Dans les années 2000, les composants de puissance en carbure de silicium (SiC) font leur apparition sur le marché industriel offrant d'excellentes performances. Elles se traduisent par de meilleurs rendements et des fréquences de découpage plus élevées, entrainant une réduction significative du volume et de la masse des convertisseurs de puissance. Le SiC présente de plus un potentiel important de fonctionnement en haute température (>200°C) et permet donc d'envisager de placer l'électronique dans des environnements très contraints jusqu'alors inaccessibles. Pourtant les parts de marche du SiC restent limitées dans l'industrie vis à vis du manque de retour d'expérience concernant la fiabilité de ces technologies relativement nouvelles. Cette question reste aujourd'hui sans réponse et c'est avec cet objectif qu'a été menée cette étude axée sur le vieillissement et l'analyse des mécanismes de dégradation sur des composants de puissance SiC pour des applications haute température. Les tests de vieillissement ont été réalisés sur des transistors MOSFET SiC car ces composants attirent les industriels grâce à leur simplicité de commande et leur sécurité "normalement bloqué" (Normally-OFF). Néanmoins, la fiabilité de l'oxyde de grille est le paramètre limitant de cette structure. C'est pourquoi l'étude de la dérive de la tension de seuil a été mesurée avec une explication du phénomène d'instabilité du VTH. Les résultats ont montré qu'avec l'amélioration des procédés de fabrication, l'oxyde du MOSFET est robuste même pour des températures élevées (jusqu'à 300°C) atteintes grâce à un packaging approprié. Les durées de vie moyennes ont été extraites grâce à un banc de vieillissement accéléré développé pour cette étude. Des analyses macroscopiques ont été réalisées afin d'observer l'évolution des paramètres électriques en fonction du temps. Des études microscopiques sont conduites dans l'objectif d'associer l'évolution des caractéristiques électriques par rapport aux dégradations physiques internes à la puce. Pour notre véhicule de test, la défaillance se traduit par un emballement du courant de grille en régime statique et par l'apparition de fissures dans le poly-Silicium de la grille. Pour finir, une étude de comparaison avec des nouveaux transistors MOSFET a été réalisée. Ainsi l'analogie entre ces composants s'est portée sur des performances statiques, dynamiques, dérivé de la tension de seuil et sur la durée de vie moyenne dans le test de vieillissement. Le fil rouge de ces travaux de recherche est une analyse des mécanismes de dégradation avec une méthodologie rigoureuse permettant la réalisation d'une étude de fiabilité. Ces travaux peuvent servir de base pour toutes analyses d'anticipation de défaillances avec une estimation de la durée de vie extrapolée aux températures de l'application visée / Since 2000, Silicon Carbide (SiC) power devices have been available on the market offering tremendous performances. This leads to really high efficiency power systems, and allows achieving significative improvements in terms of volume and weight, i.e. a better integration. Moreover, SiC devices could be used at high temperature (>200°C). However, the SiCmarket share is limited by the lack of reliability studies. This problem has yet to be solved and this is the objective of this study : aging and failure mechanisms on power devices for high temperature applications. Aging tests have been realized on SiC MOSFETs. Due to its simple drive requirement and the advantage of safe normally-Off operation, SiCMOSFET is becoming a very promising device. However, the gate oxide remains one of the major weakness of this device. Thus, in this study, the threshold voltage shift has been measured and its instability has been explained. Results demonstrate good lifetime and stable operation regarding the threshold voltage below a 300°C temperature reached using a suitable packaging. Understanding SiC MOSFET reliability issues under realistic switching conditions remains a challenge that requires investigations. A specific aging test has been developed to monitor the electrical parameters of the device. This allows to estimate the health state and predict the remaining lifetime.Moreover, the defects in the failed device have been observed by using FIB and SEM imagery. The gate leakage current appears to reflect the state of health of the component with a runaway just before the failure. This hypothesis has been validated with micrographs showing cracks in the gate. Eventually, a comparative study has been realized with the new generations of SiCMOSFET

L’intégration des supercondensateurs dans les applications de type véhicule hybride nécessite la connaissance de leur comportement au cours du vieillissement. Ainsi, l’objectif de cette thèse est l’évaluation du vieillissement et la définition d’un modèle permettant la prédiction de l’état de santé des supercondensateurs. Les résultats de vieillissement sont présentés en s’intéressant principalement à l’évolution des performances durant le vieillissement accéléré en fonction de la température, de la tension et de la durée des arrêts dans le cas du cyclage. Un modèle de vieillissement est défini pour décrire l’évolution des performances en s’attachant aux principaux mécanismes de vieillissement. / The integration of ultracapacitors in applications like hybrid requires knowledge of their behavior during aging. Thus, the objective of this thesis is the evaluation of aging and the definition of a model for predicting the health of supercapacitors. The aging results are presented focusing mainly on the evolution of performance during accelerated aging function of temperature, voltage and duration of stops in the case of cycling. An aging model is defined to describe the evolution of performance by focusing on the key mechanisms of aging.

A new methodology of polymer pipe lifetime estimation taking into account residual stresses is described in this thesis. Engineering equations derived based on numerical simulations of a hydrostatic pressure test are proposed. Residual lifetime calculations were performed for different loading conditions using experimental data of a creep crack propagation in studied material and stress distribution in the pipe wall. The effects which significantly influence lifetime estimation were quantified with special focus on residual stresses.

Les travaux de cette thèse portent sur la simulation de la dégradation des paramètres électriques des transistors MOS et bipolaires sous stress statiques et dynamiques. Cette étude a été menée à l’aide d’un outil de simulation de fiabilité développé en interne. Selon la technologie MOS ou bipolaire, les mécanismes étudiés ont été successivement : Hot Carrier Injection, Bias Temperature instability, Mixed Mode et Reverse base emitter bias. L’investigation a été aussi étendue au niveau circuit. Nous nous sommes ainsi intéressés à l’effet de la dégradation des transistors sur la fréquence d’un oscillateur en anneau et les performances RF d’un amplificateur faible bruit. Les circuits ont été soumis à des contraintes DC , AC et RF. La prédictibilité, établie de ces dégradations, a été validée par des essais de vieillissement expérimentaux sur des démonstrateurs encapsulés et montés sur PCB. Les résultats de ces études ont permis de valider la précision du simulateur et la méthode de calcul quasi-statique utilisée pour calculer les dégradations sous stress dynamiques. Ces travaux de recherche ont pour but d’inscrire cette approche prédictive dans un flot de conception de circuits afin d’assurer leur fiabilité. / The work of this thesis focuses on the simulation of the electrical parameters degradation of MOS and bipolar transistors under static and dynamic stresses. This study was conducted using an in-house reliability simulation tool. According to the MOS or bipolar technology, the studied mechanisms were successively: Hot Carrier Injection, Bias Temperature instability, Mixed Mode and Reverse base emitter bias. The investigation was then extended to circuit-level. The effect of transistors degradation on a ring oscillator frequency and the RF performances of a low noise amplifier were investigated. The circuits were subjected to DC, AC and RF constraints. Predictability of these degradations has been validated by experimental aging tests on encapsulated and PCB-mounted demonstrators. The results of these studies proved the accuracy of the simulator and validated the quasi-static calculation method used to predict the degradation under dynamic stress. The goal of this research is to embed this predictive approach into a circuit design flow to ensure its reliability.

A device that is accompanied by an irreversible chemical reaction or physical destruction and could no longer function properly after performing its intended function is referred to as a one-shot device. One-shot device test data differ from typical data obtained by measuring lifetimes in standard life-tests. Due to the very nature of one-shot devices, actual lifetimes of one-shot devices under test cannot be observed, and they are either left- or right-censored. In addition, a one-shot device often has multiple components that could cause the failure of the device. The components are coupled together in the manufacturing process or assembly, resulting in the failure modes possessing latent heterogeneity and dependence. Frailty models enable us to describe the influence of common, but unobservable covariates, on the hazard function as a random effect in a model and also provide an easily understandable interpretation. In this thesis, we develop some inferential results for one-shot device testing data with gamma frailty model. We first develop an efficient expectation-maximization (EM) algorithm for determining the maximum likelihood estimates of model parameters of a gamma frailty model with exponential lifetime distributions for components based on one-shot device test data with multiple failure modes, wherein the data are obtained from a constant-stress accelerated life-test. The maximum likelihood estimate of the mean lifetime of $k$-out-of-$M$ structured one-shot devices under normal operating conditions is also presented. In addition, the asymptotic variance–covariance matrix of the maximum likelihood estimates is derived, which is then used to construct asymptotic confidence intervals for the model parameters. The performance of the proposed inferential methods is finally evaluated through Monte Carlo simulations and then illustrated with a numerical example. A gamma frailty model with Weibull baseline hazards is considered next for fitting one-shot device testing data. The Weibull baseline hazards enable us to analyze time-varying failure rates more accurately, allowing for a deeper understanding of the dynamic nature of system's reliability. We develop an EM algorithm for estimating the model parameters utilizing the complete likelihood function. A detailed simulation study evaluates the performance of the Weibull baseline hazard model with that of the exponential baseline hazard model. The introduction of shape parameters in the component's lifetime distribution within the Weibull baseline hazard model offers enhanced flexibility in model fitting. Finally, Bayesian inference is then developed for the gamma frailty model with exponential baseline hazard for one-shot device testing data. We introduce the Bayesian estimation procedure using Markov chain Monte Carlo (MCMC) technique for estimating the model parameters as well as for developing credible intervals for those parameters. The performance of the proposed method is evaluated in a simulation study. Model comparison between independence model and the frailty model is made using Bayesian model selection criterion. / Thesis / Candidate in Philosophy