Le travail présenté porte sur l'étude et l'analyse des modes de défaillance des condensateurs électrolytiques à l'aluminium ainsi que sur les thyristors. Les composants étudiés sont des éléments principaux du système de protection des aimants supraconducteurs du LHC dont la fiabilité revêt est un aspect primordial. L'étude du vieillissement des condensateurs électrolytiques à l'aluminium à montré que leur fiabilité est fortement liée à leur caractéristique technologique. L'évolution de leur principal indicateur de vieillissement (ESR) peut être modélisée selon différente loi plus ou moins pessimiste choisis selon le mode d'utilisation de ceux-ci. Il apparaît que la prédiction de défaillance de ces composants autre que celle due à l'usure ne peut être que statistique compte tenu des nombreuses causes de défaillance entraînant divers modes de défaillance. Afin de pouvoir évaluer l'influence du vieillissement des condensateurs électrolytique à l'aluminium sur un système, des modèles simples prenant en compte ce paramètre ainsi que la température effective du composant sont proposés. Une précision acceptable compte tenu de la simplicité des modèles est obtenue. L'étude des thyristors à montré que ces composants ont peu de dérive de paramètres en vieillissement statique, par contre de nombreuses défaillances par court-circuit ont été observées. Ces défaillances ont toujours une origine locale due à des défauts du composant. La tenue en tension dépend fortement de la qualité du thyristor ainsi que de la technologie employée.

Actuellement, dans les plateformes aérospatiales, le nombre et le besoin d’intégration des équipements électriques et électroniques sont grandissant du fait que leurs fonctions nécessitent de plus en plus de puissance. L’objectif de minimisation des coûts et surtout la disponibilité des dispositifs électroniques forcent les concepteurs et les fabricants de ces plateformes à s’orienter vers des produits commerciaux (dits grand public). La fiabilité des boîtiers des composants de puissance doit être évaluée dans les environnements sévères des applications aérospatiales. Une dizaine de composants électroniques de puissance a été sélectionnée en fonction de leur disponibilité et l’adéquation de leurs performances électriques et thermiques aux exigences des applications aérospatiales. Ces composants intègrent différents types de semi-conducteurs tels que le silicium, le carbure de silicium et le nitrure de gallium. Tout d’abord, une étude a été menée sur les potentiels modes et mécanismes de défaillance de ces composants électroniques de puissance dans ces environnements. Elle a permis de mettre en place plusieurs procédures de vieillissement accéléré ainsi que le développement de deux bancs de tests pour suivre électriquement le vieillissement de ces composants. Ces tests ont été menés sur deux diodes Schottky SiC, commercialisées par deux fabricants, regroupant les technologies des boîtiers des composants électroniques de puissance. Les analyses de défaillance ont tout d’abord mis en évidence une immaturité de la technologie de la jonction Schottky des puces SiC de l’une des deux diodes soumis à une tension inverse. Ces défaillances sont attribuées à la destruction partielle de la structure Schottky et indique une reproductibilité non maitrisée de la fabrication des puces de ce composant. Ensuite, ces analyses ont mis en évidence plusieurs mécanismes de vieillissement lors de tests simulant des régimes « On-Off » des applications (cycles thermiques de puissance). Celui considéré comme la cause de la défaillance est la fissuration de la soudure des fils d’interconnexion avec la puce. Une loi pouvant décrire la fissuration des interconnexions a été identifiée à la suite des évolutions des cycles thermiques de puissance à l’approche de la défaillance. L’étude de ces évolutions a permis de démarrer l’élaboration d’un modèle physique de défaillance adapté aux interconnexions de la puce en vue d’estimer la durée de vie des composants commerciaux. / Currently, in the aerospace platforms, the number and the need for integration of the electric and electronic equipment are growing because their functions require more and more power. The goal of cost minimization and mostly the availability of power electronic devices push the designers and the manufacturers of these platforms moving towards commercial products (Component Off-The Shelf). The packaging reliability of power electronic components must be assessed in harsh environments of aerospace applications. A dozen of power electronic components have been selected in accordance with their availability and with the adequacy of their electrical and thermal performances according to the requirements of aerospace applications. These components integrate different types of semi-conductors such as silicon, silicon carbide and gallium nitride. Foremost, a study has been leaded on the potential failure modes and mechanisms of these power electronic components in these environments. It has permitted to put in place several procedures of accelerated ageing and the development of two test benches to electrically monitor the ageing of these components. These tests have been carried on two SiC Schottky diodes, marketed by two manufacturers, gathering the technologies of the packaging of power electronic components. The failure analyses have first highlighted an immaturity of the Schottky junction technology of the SiC die of one of the two diodes subjected to a reverse voltage. These failures are attributed to the partial destruction of the Schottky structure and indicate a not mastered reproducibility of the die manufacturing of these components. Then, these analyses have highlighted several ageing mechanisms during tests simulating « On-Off » power of applications (power thermal cycles). One considered as the failure cause is the cracking of the welding of the wire bonding with the die. A behavioral law that can describe the cracking of the interconnections has been identified according to the evolutions of the power thermal cycles when near to failure. The study of these evolutions have permitted to start the elaboration of a physical model of failure adapted to the die interconnections in order to estimate the lifetime of commercial components.

Les technologies de transistors bipolaires à hétérojonctions (HBT) ont montré leur efficacité pour permettre aux circuits de traiter les grands signaux au delà de 100Gbit/s pour les réseaux optiques Ethernet. Pour assurer ce résultat, une bonne fiabilité doit être garantie. Des tests de vieillissements accélérés sous contraintes thermiques et électrothermiques sont réalisés et analysés avec les outils de simulation physique Sentaurus TCAD afin d’obtenir les lois de vieillissement physiques. Le modèle compact HICUM niveau 2, basé sur la physique, est utilisé pour modéliser précisément le composant avant vieillissement, puis pour ajuster les caractéristiques intermédiaires pendant le vieillissement. L’évolution des paramètres du modèle est décrit avec des équations appropriées pour obtenir un modèle électrique compact du vieillissement basé sur la physique. Les lois de vieillissement et les équations d’évolutions des paramètres avec le temps de contrainte sont implantées dans le modèle électrique de vieillissement en langage Verilog-A, ce qui permet de simuler l’impact des mécanismes de défaillances sur le circuit en conditions opérationnelles. / Modern InP Heterojunction Bipolar Transistors (HBT) technology has shown its efficiency for making large signal ICs working above 100 Gbits/s for Ethernet optical transport network. To full-fill this expectation, a good reliability has to be assured. Accelerated aging tests under thermal and electro-thermal stress conditions are performed and analyzed with Sentaurus TCAD device simulation tools to achieve the physical aging laws. The physics based advanced bipolar compact model HICUM Level 2 is used for precise modeling of the devices before aging. The HICUM parameters are extracted to fit the intermediate characterizations during aging. The evolution of the model parameters is described with suitable equations to achieve a physics based compact electrical aging model. The aging laws and the parameter evolution equations with stress time are implemented in compact electrical aging model in Verilog-A languages which allows us to simulate the impact of device failure mechanisms on the circuit in operating conditions.

Ce travail de recherche porte sur l’étude de l’effet du vieillissement par fatigue électrothermique sur la compatibilité électromagnétique des composants de puissance à base de carbure de silicium. Il est axé sur deux grandes parties ; une partie expérimentale et une autre plus orientée modélisation. Sur le plan expérimental, cette thèse étudie l’effet du vieillissement des transistors à base de carbure de silicium utilisés dans les convertisseurs statiques sur les perturbations électromagnétiques générées par ces convertisseurs. La deuxième partie porte sur la modélisation de ces transistors afin d’émuler l’effet de leur vieillissement sur les perturbations électromagnétiques des modules qu’ils composent. Cette dernière étape repose sur une étude de l’évolution des caractéristiques électriques statiques et dynamiques effectuées sur le composant sous test pour extraire les principaux paramètres intrinsèques du transistor de puissance dégradé après les séries de stress appliquées. En effet, ces paramètres intrinsèques dégradés émulent l’effet du vieillissement et sont représentatifs des principaux phénomènes pouvant influencer les convertisseurs de puissance étudiés. De ce fait, le changement de leurs valeurs dans le modèle du dit composant, décrit en VHDL-AMS et implémenté sur le simulateur de type circuit ANSYS SIMLORER, nous permet d’obtenir un modèle d’un tel composant après vieillissement. Cette étape a permis de valider la méthodologie développée pour la simulation des perturbations électromagnétiques conduites d’un composant sain dans un premier temps et d’un composant vieilli dans un second. Globalement, cette approche de modélisation innovante développée dans ce travail permet d’aider les concepteurs des convertisseurs statiques à prédire les perturbations électromagnétiques conduites avant et après vieillissement sans passer par la mesure et ses points faibles. Ceci apporte des informations complémentaires sur l’évolution des signatures CEM de tels modules durant sa durée de vie et d’estimer donc le risque lié au vieillissement des composants. / This research work focuses on the electrothermal aging effect on the electromagnetic compatibility of power components based on silicon carbide SiC. It focuses on two major parts ; an experimental part and another more oriented modelization. Experimentally, this thesis studies the aging effect of SiC transistors used in static converters on the electromagnetic interferences EMI generated by these converters. The second part deals with the modeling of these transistors in order to emulate the effect of their aging on the EMI of the modules they compose. This step made it possible to validate the methodology developed for the simulation of the conducted EMI of a healthy SiC MOFSET at first and of an aged SiC MOSFET in a second time. Overall, this innovative modeling approach developed in this work helps the designers of static converters to predict the conducted EMI before and after aging without going through the measurement. This provides additional information on the evolution of the EMC signatures of such modules during its lifetime and thus to estimate the risk associated with the aging of the components.