doit être utilisé. Ainsi, nous validons expérimentalement pour la première fois, le modèle distribué électrothermique de l'impédance thermique utilisant un réseau nodal récursif. Le réseau récursif a été vérifié par des simulations TCAD, ainsi que par des mesures et celles ci se sont révélées en excellent accord. Par conséquent, un modèle électro-thermique multi-géométries basé sur le réseau récursif a été développé. Le modèle a été vérifié par des simulations numériques ainsi que par des mesures de paramètre S à basse fréquence et finalement la conformité est excellente quelque soit la géométrie des dispositifs. / An extensive evaluation of different techniques for transient and dynamic electro-thermal behavior of microwave SiGe:C BiCMOS hetero-junction bipolar transistors (HBT) and nano-scale metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) have been presented. In particular, new and simple approach to accurately characterize the transient self-heating effect, based on pulse measurements, is demonstrated. The methodology is verified by static measurements at different ambient temperatures, s-parameter measurements at low frequency region and transient thermal simulations. Three dimensional thermal TCAD simulations are performed on different geometries of the submicron SiGe:C BiCMOS HBTs with fT and fmax of 230 GHz and 290 GHz, respectively. A comprehensive evaluation of device self-heating in time and frequency domain has been investigated. A generalized expression for the frequency-domain thermal impedance has been formulated and that is used to extract device thermal impedance below thermal cut-off frequency. The thermal parameters are extracted through transistor compact model simulations connecting electro-thermal network at temperature node. Theoretical works for thermal impedance modeling using different networks, developed until date, have been verified with our experimental results. We report for the first time the experimental verification of the distributed electrothermal model for thermal impedance using a nodal and recursive network. It has been shown that, the conventional single pole thermal network is not sufficient to accurately model the transient thermal spreading behavior and therefore a recursive network needs to be used. Recursive network is verified with device simulations as well as measurements and found to be in excellent agreement. Therefore, finally a scalable electro-thermal model using this recursive network is developed. The scalability has been verified through numerical simulations as well as by low frequency measurements and excellent conformity has been found in for various device geometries.

Ce travail concerne les transistors bipolaires à hétérogène TBH SiGe. En particulier, l'auto-échauffement des transistors unitaires et le couplage thermique avec leurs plus proches voisins périphériques sont caractérisés et modélisés. La rétroaction électrothermique intra- et inter-transistor est largement étudiée. En outre, l’impact des effets thermiques sur la performance de deux circuits analogiques est évalué. L'effet d'autoéchauffement est évalué par des mesures à basse fréquence et des mesures impulsionnelles DC et AC. L'auto-échauffement est diminué de manière significative en utilisant des petites largeurs d'impulsion. Ainsi la dépendance fréquentielle de l’autoéchauffementa été étudiée en utilisant les paramètres H et Y. De nouvelles structures de test ont été fabriqués pour mesurer l'effet de couplage. Les facteurs de couplage thermique ont été extraits à partir de mesures ainsi que par simulations thermiques 3D. Les résultats montrent que le couplage des dispositifs intra est très prononcé. Un nouvel élément du modèle de résistance thermique récursive ainsi que le modèle de couplage thermique a été inclus dans un simulateur de circuit commercial. Une simulation transitoire entièrement couplée d'un oscillateur en anneau de 218 transistors a été effectuée. Ainsi, un retard de porte record de 1.65ps est démontré. À la connaissance des auteurs, c'est le résultat le plus rapide pour une technologie bipolaire. Le rendement thermique d'un amplificateur de puissance à 60GHz réalisé avec un réseau multi-transistor ou avec un transistor à plusieurs doigts est évalué. La performance électrique du transistor multidoigt est dégradée en raison de l'effet de couplage thermique important entre les doigts de l'émetteur. Un bon accord est constaté entre les mesures et les simulations des circuits en utilisant des modèles de transistors avec le réseau de couplage thermique. Enfin, les perspectives sur l'utilisation des résultats sont données. / The power generate by modern silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) can produce large thermal gradients across the silicon substrate. The device opering temperature modifies model parameters and can significantly affect circuit operation. This work characterizes and models self-heating and thermal coupling in SiGe HBTs. The self-heating effect is evaluated with low frequency and pulsed measurements. A novel pulse measurement system is presented that allows isothermal DC and RF measurements with 100ns pulses. Electrothermal intra- and inter-device feedback is extensively studied and the impact on the performance of two analog circuits is evaluated. Novel test structures are designed and fabricated to measure thermal coupling between single transistors (inter-device) as well as between the emitter stripes of a multi-finger transistor (intra-device). Thermal coupling factors are extracted from measurements and from 3D thermal simulations. Thermally coupled simulations of a ring oscillator (RO) with 218 transistors and of a 60GHz power amplifier (PA) are carried out. Current mode logic (CML) ROs are designed and measured. Layout optimizations lead to record gate delay of 1.65ps. The thermal performance of a 60GHz power amplifier is compared when realized with a multi-transistor array (MTA) and with a multi-finger trasistor (MFT). Finally, perspectives of this work within a CAD based circuit design environment are discussed.