Cette thèse porte sur l'étude de la durée de vie de composants et modules de puissance dans des environnements thermiques sévères, lorsque les modules de puissance sont amenés à travailler à haute température ou sous des cycles de température de forte amplitude. Les domaines visés par cette étude concernent plus particulièrement des applications extrêmement contraignantes telles que les applications aéronautiques. Un module de puissance est un assemblage de plusieurs matériaux (semi-conducteurs, brasures, céramiques, conducteurs) présentant des propriétés mécaniques, notamment de coefficient de dilatation thermiques (CTE) différentes. Les pertes dans les puces actives et les variations de température ambiante (profils de mission) sont responsables de contraintes mécaniques liées aux différences de CTE entre les différents matériaux. Les modes de défaillance étant principalement d'origine mécanique, ces travaux ont été effectués entre le SATIE et le LMT (Institut Farman). L'étude mécanique a complété des travaux expérimentaux de caractérisation et de vieillissement accéléré de modules de puissance à semi-conducteur. Ces études ont nécessité la mise en place d'essais de vieillissement spécifiques, passifs (utilisation d'une étuve permettant de contraindre les assemblages de puissance sous des cycles thermiques de grande amplitude) et actifs (utilisation de régimes extrêmes de fonctionnement tels que le court-circuit pour accélérer le vieillissement de certaines parties de l'assemblage).La première partie de ce manuscrit présente les principes physiques mis en jeu. Nous présenterons succinctement les concepts de mécanique de la rupture ainsi que les couplages physiques.La deuxième partie porte sur la rupture de la céramique des substrats DCB. Cette rupture peut provenir de défauts répartis aléatoirement dans le matériau. Nous aborderons le problème par une approche statistique où nous introduirons la "Théorie du maillon faible". L'autre cause de rupture est la présence de défauts géométriques que l'on appelle singularité où il existe une concentration des contraintes nécessitant une approche déterministe. A cette occasion nous introduirons le facteur d'intensité des contraintes qui permet d'étudier les problèmes de rupture liés à des zones singulières.La dernière partie portera sur la dégradation de la métallisation du transistor. La recherche d'indicateurs de vieillissement a demandé la mise au point de différents bancs de caractérisation électrique pour la mesure fine de différentes grandeurs électriques (courants de fuite, tensions de seuil, chute de tension à l'état passant...) dans un environnement thermique contrôlé. De plus ces caractérisations électriques sont corrélées à des observations de la métallisation effectuées par un microscope électronique à balayage de manière régulière. Nous chercherons à montrer comment la modification de la morphologie de la métallisation peut modifier les caractéristiques électriques des transistors de puissance testés.

Pour les problèmes linéaires, différentes démarches existent pour estimer la qualité de la solution éléments finis. Elles conduisent généralement à l'estimation d'une norme de l'erreur globale. Mais le choix d'une précision globale fondée sur une norme du déplacement est souvent délicat car il n'y a pas de lien direct quantitatif avec une erreur sur des quantités mécaniques locales (appelées quantités d'intérêt) ayant un intérêt pour l'ingénieur. L'objectif de ce travail est de développer et de mettre en oeuvre dans Code_Aster une méthode d'estimation d'erreur en quantité d'intérêt pour le calcul de structures industrielles.<br /><br />Une étude bibliographique a permis de situer l'état de l'art et de faire le point sur les méthodes d'estimation d'erreur globale et locale et sur les techniques d'adaptation de maillages afin de déterminer celles qui sont les plus adaptées pour le calcul de structures en milieu industriel.<br /><br />Ensuite, une comparaison a été faite afin de déterminer la pertinence de l'utilisation de l'erreur en quantité d'intérêt dans un processus adaptatif par rapport à l'utilisation de l'erreur en norme de l'énergie, d'un raffinement uniforme ou d'un raffinement local dans la zone d'intérêt. L'étude a montré que l'utilisation de l'erreur en quantités d'intérêt est la stratégie qui permet toujours d'obtenir la meilleure précision pour un nombre d'éléments donné : cette stratégie est la plus pertinente dans un contexte de calcul de structures industrielles.<br /><br />Compte tenu des résultats précédents, une méthode d'estimation d'erreur en quantité d'intérêt a été développée et implémentée dans Code_Aster. Elle est basée sur la relation fondamentale de l'erreur en quantité d'intérêt et sur un estimateur d'erreur globale en norme de l'énergie de type résidus explicites. Cet estimateur ne permettant pas d'accéder à des bornes de l'erreur mais à une valeur approchée, il s'apparente donc à un indicateur d'erreur. Pour réaliser cette estimation, la résolution d'un problème dual est nécessaire. Les chargements de ce problème, particulier pour chaque quantité d'intérêt considérée, sont fournis pour de nombreuses quantités d'intérêt (notamment pour la contrainte de Von Mises). Le calcul final de l'erreur en quantité d'intérêt, à partir du calcul primal et du calcul dual est automatique. Une quantité d'intérêt pour l'estimation de l'erreur sur les facteurs d'intensité des contraintes a également été développée en 2D et 3D. Des exemples numériques ont montré le bon comportement de cet indicateur pour guider un processus d'adaptation de maillage pour les différentes quantités d'intérêt.<br /><br />Enfin, la stratégie de contrôle d'erreur développée a été utilisée, avec Code_Aster, dans le cadre d'études de structures industrielles. Deux études effectuées au département AMA, à EDF R&D sont présentées. La première consiste à étudier la contrainte de Von Mises dans un rotor HP, la seconde s'intéresse à la contrainte verticale dans les goujons d'un assemblage boulonné.

Cette thèse est consacrée au développement de méthodes numériques pour la simulation de plaques et coques fissurées. Pour ce problème, les méthodes classiques sont basées sur la Méthode des Elements Finis (MEF). En raison de la présence d'une singularité en fond de fissure, la MEF souffre de plusieurs défauts. Son taux de convergence n'est pas optimal. De plus, en cas de propagation de la fissure, le domaine doit être remaillé. Une nouvelle méthode d'éléments finis, introduite en 1999 et baptisée XFEM, permet de s'affranchir de ces inconvénients. Dans cette méthode, la base éléments finis est enrichie par des fonctions de forme spécifiques qui représentent la séparation du matériau et la singularité de fond de fissure. Ainsi, domaine et fissure sont indépendants et le taux de convergence est optimal. Dans cette thèse, on développe deux formulations XFEM adaptées à un modèle de plaques minces. Ces méthodes ont pu être implémentées dans la bibliothèque d'éléments finis Getfem++, et testées sur des exemples où la solution exacte est connue. L'étude d'erreur montre que la méthode XFEM possède un taux de convergence optimal, alors que la MEF montre une convergence plus lente. L'autre contribution de cette thèse concerne le calcul de Facteurs d'Intensité de Contraintes (FIC) : ces grandeurs indiquent le risque de propagation de la fissure. Nous proposons deux méthodes de calcul originales, basées sur nos formulations XFEM. La première méthode utilise l'intégrale-J, et la deuxième fournit une estimation directe, sans post-traitement.

Cette thèse porte sur l'étude de la durée de vie de composants et modules de puissance dans des environnements thermiques sévères, lorsque les modules de puissance sont amenés à travailler à haute température ou sous des cycles de température de forte amplitude. Les domaines visés par cette étude concernent plus particulièrement des applications extrêmement contraignantes telles que les applications aéronautiques. Un module de puissance est un assemblage de plusieurs matériaux (semi-conducteurs, brasures, céramiques, conducteurs) présentant des propriétés mécaniques, notamment de coefficient de dilatation thermiques (CTE) différentes. Les pertes dans les puces actives et les variations de température ambiante (profils de mission) sont responsables de contraintes mécaniques liées aux différences de CTE entre les différents matériaux. Les modes de défaillance étant principalement d'origine mécanique, ces travaux ont été effectués entre le SATIE et le LMT (Institut Farman). L'étude mécanique a complété des travaux expérimentaux de caractérisation et de vieillissement accéléré de modules de puissance à semi-conducteur. Ces études ont nécessité la mise en place d'essais de vieillissement spécifiques, passifs (utilisation d'une étuve permettant de contraindre les assemblages de puissance sous des cycles thermiques de grande amplitude) et actifs (utilisation de régimes extrêmes de fonctionnement tels que le court-circuit pour accélérer le vieillissement de certaines parties de l'assemblage).La première partie de ce manuscrit présente les principes physiques mis en jeu. Nous présenterons succinctement les concepts de mécanique de la rupture ainsi que les couplages physiques.La deuxième partie porte sur la rupture de la céramique des substrats DCB. Cette rupture peut provenir de défauts répartis aléatoirement dans le matériau. Nous aborderons le problème par une approche statistique où nous introduirons la "Théorie du maillon faible". L'autre cause de rupture est la présence de défauts géométriques que l'on appelle singularité où il existe une concentration des contraintes nécessitant une approche déterministe. A cette occasion nous introduirons le facteur d'intensité des contraintes qui permet d'étudier les problèmes de rupture liés à des zones singulières.La dernière partie portera sur la dégradation de la métallisation du transistor. La recherche d'indicateurs de vieillissement a demandé la mise au point de différents bancs de caractérisation électrique pour la mesure fine de différentes grandeurs électriques (courants de fuite, tensions de seuil, chute de tension à l'état passant...) dans un environnement thermique contrôlé. De plus ces caractérisations électriques sont corrélées à des observations de la métallisation effectuées par un microscope électronique à balayage de manière régulière. Nous chercherons à montrer comment la modification de la morphologie de la métallisation peut modifier les caractéristiques électriques des transistors de puissance testés. / This PhD focuses on the study of the lifetime of components and power semiconductor modules under thermal constraints, when power devices are used at high temperature or under high temperature cycles. The areas covered by this study relate more particularly to extremely harsh applications such as aerospace constraints. A power device is an assembly of different materials (semiconductors, solders, ceramics, conductors) with mechanical properties, including coefficient of thermal expansion (CTE). Losses in the die and ambient temperature variations (mission pro les) are responsible for strain constraints at material interfaces due to CTE mismatch between the different materials. Failure modes result for mechanical constraints so study was done in collaboration between LMT and SATIE laboratories (Farman Institute). The mechanical study completed experimental characterizations and accelerated aging of power semiconductor modules. These studies involved the development of specific aging tests allowing thermal cycles (thermal air streamer to force the power assemblies under thermal cycles of high amplitude) and active power cycles (use of hard working conditions such as short circuit for accelerating the aging of parts of the assembly).The first part of this manuscript presents the physical principles set in. We briefly introduce the concepts of fracture mechanics and the physical couplings.The second part focuses on the fractured DCB ceramic substrates. This failure can arise from defects randomly distributed in the material. We consider the problem using a statistical approach where we introduce the "weak link theory". The other cause of failure is the presence of geometrical defects called singularity where there is stress concentration requiring a deterministic approach. On this occasion we introduce the stress intensity factor which allows to study the failure problems associated with singular zone.The last part will focus on the aging of the transistor metallization. The search for indicators of aging has requested the development of several electrical characterization test benches for the precise measurement of different electrical parameters (leakage currents, threshold voltages, voltage drop in the on state ...) in a controlled thermal environment. Moreover, these electrical characterizations are correlated with observations at different aging states of the metallization degradation using a scanning electron microscope. We seek to show how the change in the morphology of the metallization can change the electrical characteristics of tested power transistors.

La gestion des flottes vieillissantes conduit à étudier les effets de la corrosion sur la tenue mécanique des structures en alliages d'aluminium, depuis les défauts de corrosion de surface jusqu'à la fissure mécaniquement active.<br />Nous avons caractérisé la sensibilité de l'alliage 2024-T351 à la corrosion intergranulaire. Il se forme en 7h d'immersion dans NaCl 0.5 M un défaut semi-elliptique de 200 µm de profondeur. Puis la corrosion intergranulaire ralentit fortement. <br />Nous avons étudié les mécanismes de propagation en fatigue à partir de ces défauts, en particulier la transition entre la corrosion intergranulaire et les fissures transgranulaires courtes de fatigue. A chaque étape de l'endommagement, une estimation des cinétiques, du Delta-K et la morphologie des défauts sont données. Deux mécanismes ont été distingués : un mécanisme de corrosion sous contrainte (cyclique) intergranulaire et un mécanisme de fatigue corrosion transgranulaire. Un critère de transition est proposé