Cette thèse porte sur l’étude des transistors de puissance à haute mobilité électronique en Nitrure de Gallium à enrichissement récemment apparus sur le marché. Ces travaux se focalisent sur l’analyse physique de la défaillance lors du vieillissement de ces composants sous des profils de mission réels de commutation. Un banc de stress a été conçu et construit, permettant d’imposer des conditions de fonctionnement réel sur le transistor sans utiliser des charges et donc en minimisant la consommation d’énergie. Une autre originalité de ce banc est qu’il contient des transistors témoin qui subissent une partie du stress imposé au transistor sous test, aidant ainsi à la compréhension des dégradations. Les composants vieillis sont caractérisés électriquement pour établir les modes de défaillance. Des méthodes de décapsulation de composants et de préparation d’échantillons mulit-échelle (mm au nm) ont été également développées afin d’accéder à la zone active des transistors. Par l’analyse de la microstructure des dispositifs, avec des techniques de photoémission spectrale, microscopie électronique à balayage et en transmission, les mécanismes de défaillance sont déterminés et la corrélation avec les modes dedéfaillance correspondants est réalisée. / This PhD Thesis is about the reliability of enhancement Gallium Nitride high electron mobility power transistors, recently on the market. This work is focused on physics of failure analysis on aged devices under real mission switching profiles. A novel stress bench able of stablish real operating conditions on a transistor without using a load, so minimizing energy consumption. Also, the circuit has two additional devices that undergo separate current and voltage stresses and are used for better understanding of degradations on main device under test. Electric characterization of aged devices allows determination of failure modes. Decapsulation and sample preparation procedures at different scales were developed to access the active zone of the devices and perform micro-structural analyses by the means of spectral photoemission, scanning and transmission electronic microscopies. Then, failure mechanisms are correlated with the corresponding modes.

Un énorme progrès dans les performances des semiconducteurs a été accompli ces dernières années. Avec l’´émergence d’applications complexes, les systèmes embarqués doivent être à la fois performants et fiables. Une multitude de travaux ont été proposés pour améliorer l’efficacité des systèmes embarqués en réduisant le décalage entre la flexibilité des solutions logicielles et la haute performance des solutions matérielles. En vertu de leur nature reconfigurable, les FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) représentent un pas considérable pour réduire ce décalage performance/flexibilité. Cependant, la reconfiguration dynamique a toujours souffert d’une limitation liée à la latence de reconfiguration.Dans cette thèse, une nouvelle technique de reconfiguration dynamiqueau niveau ”grain-moyen” pour les circuits à base de blocks DSP48E1 est proposée. L’idée est de profiter de la reprogrammabilité des blocks DSP48E1 couplée avec un circuit d’interconnection reconfigurable afin de changer la fonction implémentée par le circuit en un cycle horloge. D’autre part, comme les nouvelles technologies s’appuient sur la réduction des dimensions des transistors ainsi que les tensions d’alimentation, les circuits électroniques sont devenus de plus en plus susceptibles aux fautes transitoires. L’impact de ces erreurs au niveau système peut être catastrophique et les SETs (Single Event Transients) sont devenus une menace tangible à la fiabilité des systèmes embarqués, en l’occurrence pour les applications critiques comme les systèmes de transport. Les techniques de fiabilité qui se basent sur des taux d’erreurs (SERs) surestimés peuvent conduire à un gaspillage de ressources et par conséquent un cout en consommation de puissance électrique. Il est primordial de prendre en compte le phénomène de masquage d’erreur pour une estimation précise des SERs.Cette thèse propose une nouvelle modélisation inter-couches de la vulnérabilité des circuits qui combine les mécanismes de masquage au niveau transistor (TLM) et le masquage au niveau Système (SLM). Ce modèle est ensuite utilisé afin de construire une architecture adaptative tolérante aux fautes qui évalue la vulnérabilité effective du circuit en runtime. La stratégie d’amélioration de fiabilité est adaptée pour ne protéger que les parties vulnérables du système, ce qui engendre un circuit fiable avec un cout optimisé. Les expérimentations effectuées sur un système de détection d’obstacles à base de radar pour le transport ferroviaire montre que l’approche proposée permet d’´établir un compromis fiabilité/ressources utilisées. / During the last few decades, a tremendous progress in the performance of semiconductor devices has been accomplished. In this emerging era of high performance applications, machines need not only to be efficient but also need to be dependable at circuit and system levels. Several works have been proposed to increase embedded systems efficiency by reducing the gap between software flexibility and hardware high-performance. Due to their reconfigurable aspect, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) represented a relevant step towards bridging this performance/flexibility gap. Nevertheless, Dynamic Reconfiguration (DR) has been continuously suffering from a bottleneck corresponding to a long reconfiguration time.In this thesis, we propose a novel medium-grained high-speed dynamic reconfiguration technique for DSP48E1-based circuits. The idea is to take advantage of the DSP48E1 slices runtime reprogrammability coupled with a re-routable interconnection block to change the overall circuit functionality in one clock cycle. In addition to the embedded systems efficiency, this thesis deals with the reliability chanllenges in new sub-micron electronic systems. In fact, as new technologies rely on reduced transistor size and lower supply voltages to improve performance, electronic circuits are becoming remarkably sensitive and increasingly susceptible to transient errors. The system-level impact of these errors can be far-reaching and Single Event Transients (SETs) have become a serious threat to embedded systems reliability, especially for especially for safety critical applications such as transportation systems. The reliability enhancement techniques that are based on overestimated soft error rates (SERs) can lead to unnecessary resource overheads as well as high power consumption. Considering error masking phenomena is a fundamental element for an accurate estimation of SERs.This thesis proposes a new cross-layer model of circuits vulnerability based on a combined modeling of Transistor Level (TLM) and System Level Masking (SLM) mechanisms. We then use this model to build a self adaptive fault tolerant architecture that evaluates the circuit’s effective vulnerability at runtime. Accordingly, the reliability enhancement strategy is adapted to protect only vulnerable parts of the system leading to a reliable circuit with optimized overheads. Experimentations performed on a radar-based obstacle detection system for railway transportation show that the proposed approach allows relevant reliability/resource utilization tradeoffs.

Véhicule-à-tous (V2X) se réfère à un Système de Transport Intelligent (ITS) où les véhicules et l'infrastructure sont interconnectés. Cette connectivité permet une connaissance précise des conditions de circulation sur l'ensemble du réseau routier, ce qui contribue à améliorer la sécurité routière, réduire les temps d'encombrement et éviter les pertes économiques. Cette communication permet aussi une variété de nouvelles applications pour la sécurité routière et l'infodivertissement. Bien que la communauté de scientifique ait réalisé de grands progrès dans l'étude sur le V2X, il reste encore des défis à surmonter et des problèmes clés qui doivent être étudiés plus en profondeur. Cette thèse considère deux des questions les plus importantes; fiabilité et sécurité des communications V2X. Du point de vue de la fiabilité, nous proposons d'abord une méthode basée sur la modélisation de l'utilisateur pour évaluer la capacité de la norme DSRC IEEE 802.11p à répondre aux exigences de Qualité De Service (QoS) de la diffusion des messages de sécurité. La nouveauté de la méthode réside dans son application qui élimine le problème de la définition d'un modèle Markovien par la détermination des moments d'équilibre du processus de retard. Cette méthode fournit des informations importantes sur les paramètres de conception IEEE 802.11p et sur ses fonctionnalités, ce qui permet d'améliorer la configuration proposée. De plus, nous proposons un modèle Régénératif pour résoudre le problème de la caractérisation des processus de trafic interconnecté dans les réseaux V2X hybrides à grande échelle. Ce dernier est une préoccupation majeure pour parvenir à une opérabilité efficace et adéquate pour les réseaux de véhicules à grande échelle. Du point de vue de la sécurité, nous introduisons une nouvelle méthodologie d'optimisation. Notre méthodologie lie les exigences de QoS des différentes classes d'application avec le paramètre de conception de base du mécanisme de résolution de contention dans le protocole MAC IEEE 802.11p. En outre, un nouvel algorithme de détection d'attaque de brouillage dans l'environnement véhiculaire est proposé. L'algorithme utilise la méthodologie d'optimisation développée pour définir un seuil de détection et intègre la méthode séquentielle de détection pour détecter les attaques de brouillage à chaque fois que la valeur seuil est franchie. Des expérimentations analytiques et de simulation approfondies ont été effectuées pour chaque contribution afin de montrer la validité des méthodes/modèles proposés et de prouver leur efficacité. / Vehicle-to-anything (V2X) refers to an Intelligent Transportation System (ITS) where the vehicles and infrastructure systems are all interconnected with each other. This connectivity provides precise knowledge of the traffic situations across the entire road network which in turn helps to enhance traffic safety, reduce congestion time, avoid economic losses, in addition to enable a variety of novel ITS applications for road safety and passenger infotainment. V2X communications is based on two technologies; Dedicated Short-Range Communications (DSRC) which is an essential technology for realizing V2X and cellular networks which provide an o_-the-shelf potential solution for V2X communications. Although the research community has achieved much great progress on V2X study, there are still some challenges that need to be overcome and some key issues that need to be further investigated. This thesis considers two of the most prominent issues; reliability and security of V2X communications. From the reliability perspective, we first propose User Model-based Method to evaluate the capacity of IEEE 802.11p-based DSRC standard to meet the Quality-of-Service (QoS) requirements of safety messages dissemination. The novelty of the method lies in its application which avoids the problem of defining a Markovian model by determining the steady state moments of the induced delay process. This applicability feature provides important insights about IEEE 802.11p design parameters and its functionality leading to proposed reconfigurations for enhanced performance. Moreover, we propose Regenerative model, that we believe to be the first to address the problem of interconnected-traffic process characterization in large-scale hybrid V2X networks. The latter is a primary concern in achieving efficient and adequate operability for large-scale vehicular networks. From the security perspective, we introduce a new optimization methodology which ties the QoS requirements of different application classes with the basic design parameters of the contention resolution mechanism in IEEE 802.11p MAC protocol. In addition, a novel detection algorithm for jamming attacks in the vehicular environment is proposed. The algorithm utilizes the developed optimization methodology to de_ne a detection threshold. By integrating the sequential detection of change method it traces and detects jamming attacks whenever the threshold value is crossed. Analytical and simulation experimentations have been performed for each contribution to show the validity of the proposed methods/models and to prove their efficiency.

Quels sont les modes de réponses les plus adaptés au traitement de l’inattendu et sous contrainte de temps pour maintenir ou renforcer la fiabilité organisationnelle ? Les travaux du courant HRO (High Reliability Organization) et du courant actionniste convergent sur le fait que l’individu constitue une source de fiabilité. Ils divergent néanmoins sur l’importance donnée au respect des règles face aux évènements imprévus. Afin d’analyser les comportements d’adaptation d’individus au sein d’un groupe restreint face à des situations à risques et inattendues sous contrainte de temps, l’attention est portée sur l’étude de situations nautiques vécues par des bâtiments de surface de la Marine nationale. Une première approche qualitative menée auprès d’experts du terrain étudié complétée par une approche quantitative réalisée à partir de 237 situations nautiques font ressortir les configurations à risques à l’origine d’accidents nautiques. Ces informations nous permettent de soumettre des équipes de quart passerelle à des situations à risques, dans le cadre d’une expérimentation, au moyen du simulateur de navigation de l’Ecole navale, école de formation des officiers de la Marine nationale. Les comportements de 96 équipes de quart passerelle, en formation initiale, sur le simulateur de navigation permettent de tester, selon les différentes situations, les réponses associées : improvisation de procédure, recours aux règles avec ou non l’usage de méta règles. Les résultats de l’expérimentation soulignent l’intérêt des méta règles dans le traitement des situations à haut niveau de complexité et nécessitant d’agir rapidement mais aussi les risques d’une improvisation non cadrée. / What are the best types of answers given by a 4-member team of the French Navy without expertise in unexpected situations under time pressure in order to maintain or to increase organizational reliability ? HRO researchers agree with Interactionists on the fact that human beings can be considered as a reliability factor. Nevertheless, they disagree on one point: the need to respect the rules or not in unexpected events. A first qualitative study completed by a quantitative one (based on 237 nautical situations), emphasize different types of risk situations, responsible for accidents. Thanks to this data, an experiment based on the behavioral observations of 96 bridge-teams is set up on the simulator of the French Naval Academy, which trains all future officers of the French Navy. The aim of this work is to test different proposals of variables using either improvisation or rules, with or without meta rules. Results show that firstly, thanks to meta rules, the level of reliability is higher in high level complex situations under time pressure and secondly, results underline the risk of an improvised action without guidelines

Le défi de la transition vers une énergie sans carbone passe, aujourd’hui, par un recours systématique à l’énergie électrique avec au centre des échanges l’électronique de puissance. Pour être à la hauteur des enjeux, l'électronique de puissance nécessite des composants de plusen plus performants pour permettre un haut niveau d'intégration, une haute efficacité énergétique et un haut niveau de fiabilité. Aujourd’hui, le transistor de puissance, du type MOSFET, en carbure de silicium (SiC) est une technologie de rupture permettant de répondre aux enjeux d’intégration et d’efficacité par un faible niveau de perte et une vitesse de commutation élevée. Cependant, leur fiabilité non maitrisée et leur faible robustesse aux régimes extrêmes du type court-circuit répétitifs freinent aujourd’hui leur pénétration dans les applications industrielles. Dans cette thèse, une étude poussée du comportement en court-circuit d'un ensemble exhaustif de composants commerciaux, décrivant toutes les variantes structurelles et technologiques en jeu, a été menée sur un banc de test spécifique développé durant la thèse, afin de quantifier leur tenue au courtcircuit. Cette étude a mis en lumière des propriétés à la fois génériques et singulières aux semiconducteurs en SiC déclinés en version MOSFET tel qu’un courant de fuite dynamique de grille et un mode de défaillance par un court-circuit grille-source amenant, dans certaines conditions d'usage et pour certaines structures de MOSFET, à un auto-blocage drain-source. Une recherchesystématique de la compréhension physique des phénomènes observés a été menée par une approche mêlant analyse technologique interne des composants défaillants et modélisation électrothermique fine. Une modélisation électrothermique compacte étendue à la prise en compte des modes de défaillance a été établie et implémentée dans un logiciel de type circuit. Ce modèle a été confronté à de très nombreux résultats expérimentaux sur toutes les séquences temporelles décrivant un cycle de court-circuit jusqu'à la défaillance. Ce modèle offre un support d'analyse intéressant et aussi une aide à la conception des circuits de protection. Ainsi, à titre d'application, un driver doté d'une partie de traitement numérique a été conçu et validé en mode de détection de plusieurs scénarii de court-circuit mais aussi potentiellement pour la détection de la dégradation de la grille du composant de puissance. D’autres travaux plus exploratoires ont aussi été menés en partenariat avec l’Université de Nottingham afin d’étudier l'impact de régimes de court-circuit impulsionnels répétés sur le vieillissement de puces en parallèle présentant des dispersions. La propagation d'un premier mode de défaillance issu d'un composant "faible" a aussi été étudiée. Ce travail ouvre la voie à la conception de convertisseurs intrinsèquement sûrs et disponibles en tirant parti des propriétés atypiques et originales des semi-conducteurs en SiC et du MOSFET en particulier / Nowaday, the challenge of the transition to carbon-free energy involves a systematic use of electrical energy with power electronics at the heart of the exchanges. To meet the challenges, power electronics requires increasingly high-performance devices to provide a high level of integration, high efficiency and a high level of reliability. Today, the power transistor, of the MOSFET type, made of silicon carbide (SiC) is a breakthrough technology that allows us to meet the challenges of integration and efficiency through their low level of loss and high switching speed. However, their limited reliability and low robustness at extreme operating conditions such as repetitive short-circuits are now hindering their expansion in industrial applications. In this thesis, an in-depth study of the short-circuit behaviour of an exhaustive set of commercial devices, describing all the structural and technological variants involved, was carried out on a specific test bench developed during the thesis, in order to quantify their short-circuit resistance. This study highlighted both generic and singular properties of SiC semiconductors for every Mosfet version such as a dynamic gate leakage current and a failure mode by a short-circuit grid-source leading, under certain conditions of use and for certain Mosfet structures, to a self-blocking drain-source. A systematic research of the physical understanding of the observed mechanisms was carried out by an approach combining an internal technological analysis of the failed devices and a fine electrothermal modelling. A compact electrothermal modeling extended to failure mode consideration has been established and implemented in circuit software. This model was confronted with numerous experimental results describing a short-circuit cycle up to failure. This model offers an interesting analytical support and also helps the design of protection circuits. Thus, as an application, a driver equipped with a digital processing part has been designed and validated in detection mode for several short-circuit scenarios but also potentially for the detection of the degradation of the power component grid. Other more exploratory work has also been carried out in partnership with the University of Nottingham to study the impact of repeated pulse short-circuit regimes on the aging of parallel chips with dispersions. The propagation of a first failure mode from a "weak" device was also studied. This work paves the way for the design of intrinsically safe and available converters by taking advantage of the atypical and original properties of SiC semiconductors and Mosfet in particular

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’électrification des sous-systèmes embarqués notamment pour des véhicules électriques/hybrides. Dans ce domaine, un des objectifs permanents est la réduction des coûts et des délais lors de la conception de chaînes d’actionnement mécatroniques. Pour y parvenir, il est nécessaire de doter le concepteur de méthodologies et d’outils adaptés lui permettant de fiabiliser sa démarche de conception et de lever le maximum de risques avant de réaliser les premiers prototypes. Ces systèmes mécatroniques embarqués mobilisent des briques technologiques essentielles dont fait partie le convertisseur d’électronique de puissance. Les performances de ce système reposent sur la capacité des méthodologies de conception à considérer les contraintes pluridisciplinaires liées à son environnement, l’adéquation des technologies, des topologies et des lois de commandes. Ces travaux de thèse montrent comment nous pouvons répondre à ces exigences et besoins à travers le développement d’une méthodologie de conception multi-physique et multi-niveau de convertisseurs multicellulaires (entrelacés) prédisposés par essence à une reconfiguration aisée. Cette méthodologie, basée sur une optimisation sous contraintes multi-physiques, permet des choix systématiques d’architecture optimale et des technologies de composants à partir d’une base de données constructeurs. Elle intègre l’aspect fiabilité dans la conception dès la phase de pré-dimensionnement au même niveau que les autres contraintes (électriques, rendement, thermiques, encombrement, compatibilité électromagnétique). Afin de bien profiter des avantages de ce type de convertisseurs entrelacés, cette intégration de la fiabilité dans la conception «fiabilisation par conception» est parachevée par l’élaboration d’une architecture de commande tolérante aux défauts «fiabilisation par la commande» permettant, une fois le convertisseur conçu, d’augmenter sa disponibilité par reconfiguration matérielle ou logicielle (loi de commande). / This PhD thesis work is in the context of electric/hybrid vehicle embedded subsystems electrification. In mechatronic design field, the permanent objectives are costs and delays reducing. To achieve this, there is need of design methodologies and appropriate tools to perform a reliable design approach and leave maximum of risks before making the first prototypes. Embedded mechatronic systems mobilize technological brick keys which include the power electronic converter. Their performances are based on the capacity of the design methodologies to consider the environment multi-disciplinary constraints, the adequacy of the technologies, topologies and control laws. This thesis work shows how we can meet these requirements and needs through the development of multi-physics and multi-level design methodology for multi-level converters (interleaved) predisposed to an easy reconfiguration. This methodology, based on optimization under multi-physics constraints allows systematic choice of optimal architecture and component technologies from manufacturer database. It integrates the reliability aspect in the design since the pre-sizing process in the same level as the other constraints (electric, efficiency, thermal, volume, electromagnetic compatibility). In order take advantages of such interleaved converters, the integration of reliability in the design "reliability by design" is completed by the development of fault tolerant control architecture "reliability by control" which increase the availability by reconfiguring hardware or software (control law) of the designed converter.

Les bases de données répliquées cohérentes à terme récentes encapsulent la complexité de la concurrence et des pannes par le biais d'une interface supportant la cohérence causale, protégeant l'application des problèmes d'ordre, et/ou des Types de Données Répliqués (RDTs), assurant une sémantique convergente des mises-à-jour concurrentes en utilisant une interface objet. Cependant, les algorithmes fiables pour les RDTs et la cohérence causale ont un coût en terme de taille des métadonnées. Cette thèse étudie la conception de tels algorithmes avec une taille de métadonnées minimisée et leurs limites. Notre première contribution est une étude de la complexité des métadonnées des RDTs. Les nombreuses implémentations existantes impliquent un important surcoût en espace de stockage. Nous concevons un ensemble optimisé et un registre RDTs avec un surcoût des métadonnées réduit au nombre de répliques. Nous démontrons également les bornes inférieures de la taille des métadonnées pour six RDTs, prouvant ainsi l'optimalité de quatre implémentations. Notre seconde contribution est le design de SwiftCloud, une base de données répliquée causalement cohérente d'objets RDTs pour les applications côté client. Nous concevons des algorithmes qui supportent un grand nombre de répliques partielles côté client, s'appuyant sur le cloud, tout en étant tolérant aux fautes et avec une faible taille de métadonnées. Nous démontrons comment supporter la disponibilité (y compris la capacité à basculer entre des centre de données lors d'une erreur), la cohérence et le passage à l'échelle (petite taille de métadonnées, parallélisme) au détriment d'un léger retard dans l'actualisation des données. / Eventually consistent replicated databases offer excellent responsiveness and fault-tolerance, but expose applications to the complexity of concurrency andfailures. Recent databases encapsulate these problems behind a stronger interface, supporting causal consistency, which protects the application from orderinganomalies, and/or Replicated Data Types (RDTs), which ensure convergent semantics of concurrent updates using object interface. However, dependable algorithms for RDT and causal consistency come at a cost in metadata size. This thesis studies the design of such algorithms with minimized metadata, and the limits of the design space. Our first contribution is a study of metadata complexity of RDTs. RDTs use metadata to provide rich semantics; many existing RDT implementations incur high overhead in storage space. We design optimized set and register RDTs with metadata overhead reduced to the number of replicas. We also demonstrate metadata lower bounds for six RDTs, thereby proving optimality of four implementations. Our second contribution is the design of SwiftCloud, a replicated causally-consistent RDT object database for client-side applications. We devise algorithms to support high numbers of client-side partial replicas backed by the cloud, in a fault-tolerant manner, with small metadata. We demonstrate how to support availability and consistency, at the expense of some slight data staleness; i.e., our approach trades freshness for scalability (small metadata, parallelism), and availability (ability to fail-over between data centers). We validate our approach with experiments involving thousands of client replicas.

Nous proposons dans cette thèse une nouvelle approche pour l'exploration d’espaces de conception. Plus précisément, nous utilisons la composition de transformations de modèles pour automatiser la production d'alternatives architecturales, et les algorithmes génétiques pour explorer et identifier des alternatives architecturales quasi-optimales. Les transformations de modèles sont des solutions réutilisables et peuvent être intégrées dans des algorithmes génétiques et ainsi être combinées avec des opérateurs génétiques tels que la mutation et le croisement. Grâce à cela, nous pouvons utiliser (ou réutiliser) différentes transformations de modèles implémentant différents patrons de conception sans pour autant modifier l’environnement d’optimisation. En plus de cela, les transformations de modèles peuvent être validées (par rapport aux contraintes structurelles) en amont et ainsi rejeter avant l’exploration les transformations générant des alternatives architecturales incorrectes. Enfin, les transformations de modèles peuvent être chainées entre elles afin de faciliter leur maintenance, leur réutilisabilité et ainsi concevoir des modèles plus détaillés et plus complexes se rapprochant des systèmes industrielles. A noter que l’exploration de chaines de transformations de modèles a été intégrée dans l’environnement d’optimisation. / In this thesis, we propose a new exploration approach to tackle design space exploration problems involving multiple conflicting non functional properties. More precisely, we propose the use of model transformation compositions to automate the production of architectural alternatives, and multiple-objective evolutionary algorithms to identify near-optimal architectural alternatives. Model transformations alternatives are mapped into evolutionary algorithms and combined with genetic operators such as mutation and crossover. Taking advantage of this contribution, we can (re)-use different model transformations, and thus solve different multiple-objective optimization problems. In addition to that, model transformations can be chained together in order to ease their maintainability and re-usability, and thus conceive more detailed and complex systems.

De nos jours, une des stratégies pour améliorer les propriétés des brasures sans plomb est d'introduire en petites quantités certains éléments d'alliage. Dans notre étude, deux nouveaux types de brasures, dénommés Innolot et SAC-Bi et dont l'utilisation dans diverses applications électroniques augmente, sont caractérisées. En particulier, l'effet des éléments Ni, Sb et Bi sur les propriétés mécaniques est analysé. L'étude vise également à évaluer l'influence des facteurs de sollicitation, du vieillissement en température sur la réponse des matériaux et leurs évolutions microstructurales. A cet effet, une machine permettant de réaliser des essais de micro-traction sur éprouvettes miniatures a été conçue et fabriquée. Les sollicitations qu'elle permet d'appliquer sont multiples (traction, cisaillement et cyclage) et des conditions en température et en vitesse de déformation peuvent être imposées lors de l'essai. La fabrication des éprouvettes nécessaires aux essais a également été entreprise dans cette étude afin d'avoir un matériau similaire à celui issu du process industriel et de disposer d'une géométrie adaptée au type de caractérisation souhaitée (éprouvettes massives, à simple recouvrement, etc.).Après ces étapes préparatoires, des tests ont été réalisés sous sollicitations de traction, cisaillement, fluage et fatigue en faisant varier les conditions d'essais. Le premier objectif a été l'identification du comportement des brasures, y compris en prenant en compte l'effet du vieillissement. Ces données ont permis ensuite de réaliser des simulations thermo-mécaniques sur les matériaux utilisés sous forme de joints de brasure dans un module de puissance sous cyclage thermique. Les analyses de microstructure (SEM/EDS et EPMA) faites par la suite ont montré le rôle des éléments d'alliage (Ni, Sb et Bi) sur les performances mécaniques des brasures en termes de résistance, limite élastique et rigidité. Le rôle des facteurs d'essai, comme la température, la vitesse de sollicitation et la durée de vieillissement, a également été mis en évidence au niveau des propriétés obtenues et des changements dans la microstructure. Il a été établi que l'élément Sb permet de favoriser le durcissement par écrouissage des brasures, tandis que l'ajout des éléments Ni et Bi permettent un raffinement de la microstructure. Les essais ont aussi permis d'identifier les 9 paramètres de la loi d'Anand par une procédure numérique s'appuyant sur les données de traction et de cisaillement, permettant ainsi de réaliser des simulations par éléments finis. Ces dernières suggèrent un meilleur comportement à la fatigue pour la brasure Innolot qui bénéficie est effets favorables des additifs. / Nowadays, one of the strategies to improve the reliability of lead-free solder joints is to add minor alloying elements to solders. In this study, new lead-free solders, namely InnoLot and SAC387-Bi, which have begun to come into use in the electronic packaging, were considered to study the effect of Ni, Sb and Bi, as well as that of the testing conditions and isothermal aging, on the mechanical properties and microstructure evolution. A new micro-tensile machine are designed and fabricated, which can do tensile, compressive and cyclic tests with variation of speeds and temperatures, for testing miniature joint and bulk specimens. Additionally, the procedure to fabricate appropriate lap-shear joint and bulk specimens are described in this research. The tests, including shear, tensile, creep and fatigue tests, were conducted by micro-tensile and Instron machine at different test conditions. The first study is to characterize, experimentally, the mechanical behaviors and life time of solder joints submitted to isothermal aging and mechanical tests. The second goal of the project is to perform thermo-mechanical simulations of IGBT under thermal cycling. The experimental results indicate that, with addition of Ni, Sb and Bi in to SAC solder, the stress levels (UTS, yield stress) are improved. Moreover, testing conditions, such as temperature, strain rate, amplitude, aging time, may have substantial effects on the mechanical behavior and the microstructure features of the solder alloys. The enhanced strength and life time of the solders is attribute to the solid hardening effects of Sb in the Sn matrix and the refinement of the microstructure with the addition of Ni and Bi. The nine Anand material parameters are identified by using the data from shear and tensile tests. And then, the obtained values were utilized to analyze the stress-strain response of an IGBT under thermal cycling. The results of simulations represent that the response to thermal cycling of the new solders is better than the reference solder, suggesting that additions of minor elements can enhance the fatigue life of the solder joints. Finally, the SEM/EDS and EPMA analysis of as-cast, as-reflowed as well as fractured specimens were done to observe the effects of these above factors on the microstructure of the solder alloys.

Dans les installations industrielles, des inspections régulières sont planifiées pour évaluer l’état de santé interne des composants. Si des fissures sont révélées, il est souhaitable de savoir si l’exploitation de la structure peut se poursuivre ou si un régime de fonctionnement dégradé pourrait être envisagé. En se basant sur la mécanique élastique linéaire de la rupture, les travaux présentés traitent donc dans le cas de composants fissurés de la dispersion de durée de vie résiduelle relative aux incertitudes sur les paramètres du modèle de prévision. La longueur de fissure initiale, les propriétés du matériau ainsi que les paramètres d’entrée de la loi de Paris ont été considérés comme des variables aléatoires, dont les distributions ont été déterminées expérimentalement puis ajustées par des lois statistiques adéquates. Des contrôles ultrasonores par mesure du temps de vol de l’onde diffractée – Time Of Flight Diffraction (TOFD) en anglais – et des mesures de champs obtenues par corrélation d’images numériques ont été utilisés pour quantifier la propagation d’une fissure dans une éprouvette à défaut soumise à des sollicitations cycliques uniaxiales. Les données expérimentales recueillies ont été utilisées pour initialiser les calculs et valider les résultats numériques. Les distributions de taille de fissure obtenue après un nombre donné de cycles de sollicitation et de nombre de cycles de sollicitation conduisant à une taille définie de fissure ont été obtenues par une méthode de Monte-Carlo appliquée au modèle de prévision. L’ajustement de ces distributions par de lois log-normales a fourni des outils analytiques d’estimation probabiliste de propagation de fissure. Cela a notamment permis la réalisation de cartographies de risques et l’évaluation de l’évolution de la fiabilité du composant étudié. Enfin, les effets d’une actualisation de la connaissance de la longueur de fissure au cours de la vie de ce composant en termes d’incertitude de prévision et d’extension de durée de vie résiduelle prévisionnelle ont été étudiés. En particulier, afin de limiter le coût des campagnes de contrôle non destructifs dans le cas industriel, une stratégie d’optimisation de l’actualisation de cette connaissance basée sur l’étude de fiabilité a été proposée. / In industrial plants, regular inspections are planned to assess the internal state of installations. If some cracks are revealed, it is desirable to know whether the structure can still be used or if a degraded mode of operation should be considered. Starting from a linear elastic fracture mechanics model, the work presented studied the scatter of the remaining life of such cracked parts due to the uncertainties on the parameters of the prediction model. Initial crack size, material properties and input parameters of Paris’ law have been considered as random variables and their distributions have been experimentally identified and fitted with convenient statistical laws. Time Of Flight Diffraction (TOFD) and field measurement technique based on Digital Image Correlation (DIC) were used to monitor the crack propagation initiated from a notch introduced in specimen submitted to uniaxial cyclic loading. Experimental crack length results were used to initiate computations and as a mean to validate numerical results. Both the crack lengths distributions resulting from the application of loading cycles and the distribution of the number of cycles leading to a given crack length were obtained from a Monte-Carlo method applied to the prediction model. The fit of these distributions with log-normal laws provided analytical tools to assess probabilistic crack propagation. It allowed for risk mapping and for the evaluation of the studied component’s reliability evolution. Last, the effects of an actualisation of crack length knowledge along the life of this component in terms of assessment uncertainty and predicted residual life extension has been studied. Especially, to limit the cost of non-destructive techniques inspection in industrial cases, a reliability-based strategy has been proposed for the optimisation of the crack knowledge actualisation.