Dans le domaine des applications avioniques, des dispositifs d'électronique de puissance sont susceptible d'être placés sur le réacteur avec, dans le pire des cas, une température ambiante de 200°C et des cycles thermiques compris entre -55°C et 200°C.<br /><br /> La première partie de cette étude présente les caractérisations électriques de composants à semi-conducteur, afin de justifier le choix des diodes Schottky SiC et de transistor CoolMOS Si pour une utilisation à haute température. Ces composants sont alors intégrés dans un véhicule de test (module de puissance) adaptée à une localisation sur le réacteur. L'objectif est d'évaluer les performances électriques des éléments actifs à haute température, et la technologie d'assemblage par brasure des substrats céramiques sur une semelle AlSiC. En complément d'une campagne expérimentale, s'appuyant sur un cyclage thermique de grande amplitude, une évaluation numérique des sollicitations dans l'assemblage permettra de mieux comprendre les mécanismes de défaillances et les moyens permettant d'augmenter la durée de vie des modules de puissance dans ces conditions d'utilisation.<br /><br /> Afin de trouver des solutions d'intégration et de chercher à améliorer la durée de vie des assemblages, la dernière partie de cette étude présente les résultats expérimentaux, dans des conditions tout aussi sévères, pour de nouveaux véhicules de test, sans élément actif, composés de substrats céramiques de technologie différente. Les produits testés comportent des céramique AlN et Al2O3 dont les métallisations, avec ou sans dimples, présentent des géométries différentes. Nous évaluerons également, des substrats de technologie AMB avec des solutions DAB et Si3N4. Finalement, une nouvelle étude numérique est réalisée sous ANSYS dans le but d'estimer l'influence ce des substrats céramiques sur la durée de vie de l'assemblage. Finalement, nous tenterons de proposer des règles de conception permettant d'augmenter la durée de vie des assemblages de puissance.

Nous proposons une méthodologie pour l'analyse de la sûreté de fonctionnement d'un middleware, ou intergiciel, et caractériser son comportement en présence de fautes. Notre méthode est basée sur une analyse structurelle des intergiciels de communication, sur l'élaboration d'un modèle de fautes, une classification des modes de défaillance, et le développement d'un ensemble de techniques d'injection de faute adaptées à l'intergiciel. Nous avons validé notre approche en menant des campagnes d'injection de faute ciblant plusieurs implantations de la norme CORBA, et obtenu des mesures quantitatives de la robustesse des différents candidats testés. Nos travaux permettent à des intégrateurs de systèmes répartis critiques d'obtenir des assurances sur la robustesse des composants intergiciels qu'ils placent au coeur de leurs systèmes, et aux développeurs d'intergiciel d'obtenir des informations sur des points faibles de leurs produits.

L’industrie des transports aéronautique et terrestre voit une augmentation constante de l’électrification de ses fonctions. Les actionneurs mécaniques ou hydrauliques sont au fil des évolutions technologiques remplacés par des actionneurs électriques.Les composants qui dominent le marché actuellement ne semblent plus capables de suivre la tendance. En effet, les composants de puissance à base de silicium règnent toujours sur le marché actuel, grâce à leur faible coût. Ce matériau commence par contre à atteindre ses limites théoriques en termes de performances. Dans ce contexte, différentes structures en semi-conducteurs à large bande interdite sont en train d’émerger afin de succéder au silicium.Cette étude a pour objectif d’évaluer la fiabilité des transistors de puissance à base de Nitrure de Gallium. Ces composants semblent être très prometteurs pour des applications moyennes puissances. Cependant, les mécanismes de défaillance dont peuvent souffrir ces composants ne sont pas encore suffisamment étudiés. L’étude consiste en l’application de vieillissements alliant contraintes thermiques et électriques. Ces vieillissements sont effectués à différentes conditions de tension et de température. L’objectif de cette méthode est, dans un premier temps, d’isoler l’effet de chaque facteur de stress sur l’état des composants, et dans un second temps, d’identifier les mécanismes de défaillances activés en fonction des conditions de vieillissement.Ce travail a permis d’identifier l’existence de différents mécanismes de défaillance pouvant être activés selon les conditions de vieillissement. En effet, il est apparu que la gamme de température de vieillissement utilisée influe grandement sur la prédominance des mécanismes de défaillance activés. Les résultats obtenus remettent en question les normes de qualification actuellement appliquées aux composants en Nitrure de Gallium. Ces normes devraient revoir à la hausse les températures de vieillissement utilisées afin de couvrir des gammes plus proches des températures d’utilisation pour ce type de composants. / The aeronautical and terrestrial transport industries know a steady increase in the electrification of their functions. In fact, the mechanical or hydraulic actuators are gradually replaced by electric ones.The components dominating the market today seem unable to follow the trend anymore. In fact, silicon-based power components still prevail in the current market, thanks to their low cost. However, this material begins to reach its theoretical limits in terms of performance. In this context, different wide bandgap semiconductor structures are emerging to take on from silicon.The aim of this study is to assess the reliability of power transistors based on Gallium Nitride. These components are very promising for medium power applications. However, the failure mechanisms of these components are not yet sufficiently studied. The study consists in the application of aging tests combining thermal and electrical stresses. These agings are carried out under different conditions of tension and temperature. The objective of this method is, firstly, to isolate the effect of each stressor on the state of the components, and secondly, to identify the failure mechanisms activated according to the aging conditions.This work made it possible to identify the existence of different failure mechanisms that can be activated according to the aging conditions. Indeed, it has emerged that the aging temperature range used influences the predominance of activated failure mechanisms. The results challenge the adequacy of current qualification standards for Gallium Nitride components. These standards should revise upwards the aging temperatures used to cover ranges closer to the operating temperatures of this kind of components.

Les transistors IGBT sont les composants semi-conducteurs de puissance les plus couramment utilisés dans les fonctions de l'électronique de puissance. Ils sont fréquemment assemblés dans des modules contenant plusieurs puces et réalisant l'interconnexion à la fois électrique et thermique avec l'environnement. Dans de nombreuses applications, ces modules sont soumis à un cyclage thermique actif généré par les variations du régime de fonctionnement du système. Ceci est à l'origine de différentes dégradations d'origine thermomécaniques pouvant mener à la défaillance. Les tests de vieillissement sont l'un des moyens permettant de mieux comprendre les mécanismes de dégradations en imposant des conditions de stress connues mais également de construire des modèles de fiabilité comportementaux utiles dans l'estimation de durée de vie des systèmes.Le présent travail décrit la mise en œuvre d'une méthode de test originale destinée à des modules IGBT de la gamme 600V-200A et basée sur l'utilisation d'onduleurs fonctionnant en modulation de largeur d'impulsion. Elle exploite la variation de température de jonction provoquée par cette modulation pour générer un cyclage thermique d'une fréquence très supérieure (2Hz à 10Hz) à celles habituellement utilisées pour ce type de test. Ceci permet de réduire considérablement la durée de ces tests et d'accéder à des gammes basses de l'amplitude des cycles thermiques.Les essais de vieillissement imposent de suivre l'évolution de paramètres indicateurs afin d'estimer régulièrement l'état des composants testés et d'appliquer des conditions d'arrêt. Le paramètre utilisé dans le présent travail est la tension VCE des IGBT, qui est un bon révélateur de l'état des fils de bondings, maillons faibles de ces modules. En complément du développement de la méthode de cyclage proprement-dite, un dispositif de suivi automatique du paramètre VCE a été développé afin de limiter la durée des phases de caractérisations correspondantes. Ce dispositif permet également de mesurer la température de jonction de façon indirecte et de reconstruire le profil de température dynamique pendant le cyclage.Cet ensemble a permis d'obtenir des résultats exploitables sur une trentaine d'échantillons avec des amplitudes de cycle comprises entre 30°C et 50°C. Ils mettent en évidence un seul type de dégradation, la fissuration des attaches entre les fils de bonding et la métallisation d'émetteur avec, dans certains cas, le décollement complet du fil (lift-off). Des essais à différentes fréquences de cyclage pour la même amplitude ont été réalisés sur un groupe de ces échantillons. Si le nombre d'échantillons consacrés à comparaison n'est pas encore réellement suffisant, les résultats obtenus sont similaires et semblent donc démontrer que la fréquence de test n'impacte pas le mode de vieillissement dans la gamme de température étudiée. Cette observation est une première validation de la pertinence de la méthode proposée qui permet de réduire d'un facteur cinq à dix les durées de test. / IGBT transistors are the most used power semiconductor devices in power electronics and are often integrated in power modules to constitute basic switching functions. In various applications, IGBT power modules suffer thermal cycling (or power cycling) due to variations of operating conditions. This power cycling induces thermo mechanical stress that can lead to damages and then, to failures. Ageing tests are a means to identify and analyze the degradation mechanisms due to power cycling by imposing calibrated test conditions. In addition, their results can be used to establish empiric lifetime models that are useful for power converter designers.The present work describes the implementation of an ageing test method dedicated to IGBT modules operating in the 600V-200A range. This method takes advantage of particular operating conditions generated by pulse width modulation inverters in which the IGBT modules to be tested are introduced. The modulation induces a variation of IGBT die temperature, i.e. a power cycling, of which the frequency is significantly higher (2Hz to 10Hz) than the operating frequencies of classical test systems. By using this technique, the test length is reduced while low values of thermal amplitude can be reached.Throughout the ageing tests, the monitoring of ageing indicators is required to evaluate the sample health and to stop the operation when predefined conditions are reached. In the present work, the ageing indicator is the on-state voltage VCE across the IGBT device that is relevant in regard with wire bond degradations. Therefore, as a complement of the fast test method, an automated VCE monitoring system has been developed in order to fully take benefit of the high test-speed. In addition, this system is able to measure the junction temperature and to provide the temperature profile during the power cycling.This test bench has made possible the ageing process of three dozen of samples by applying thermal swing amplitudes in the 30°C-50°C range, that is not reachable with classical test benches operating in low frequency because of the unacceptable test length. The results show that only one kind of damage is generated by the present test conditions, i.e. the degradation of attaches between the emitter metallization and the wire bonds. In many case, complete lift-off have been observed. Some samples have been used to evaluate the influence of thermal swing frequency on the results. The latter are unchanged when the frequency varies between 2Hz and 0.2Hz, therefore it is a first validation of the fast test relevance.

Les composants de puissance à base de GaN sont connus par l’instabilité de leurs caractéristiques électriques, en particulier la tension de seuil et la résistance à l'état passant. Cela est dû aux effets des mécanismes de piégeage/de-piégeage des charges dans la structure. Le travail présenté dans ce mémoire se compose de deux grandes parties. Dans un premier temps, nous mettons en évidence l’effet d’un certain nombre de paramètres de commutation sur l'évolution de la résistance dynamique avec des cycles de commutation successifs. Nous analysons, en particulier, l’effet de la tension au blocage, la fréquence de commutation et la température sur l'évolution de la résistance dynamique. Dans un deuxième temps, nous présentons les résultats des essais de cyclage de puissance effectués en utilisant 80K de variation de température de jonction sur des puces de puissance MOS-HEMT Al2O3/AlGaN/GaN Normally-On. Ensuite, nous réalisons des caractérisations de pièges, basées sur des analyses de mesures de courants transitoires pendant le processus de vieillissement. Les résultats montrent qu’une dégradation irréversible affecte la tension de seuil avec une dérive vers des valeurs négatives. Ces dérives sont principalement attribuables au piégeage cumulatif avec des cycles de puissance, probablement induits par des électrons chauds, d’une manière progressive et non récupérable. / Power components based on GaN are known by the instability of their electrical characteristics, in particular the threshold voltage and the on-state resistance. This is due to the effects of trapping/de-trapping mechanisms in the structure. The work presented in this memoir consists of two main parts. At the first step, we highlight the effect of a number of switching parameters on the evolution of the dynamic resistance with successive switching cycles. In particular, we analyze the effect of blocking voltage, switching frequency and temperature on the evolution of dynamic resistance. In a second step, we present the results of power cycling tests performed using 80K of junction temperature swing on Normally-ON Al2O3/AlGaN/GaN MOS-HEMTs. Then, we perform trap characterizations, based on the analyses of transient current measurements, during the aging process. The results show that irreversible degradation affects threshold voltage with drift to negative values. These drifts were mainly attributed to cumulative trapping with power cycles, probably induced by hot electrons, in a progressive and non-recoverable way.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude de la fatigue thermomécanique de modules IGBT onduleurs intégrés de puissance 600V-200A destinés à des applications de traction automobile électrique et hybride. Nous avons cherché à évaluer la tenue de ces modules aux contraintes de cyclages (actif et passif) sous températures ambiantes élevées. <br />Ainsi, la première partie de cette thèse présente les tests expérimentaux réalisés en cyclage actif durant lesquels nous avons cherché à évaluer la tenue des modules IGBT (600V-200A) fonctionnant à différentes températures ambiantes (température de semelle) et différentes températures de jonction (température des puces). Afin de chercher à comprendre les mécanismes physiques mis en jeu dans la dégradation de l'assemblage, les essais ont été arrêtés rapidement dès lors qu'un indicateur de défaillance laissait supposer une initiation de processus de dégradation.<br />Dans la deuxième partie, nous nous sommes focalisés sur la tenue des brasures substrat/semelle dans des conditions de cycles thermiques passifs. Sachant qu'habituellement le facteur d'accélération retenu pour le vieillissement de ces brasures est l'amplitude des cycles thermiques, nous avons cherché dans cette partie à évaluer non seulement l'effet de l'amplitude des cycles thermiques mais aussi les niveaux des paliers haut et bas sur l'initiation des fissures dans ces brasures et leurs propagation au cours du cyclage. <br />Enfin, pour comprendre et analyser le comportement de la brasure et de l'assemblage sous les contraintes de cycles thermiques, une étude par simulation numérique est présentée dans la dernière partie. Une étude numérique effectuée sous des conditions de température similaires à celles imposées dans la partie expérimentale a permis de localiser et d'évaluer les contraintes thermomécaniques que subissent les éléments de l'assemblage. Surtout, nous donnons des éléments de réponse permettant d'établir un lien entre les paramètres thermiques du cyclage passif et les grandeurs physiques qui sont influent sur la durée de vie des brasures. Enfin, cette partie se termine sur une étude numérique dans laquelle nous avons cherché à simuler l'effet combiné des cyclages actifs et passifs sur les contraintes mécaniques au sein des modules IGBT afin de rendre compte des contraintes imposées aux modules dans une application réelle.