Le développement de dispositif de puissance haute température est un véritable challenge pour la recherche fondamentale et industrielle. La chaleur, provenant de l'échauffement des composants ou des conditions environnementales, représente l'une des contraintes majeures auquel est confronté un module de puissance. Le sujet de l’étude menée dans le cadre de cette thèse, financée par la société HCM (Groupe SERMA) vise à élaborer un module de puissance complet et fiable à haute température. La première partie de l’étude concerne la réalisation d’attaches de puces par différentes techniques : brasage eutectique, frittage de nanopoudre d’argent et le brasage en phase liquide transitoire. Le report de puce a mis en évidence les différents problèmes engendrés par l’utilisation d’une métallisation standard du substrat céramique pour une application haute température. Suite à ce constat, des solutions alternatives au niveau de la métallisation du substrat céramique ont été proposées. Afin d’obtenir la meilleure solution d’assemblage à envisager pour un fonctionnement à 300°C, l’élaboration d’un plan d’expériences Fisher-Taguchi a permis de hiérarchiser l’influence de chaque niveau d’intégration sur la tenue mécanique du joint. Les résultats ont permis de proposer une solution qui répond aux exigences. Dans la deuxième partie, le comportement mécanique des joints sous différents niveaux de contraintes thermiques a été étudié. Des essais de fluage ont également été réalisés sur les brasures eutectiques afin de modéliser la réponse du module aux sollicitations thermomécaniques. Les paramètres caractéristiques au fluage ont été déterminés expérimentalement. La troisième partie présen / The development of power electronic devices operating under high temperature environments is a great challenge for microelectronic industry. The objective of this thesis, supported by the HCM society (SERMA Group) is to propose a complete assemblage able to operate under high temperature. The first part of this study presents the different die attach techniques: eutectic solder alloys, sintered nanosilver and the TLPB method. The implementation for techniques was optimized via the variation of various experimental parameters by using a Fisher-Taguchi method. The as-proposed protocol corresponds to values of maximal shear stress. Moreover, an alternative solution to the substrate metallization was proposed to suppress any diffusion between the different elements deposited on the ceramic substrate.In the second part the mechanical behavior of joints under various levels of thermal and mechanical stress was studied. Creep experiments were carried out on the eutectic solders to describe the thermo-mechanical behavior of the complete module. The parameters characteristic of creep were experimentally determined. Finally, in the last part of this study the growth of Ti3SiC2 MAX phases were studied onto α-SiC substrates differently oriented by thermal annealing of TiAl layers deposited by magnetron sputtering. The Ti3SiC2 phase of low contact resistivity is proposed as new ohmic contact materials in dual n and p-type SiC-based devices. A step flow mechanism was proposed to explain that Ti3SiC2 grow, preferentially along the SiC basal planes, from a heterogeneous surface nucleation.

The work deals with research and development of a new method for ball-attach process, resp. reballing process of solder bumps on package with solder ball terminals (BGA, CSP, SOP, etc.), based on research and optimization of the parameters of the final terminals. The output is specially modified templates designed for placement of solder balls before reflow soldering. Three materially different templates were investigated in the work, in addition to the commonly used stainless steel, two other newly designed templates, which used ceramic materials (96% Al2O3a AlN) with thick-layer resistance heating. Proven advantages of the method using templates directly heated by electric current are the reduction of the thermal load of BGA packages in the first soldering process, as well as the creation of a better connection between the metallization of the case and the solder ball after final soldering to the printed circuit board. During the research, development and optimization of the method, tests of the created solder bumps were performed from the point of view of mechanical strength and internal structure. In the next part of the work, a research of solder bumps soldered using infrared heaters was performed in order to determine the influence of the heat flow direction in the process of reflow soldering. The heaters were successively placed in three positions, i.e. heating from the bottom of the housing, heating from the top and both heaters simultaneously. After sample preparation, metallographic cuttings and etching, the analysis of the internal structure of the entire solder ball and the intermetallic layer at the interface of the solder and the solder pad was performed. The work represents not only a new method of soldering solder bumps, but also new knowledge to create their internal structure, which contributes to meeting the increasingly demanding requirements to achieve the required reliability and quality.

Die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Systemen begleitet von steigender Leistung und Funktionalität führt zur Erhöhung der Leistungsdichte. Um diesem Trend zu entsprechen, werden neue Entwärmungskonzepte benötigt, die wiederum neuartige Materialien und Materialverbünde fordern. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist deshalb die Konzentration auf die für den Wärmetransport entscheidenden Materialien. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Methoden für die umfassende thermische Charakterisierung von den verschiedenen Materialien und Materialklassen, die in der Elektronikindustrie verwendet werden. Die Messsysteme wurden so entworfen und entwickelt, dass spezifische Anwendungsbedingungen berücksichtigt werden können, keine aufwändige Probenherstellung notwendig ist und gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist. Es wurden vier verschiedene Messsysteme innerhalb dieser Arbeit entwickelt und realisiert, die in ihrer Gesamtheit die Charakterisierung von fast allen Package-Materialien unter gewünschten Randbedingungen ermöglichen. Zahlreiche Materialien und Effekte wurden daraufhin im Rahmen dieser Arbeit mit den entwickelten Messsystemen untersucht und diskutiert. / The continuous miniaturization of electronic systems accompanied by increasing performance and functionality leads to an increase in power density. In order to comply this trend, new heat dissipation concepts are needed which demand new materials and material composites. An important aspect of this work is therefore the concentration on the materials that are decisive for the heat flow. This thesis deals with the development of Methods for comprehensive thermal characterization of the different materials and material classes used in the electronics industry. The measuring systems have been designed and developed in such a way that they enable to take into account specific application conditions, no costly sample preparation is necessary and at the same time high measuring accuracy is ensured. Four different measuring systems were developed and realized within this work, which, in their entirety, enable the characterization of almost all package materials under desired boundary conditions. Based on this, numerous materials and effects were investigated and discussed in the context of this work with the developed measurement systems.

Ces travaux s’intègrent dans la recherche de solutions alternatives aux alliages de brasure pour les assemblages de puissance. De par les propriétés intrinsèques de l’argent et les premiers travaux publiés, le frittage de pâte d’argent a été sélectionné comme technique d’assemblage pour être étudiée et évaluée. Après avoir effectué un état de l’art sur la structure d’un module de puissance, sur les différentes techniques d’assemblage, la fiabilité des assemblages et le frittage, différents essais ont été menés en partenariat avec les projets FIDEA et ASPEEC. Ils nous ont permis de définir des procédés d’assemblages, de caractériser thermiquement et mécaniquement les assemblages frittés et d’évaluer la fiabilité de ces assemblages par des essais expérimentaux et des simulations numériques. Ces travaux nous ont permis au final de réaliser un prototype d’assemblage double face fonctionnel aux propriétés thermomécaniques supérieures à celles d’un assemblage brasé. / This work is part of the research for lead-free die-attach solutions for power modules to offer a solution to the European directive RoHS, which banishes lead in electrical and electronic equipments. The intrinsic silver properties and the previous work published helped us choose silver sintering as the die-attach technology to be tested and evaluated in our work. After a state of the art on power module structure, on different die-attach technologies and on power module reliability, various works have been carried out in collaboration with the FIDEA and ASPEEC projects. Through experimental tests and finite element modeling analysis (FEM), die-attach processes have been defined, thermal and mechanical characterizations and reliability assessment of silver sintered power modules have been done. Finally, a silver sintered rectifier bridge double side assembly with higher thermomechanical properties than a lead-solder die-attach assembly was developed as final prototype.

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet GENOME (GEstioN OptiMisée de l’Energie). Ce projet s’intéresse aux solutions de packaging haute-température pour des modules de puissance 40 kW embarqués en aéronautique. Ils s’intègrent dans l’étude de fiabilité des modules de puissance, notamment, les solutions alternatives aux alliages de brasure. De par leurs propriétés physiques, l’argent et l’or-étain ont été sélectionnés comme techniques d’assemblage afin d’étudier et d’évaluer leur fiabilité. Pour ce faire, une méthodologie d’étude de fiabilité des modules de puissance a été définie dans le but de garantir l’exploitabilité des résultats. Ensuite, des analyses destructives et non-destructives ont été réalisées sur des véhicules de tests. Ceux-ci ont été vieillis en cyclages thermiques suivant différents profils afin de comparer leurs influences sur la fiabilité des VTs. L’étude du comportement thermomécanique des assemblages de puissance a été réalisée à l’aide de modélisations par éléments finis. Une méthodologie d’évaluation de la fiabilité des assemblages, basée sur l’étude de la contrainte thermomécanique accumulée dans les couches de joints métalliques, au cours de vieillissements accélérés, est développée. Un deuxième axe devrait permettre de comprendre les modes de défaillance, afin de mettre en lumière les limitations des vieillissements accélérés sévères. / This work is part of “GENOME” project which focuses on high-temperature packaging solutions for electronic power modules. Its mission is to study the reliability of power modules, in particular, the die attach layer. Due to the physical properties of silver and gold-tin, they were selected as die bonds to assess the evolution of their reliability during ageing. In order to achieve this, an appropriate methodology of the power modules reliability has been defined in order to guarantee the results exploitability. Destructive and non-destructive analyzes were carried out on samples aged by different profiles of thermal cycling. These analyzes allowed us to compare the influence of each cycling profile on the reliability of samples. A study of the thermomechanical behavior of power assemblies was carried out using finite element modeling (FEM). A methodology for evaluating the reliability of assemblies during accelerated ageing is developed. A second axis allows us a better understanding of the failure modes and their effects. It also highlights the limitations of severe accelerated ageing. Consequently, the choice of temperature profile is questioned and a limitation of the temperature profile severity must be considered, in order to avoid producing degradations that are not actually found in mission profile.

Le développement de composants de puissance à base de carbure de silicium (SiC) permet la réalisation d’interrupteurs pouvant fonctionner au-delà de 200°C. Le silicium présente plus de limitations au niveau physique du matériau qu’au niveau des technologies d’assemblages. Le SiC est un matériau semi-conducteur grand gap ce qui permet d’obtenir des courants de fuite inverse qui restent faibles à haute température ; d’où un fort intérêt pour des applications haute température. Mise à part son utilisation à des températures pouvant dépasser les 300°C, c’est un matériau qui permet aussi d’augmenter les fréquences de commutation ainsi que la densité de puissance par rapport à des composants à technologie silicium. Ceci en fait un candidat idéal pour des applications forte puissance dans le domaine de la traction, des protections de réseaux électriques ou de la transmission et de la distribution d’énergie. L’utilisation du SiC pour une application haute température pose le problème de son packaging, des choix de matériaux et de sa configuration. Cette thèse a pour but d’effectuer une étude de fiabilité et de durée de vie des briques technologiques d’assemblage et de connexions nécessaires à la réalisation d’un cœur de puissance haute température à base de JFET SiC. Une étude des différentes technologies d’assemblages de convertisseurs de puissance haute température est effectuée afin de définir différentes briques technologiques constitutives de ces systèmes. Cette première étude nous permet de procéder à une sélection de certaines technologies d’assemblages comme le frittage de pâtes d’argent pour la technologie de report de puces. Ces briques technologiques feront l’objet d’études plus approfondies allant de la réalisation de véhicules tests jusqu’à la mise au point des essais de cyclages associés aux techniques d’analyse nécessaires à l’étude de leur défaillance.Les études expérimentales concernent des essais de cyclage passif et de stockage thermique, l’apparition de délaminages en cours de cyclage thermique (scan acoustique, RX), le report par frittage de pâtes d’argent nano et microscopiques et la caractérisation électrique et thermique (Rth, I[V]). / The development of power components based on silicon carbide (SiC) allows for the design of power converter operating at high temperature (above 200 or 300°C). SiC is a semiconductor material with a large band gap that not only can operate in temperatures exceeding 300°C but also offers fast switching speed, high voltage blocking capability and higher thermal conductivity compared to silicon technology components. The classical die attach technology uses high temperature solder alloys which melt at around 300°C. However, even a soldered die attach with such high melting point can only operate up to a much lower temperature. Alternative die attach solutions have recently been proposed: Transient Liquid Phase Bonding, soldering with higher melting point alloys such as ZnSn, or silver sintering.Silver sintering is a very interesting technology, as silver offers very good thermal conductivity (429W/m.K, better than copper), relatively inexpensive (compared to alternative solutions which often use gold), and has a very high melting point (961°C).The implementation of two silver-sintering processes is made: one based on micrometer-scale silver particles, and one on nano-meter-scale particles. Two substrate technologies are investigated: Al2O3 DBC and Si3N4 AMB. After the process optimization, tests vehicles are assembled using nano and micro silver particles paste and a more classical high-temperature die attach technology: AuGe soldering. Multiple analyses are performed, such as thermal resistance measurement, shear tests and micro-sections to follow the evolution of the joint during thermal cycling and high-temperature storage ageing.