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

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

Dans ces travaux de thèse on s’intéresse au développement d’un outil numérique pour résoudre le problème de conduction instationnaire avec changement de phase dans un milieu composite constitué d’une mousse de graphite infiltrée par un matériau à changement de phase tel que le sel, dans le contexte du stockage de l’énergie thermique solaire.Au chapitre 1, on commence par présenter le modèle sur lequel on va travailler. Il estséparé en trois sous-parties : un problème de conduction de chaleur dans la mousse, un problème de changement de phase dans les pores remplis de sel et une condition de résistance thermique de contact entre les deux matériaux qui est traduite par une discontinuité du champ de température.Au chapitre 2, on étudie le problème stationnaire de conduction thermique dans un milieu composite avec résistance de contact. Ceci permet de se focaliser sur la plus grande difficulté présente dans le problème qui est le traitement de la condition de saut à l’interface.Deux méthodes d’éléments finis sont proposées pour résoudre ce problème : une méthode basée sur les éléments finis Lagrange P1 et une méthode hybride-duale utilisant les éléments finis Raviart-Thomas d’ordre 0 et P0. L’analyse numérique des deux méthodes est effectuée et les résultats de tests numériques attestent des efficacités des deux méthodes [10]. Les matériaux à changement de phase qu’on étudie dans le cadre de cette thèse sont des matériaux pures, par conséquent le changement de phase s’effectue en une valeur de température fixe qui est la température de fusion. Ceci est modélisé par un saut dans la fonction fraction liquide et par conséquent dans la fonction enthalpie du matériau. Cette discontinuité représente une difficulté numérique supplémentaire qu’on propose de surmonter en introduisant un intervalle de régularisation autour de la température de fusion.Cette procédure est présentée dans le chapitre 3 où une étude analytique et numérique montre que l’erreur sur la température se comporte comme " en dehors de la zone de mélange, où " est la largeur de l’intervalle de régularisation. Cependant, à l’intérieur l’erreur se comporte comme p " et on montre que cette estimation est optimale. Cette diminution de vitesse de convergence est due à l’énergie qui reste bloquée dans la zone de mélange [58].Dans le chapitre 4 on présente quatre des schémas les plus utilisés pour le traitement de la non-linearité due au changement de phase: mise à jour du terme source, linéarisation de l’enthalpie, la capacité thermique apparente et le schéma de Chernoff. Différents tests numériques sont réalisés afin de tester et comparer ces quatre méthodes pour différents types de problèmes. Les résultats montrent que le schéma de linéarisation de l’enthalpie est le plus précis à chaque pas de temps tans dis que le schéma de la capacité thermique apparente donne de meilleurs résultats au bout d’un certain temps de calcul. Cela indique que si l’on s’intéresse aux états transitoires du matériaux le premier schéma est lemeilleur choix. Cependant, si l’on s’intéresse au comportement thermique asymptotique du matériau le second schéma est plus adapté. Les résultats montrent également que le schéma de Chernoff est le plus rapide parmi les quatre schémas en terme de temps de calcul et donne des résultats comparables à ceux des deux plus précis.Enfin, dans le chapitre 5 on utilise le schéma de Chernoff avec la méthode d’éléments finis hybride-duale Raviart-Thomas d’ordre 0 et P0 pour résoudre le problème non-linéaire de conduction thermique dans un milieu composite réel avec matériau à changement de phase. Le but étant de déterminer si un matériau composite avec une distribution uniforme de pores est assimilable à un matériau à changement de phase homogènes avec des propriétés thermo-physiques équivalentes. Pour toutes les expériences numériques exposées dans ce manuscrit on a utilisé le logiciel libre d’éléments finis FreeFem++ [41]. / In this thesis we aim to develop a numerical tool that allow to solve the unsteady heatconduction problem in a composite media with a graphite foam matrix infiltrated witha phase change material such as salt, in the framework of latent heat thermal energystorage.In chapter 1, we start by explaining the model that we are studying which is separated in three sub-parts : a heat conduction problem in the foam, a phase change problem in the pores of the foam which are filled with salt and a contact resistance condition at the interface between both materials which results in a jump in the temperature field.In chapter 2, we study the steady heat conduction problem in a composite media withcontact resistance. This allow to focus on the main difficulty here which is the treatment of the thermal contact resistance at the interface between the carbon foam and the salt. Two Finite element methods are proposed in order to solve this problem : a finite element method based on Lagrange P1 and a hybrid dual finite element method using the lowest order Raviart-Thomas elements for the heat flux and P0 for the temperature. The numerical analysis of both methods is conducted and numerical examples are given to assert the analytic results. The work presented in this chapter has been published in the Journal of Scientific Computing [10].The phase change materials that we study here are mainly pure materials and as a consequence the change in phase occurs at a single point, the melting temperature. This introduces a jump in the liquid fraction and consequently in the enthalpy. This discontinuity represents an additional numerical difficulty that we propose to overcome by introducing a smoothing interval around the melting temperature. This is explained in chapter 3 where an analytical and numerical study shows that the error on the temperature behaves like " outside of the mushy zone, where _ is the width of the smoothing interval. However, inside the error behaves like p " and we prove that this estimation is optimal due to the energy trapped in the mushy zone. This chapter has been published in Communications in Mathematical Sciences [58].The next step is to determine a suitable time discretization scheme that allow to handle the non-linearity introduced by the phase change. For this purpose we present in chapter 4 four of the most used numerical schemes to solve the non-linear phase change problem : the update source method, the enthalpy linearization method, the apparent heat capacity method and the Chernoff method. Various numerical tests are conducted in order to test and compare these methods for various types of problems. Results show that the enthalpy linearization is the most accurate at each time step while the apparent heat capacity gives better results after a given time. This indicates that if we are interestedin the transitory states the first scheme is the best choice. However, if we are interested in the asymptotic thermal behavior of the material the second scheme is better. Results also show that the Chernoff scheme is the fastest in term of calculation time and gives comparable results to the one given by the first two methods.Finally, in chapter 5 we use the Chernoff method combined with the hybrid-dual finiteelement method with P0 and the lowest order Raviart-Thomas elements to solve thenon-linear heat conduction problem in a realistic composite media with a phase change material. Numerical simulations are realised using 2D-cuts of X-ray images of two real graphite matrix foams infiltrated with a salt. The aim of these simulations is to determine if the studied composite materials could be assimilated to an equivalent homogeneous phase change material with equivalent thermo-physical properties. For all simulationsconducted in this work we used the free finite element software FreeFem++ [41].

En passant de l’état massif à la nanoparticule les matériaux métalliques voient certaines de leurs caractéristiques modifiées de manière notable comme par exemple les propriétés optiques avec l’apparition d’une résonance dans le spectre optique, la Résonance Plasmon de Surface Localisée (RPSL) responsable du changement de couleur des nanoparticules métalliques. Les propriétés vibrationnelles et thermiques de nanoparticules métalliques ont été étudiées à l’aide d’une technique de Spectroscopie Femtoseconde. Nous avons montré qu’il était possible d’exciter et de détecter optiquement des fréquences de vibrations mécaniques dans le domaine térahertz pour des nanoparticules de platine composées de moins de cent atomes. D’autre part l’augmentation des effets dus aux interfaces a été mis en évidence sur les propriétés thermiques de nanoparticules d’or et d’argent. La résistance thermique à l’interface, résistance de Kapitza, voit son rôle augmenter lors du transfert thermique à l’échelle nanométrique. Une corrélation entre les valeurs mesurées et les impédances acoustiques des matériaux composants les interfaces a été mise en évidence. Nous avons aussi montré qu’elle augmente quand la température diminue de 300K à 70K. Les propriétés optiques de nanoparticules non sphériques ont été étudiées à l’aide de la Spectroscopie à Modulation Spatiale. Cette technique a permis de repérer puis de caractériser des nano-bâtonnets d’or individuels. Nous avons montré que la largeur spectrale de la RPSL est fortement dépendante de la géométrie des nanoparticules (diamètre et longueur). Cette double dépendance n’est pas prédite par les modèles classiques ou quantique existants / The size reduction of metals, from bulk to nanoparticles, induces significant modifications of their properties. For instance, the optical properties evolve and a new resonance, the localized surface plasmon resonance, appears in the optical spectrum and is responsible for the change of colors of metallic nanoparticles. This work is focused on studies of metals’ properties at the nanometric scale. In the first part, the vibrational and thermal properties are studied with a femtosecond spectroscopy technique. It is shown that it is possible to excite and detect optically vibrational frequencies in the terahertz domain by studying platinum nanoparticles formed by less than 100 atoms. The study of the thermal properties of the metallic nanoparticles (gold and silver) has shown that the boundary effect increases. This thermal boundary resistance, known as the Kapitza resistance, plays a dominant role in the heat transfer at the nanometric scale. A correlation between the experimental values of the thermal boundary resistance and the acoustic impedances of the boundary’s materials has been found. We have also shown that the Kapitza resistance is a decreasing function of the temperature in the 70-300K range. In the second part, the effect of the size reduction on the optical properties of non-spherical nanoparticles is observed. The Spatial Modulation Spectroscopy technique is used in order to locate and study individual gold nanorods. It is shown that the two geometrical parameters (the length and the diameter) of the nanorods influence the spectral linewidth of the localized surface plasmon resonance. This effect is not predicted by existing classical or quantum models

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.

Dans les années à venir, l’industrie de l’aéronautique doit améliorer le contrôle thermique des composants et modules hautement intégrés. Les approches de refroidissement standard, utilisant l’air forcé ne sont plus utilisables. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles technologies capables d’offrir des solutions compatibles avec ces nouvelles problématiques. Une revue bibliographique approfondie est présentée pour montrer les solutions existantes pour l’avionique. Les systèmes à changement de phase, tels que les boucles diphasiques capillaires (LHPs), sont très attractifs puisqu’ils peuvent être utilisés pour transporter la chaleur vers une grande surface d’un radiateur qui dissipera la chaleur vers le milieu ambiant. Une première famille de LHP, conçue et réalisée par la compagnie Atherm, et remplie avec du méthanol, est décrite. Deux autres familles de LHP sont également présentées. La première a été réalisée par la société ATHERM et a un condenseur et des lignes de transports modifiés, afin d’être intégrée sur une carte électronique existante. La deuxième famille, a été conçue et réalisée par l’Institut of Thermal Physics (ITP), sur la base de spécifications similaires. Un banc d’essai expérimental est conçu et réalisé pour tester ces systèmes. Les effets de la charge en fluide, baïonnette, et mèche secondaire, sont observés. Des tests d’orientation et d’accélération sont réalisés sur des LHPs intégrées dans un rack aéronautique. Même une certaine sensibilité aux orientations et accélérations est observée, les LHPs fonctionnement toujours jusqu’à l’accélération maximale testée de 6 G. Un modèle stationnaire d’une boucle diphasique basé sur une approche à plusieurs échelles est développé. Plusieurs niveaux de complexité et de précision peuvent être sélectionnés pour le modèle des composants individuels de la boucle, allant du modèle nodal au modèle 3D. Le modèle est validé avec les données expérimentales. Un bon accord entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux est obtenu. Les résultats numériques montrent que la charge de fluide dans le réservoir affecte le comportement thermique de la LHP en modifiant la répartition des flux de chaleurs. Des gradients de température importants sont observés dans la plaque du condenseur, et un nouveau tracé de la ligne condenseur est proposé. Plusieurs modifications de l’évaporateur sont analysées. La diminution la plus importante de la résistance thermique de l’évaporateur est obtenue par une bonne disposition des rainures axiales de la mèche, associée à une semelle optimisée, ou à des rainures radiales. / In the coming years, the avionics industry will have to improve the thermal control of both existing and emerging highly integrated electronic components and modules. The standard cooling approaches using forced air are no longer applicable. It is necessary to develop new technologies being able to offer solutions compatible with those new problematic. An extensive literature review is presented to show the existing cooling solutions for avionics. Two-phase passive systems, such as LHPs are very attractive as they may be used as heat spreader, associated with a classical heat sink to dissipate the heat. A first family of LHP, designed and manufactured by the ATHERM Company and filled with methanol as the working fluid is described. Two other LHP families are also presented. The first one was manufactured by ATHERM and has modified condenser and transport line shapes, in order to be integrated into an existing electronic card. The second one was manufactured and designed by the Institute of Thermal Physics, on the same specification basis. An experimental setup is designed and built to test these LHPs. The effects of fluid fill charge, bayonet and secondary wick are observed. Orientation and acceleration tests are conducted on LHPs integrated within an avionic rack. Even if the LHPs exhibited sensitivity to orientation and acceleration, no failure of the LHP was observed up to the maximum applied acceleration (6 G). A steady state model of LHP based on a multi-level approach is developed. Various levels of complexity and precision can be selected for the model of the individual component, going from the nodal to the 3D model. The model is validated with experimental data from the laboratory tests. A good agreement is achieved between the experimental and the numerical data. The numerical results show that the fluid fill charge within the reservoir affects the thermal behavior of the LHP, by modifying the heat flux distribution. High temperature gradients are highlighted in the condenser plate and a redesign of its shape is proposed. Various modifications of the evaporator design are considered. The most important decrease of the evaporator thermal resistance is brought by a good disposition of the axial vapor grooves associated with an optimized saddle shape or radial vapor grooves.

Les performances du végétal et des arthropodes dont il constitue le microhabitat dépendent des températures de surface foliaire. Celles-ci peuvent dévier fortement de la température de l’air et présenter des niveaux d’hétérogénéité différents selon l'échelle spatiale considérée. La feuille atténue les températures extrêmes en rapprochant son amplitude de variation journalière de celle de la température de l’air. Cependant, cette réponse diminue l’hétérogénéité des températures de surface foliaire et les capacités de thermorégulation comportementale des arthropodes à l'échelle de la feuille. Les températures moyennes de surface foliaire atténuent peu le réchauffement, et déterminent localement la performance photosynthétique du végétal. De l’échelle de la feuille à celle de la canopée, les plantes montrent des réponses différentes au réchauffement. Ce type de changement d'échelle est primordial pour améliorer notre compréhension de l'impact des changements climatiques. / Plant performance and leaf-dwelling arthropods are impacted by leaf surface temperatures. Leaf surface temperatures can show important deviation from air temperature and present different levels of heterogeneity depending on the spatial scale. The leaf buffers temperature extremes by getting closer in amplitude to air temperature. However, this physiological response decreases the heterogeneity of temperatures at the leaf surface and the opportunities for arthropods to behavioraly thermoregulate in this microclimate. Mean temperatures at the leaf surface show low buffering abilities in response to warming and locally determine photosynthetic performance. From the leaf to the canopy scale, plants show different responses to warming and scaling is crucial to increase our understanding of the impact of global warming.

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.

Ce travail de thèse présente une étude concernant la caractérisation des effets électrothermiques dans les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en SiGe. Lors de ces travaux, deux procédés technologiques BiCMOS à l’état de l’art ont été analysés: le B11HFC de Infineon Technologies (130nm) et le B55 de STMicroelectronics (55nm).Des structures de test dédiées ont étés conçues, pour évaluer l’impact électrothermique du back end of line (BEOL) de composants ayant une architecture à un ou plusieurs doigts d’émetteur. Une caractérisation complète a été effectuée en régime continu et en mode alternatif en petit et en grand signal. De plus, une extraction des paramètres thermiques statiques et dynamiques a été réalisée et présentée pour les structures de test proposées. Il est démontré que les figures de mérite DC et RF s’améliorent sensiblement en positionnant des couches de métal sur le transistor, dessinées de manière innovante et ayant pour fonction de guider le flux thermique vers l’extérieur. L’impact thermique du BEOL a été modélisé et vérifié expérimentalement dans le domaine temporel et fréquentiel et aussi grâce à des simulations 3D par éléments finis. Il est à noter que l’effet du profil de dopage sur la conductivité thermique est analysé et pris en compte.Des topologies de transistor innovantes ont étés conçues, permettant une amélioration des spécifications de l’aire de sécurité de fonctionnement, grâce à un dessin innovant de la surface d’émetteur et du deep trench (DTI).Un modèle compact est proposé pour simuler les effets de couplage thermique en dynamique entre les émetteurs des HBT multi-doigts; ensuite le modèle est validé avec de mesures dédiées et des simulations TCAD.Des circuits de test ont étés conçus et mesurés, pour vérifier la précision des modèles compacts utilisés dans les simulateurs de circuits; de plus, l’impact du couplage thermique entre les transistors sur les performances des circuits a été évalué et modélisé. Finalement, l’impact du dissipateur thermique positionné sur le transistor a été étudié au niveau circuit, montrant un réel intérêt de cette approche. / This work is focused on the characterization of electro-thermal effects in advanced SiGe hetero-junction bipolar transistors (HBTs); two state of the art BiCMOS processes have been analyzed: the B11HFC from Infineon Technologies (130nm) and the B55 from STMicroelectronics (55nm).Special test structures have been designed, in order to evaluate the overall electro-thermal impact of the back end of line (BEOL) in single finger and multi-finger components. A complete DC and RF electrical characterization at small and large signal, as well as the extraction of the device static and dynamic thermal parameters are performed on the proposed test structures, showing a sensible improvement of the DC and RF figures of merit when metal dummies are added upon the transistor. The thermal impact of the BEOL has been modeled and experimentally verified in the time and frequency domain and by means of 3D TCAD simulations, in which the effect of the doping profile on the thermal conductivity is analyzed and taken into account.Innovative multi-finger transistor topologies are designed, which allow an improvement of the SOA specifications, thanks to a careful design of the drawn emitter area and of the deep trench isolation (DTI) enclosed area.A compact thermal model is proposed for taking into account the mutual thermal coupling between the emitter stripes of multi-finger HBTs in dynamic operation and is validated upon dedicated pulsed measurements and TCAD simulations.Specially designed circuit blocks have been realized and measured, in order to verify the accuracy of device compact models in electrical circuit simulators; moreover the impact on the circuit performances of mutual thermal coupling among neighboring transistors and the presence of BEOL metal dummies is evaluated and modeled.