Thesis (M.S.)--University of Wisconsin--Madison, 1967. / eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references.

L’électronique de puissance est un domaine en mutation. Les environnements et les conditions de fonctionnement des modules de puissance sont de plus en plus sévères : hautes températures, tension et courant élevés. De plus, le frittage d’argent a été introduit dans les modules, en remplacement des joints brasés principalement composés de plomb. C’est la combinaison de ces évolutions qui ont motivés nos travaux. Dans l’objectif d’améliorer la conception des modules de puissance, ces travaux proposent d’augmenter la dissipation des modules grâce aux structures verticales-3D. Un onduleur triphasé vertical-3D a été conçut avec des puces Si reportées par frittage d’argent. Des caractérisations électriques et thermiques ont été réalisées et ont permis de montrer l’apport de cette technologie. Cette étude est couplée à des simulations numériques thermiques et électrostatiques permettant de mettre en lumière les enjeux de cette méthode d’assemblage. / Power electronics is a changing field. The environments and operating conditions of power modules are more severe: higher temperature, higher voltage and higher current. In addition, silver sintering was introduced in power modules to replace solders composed by lead. The combinations of these developments have motivated our work. In order to improve the design of the power modules our researches purpose to increase the dissipation of power modules with a3D-vertical structure. A three-phase inverter with3D-vertical structure has been designed with a Si dice sintered. Thermal and electrical characterizations were performed and allowed to show the contribution of this technology. This study is coupled to thermal and electrostatic Finite Element Method simulations to highlight and improve the possible issues of this assembly.

This thesis presents the development of a double-side cooled 3.3 kV, 100 A SiC MOSFET phase-leg power module for heavy-duty traction applications. Parasitic extraction and thermal simulations of the module showed a parasitic inductance of 2.89 nH and junction temperature of 108.3 °C at a heat flux of 156 W/cm² under a typical water-cooling condition. Electric field simulations identified high electric field stress at the module's outer surface edges exposed to air, posing a risk for partial discharge. To mitigate this risk, a solution that involves covering the critical point in an epoxy was proposed, analyzed, and validated through partial discharge inception voltage tests. Steps for fabricating the module are presented. Static electrical characterization of the fabricated module showed an average on-resistance of 31 mΩ and an average leakage current of 356 nA at VDS of 3 kV, which are similar to those of the unpackaged devices. The module with a double-side cooling design achieved an exceptional power density of 116.6 kW/cm³, more than twice that of any single-side cooled 3.3 kV SiC module. This makes it highly suitable for next-generation electric transportation systems that require high power density and efficient thermal management, such as electric trucks, railways, and eVTOL aircraft. / Master of Science / This thesis presents the development of a highly efficient and compact power module designed for electric vehicles and other high power applications. By utilizing advanced silicon carbide technology and double-side cooling structure, the module achieves outstanding performance, making it ideal for heavy-duty uses such as electric trucks, railways, and eVTOL aircraft. The module operates at 3.3 kV and 100 A, with low electrical losses and excellent thermal management. Extensive simulations and testing demonstrated that the module significantly reduced unwanted electrical effects and maintained a stable temperature under high power conditions. An epoxy coating was applied to critical areas to prevent electrical discharge, enhancing the module's reliability. The fabrication process incorporated packaging techniques like silver-sintering for attaching the semiconductor chips and other components, resulting in strong and reliable connections. Static tests confirmed that the electrical performance of the packaged power module maintained consistently high efficiency compared with the bare chips. Overall, this double-side cooled power module offers more than twice the power density of traditional designs, paving the way for the development of future electric vehicle traction systems that require high power density and efficient cooling.

L’introduction des composants grand gap dans le domaine de l’électronique de puissance requiert une optimisation de son environnement (packaging). En effet, les températures auxquelles peuvent être utilisés ce type de composants sont bien souvent plus grandes que celles supportables par le reste du module. De nouvelles techniques d’assemblage sont à l’étude et notamment certaines à base de frittage d’argent. Ces procédés présentent l’avantage de réaliser l’assemblage à une température modérée (similaire à celle d’une brasure), mais toutefois inférieure à celle de fusion de l’argent. La température de fusion du joint d’attache reste celle du matériau massif (plus de 900°C pour l’argent). Cette technique permet donc de réaliser des attaches pouvant fonctionner à très haute température. Ce travail de thèse a porté sur la mise en oeuvre d’une attache de puce par frittage d’argent. Après une étude des paramètres du procédé permettant d’obtenir la meilleure tenue mécanique (cisaillement), nous avons mis en évidence l’effet prépondérant de la finition des pièces à joindre. Lorsque la finition du substrat est de l’argent, aucun problème d’interface n’est observé et les assemblages sont fiables à t0 et en vieillissement. Généralement, la finition standard pour l’électronique de puissance est constituée d’une couche de nickel et d’or. Pour cette finition, le mécanisme semble différent selon l’épaisseur d’or présente sur le substrat ainsi que l’atmosphère utilisée pour le traitement thermique ou encore la charge appliquée. Globalement, plus l’épaisseur d’or est importante, moindre est l’accroche. Ce comportement semble fortement lié à la diffusion extrêmement rapide de l’argent en surface de l’or (et dans l’or). Cette diffusion a pour conséquence la formation d’une couche de solution solide or-argent. Cette couche a pour source de matière les grains d’argent qui permettent l’adhérence du joint d’argent fritté sur le substrat. Lorsque le volume d’or disponible pour la formation de cette couche est grand, la croissance de celle-ci est favorisée (en termes de surface et d’épaisseur). Cette croissance engendre une consommation des « piliers » d’argent et donc un affaiblissement de l’attache. L’application de pression semble augmenter fortement la concentration de piliers et améliore les résultats, tandis que sous azote, la diffusion de l’argent en surface de l’or semble inhibée, permettant l’obtention de bons résultats (à t0 et après cyclage). Ces résultats ont été mis en pratique pour la réalisation de plusieurs prototypes, dont l’un a été testé électriquement et ce de façon fonctionnelle à plus de 300°C. / Use of wide band gap chip in the power electronic industry requires an optimization of the close environment (packaging). Indeed, the can often sustain lower temperature than the die, especially the solder that are used to bond the parts of the module. Consequently, new bonding methods are investigated to enhance the performance of the packages. Silver sintering bonding technique is one the most promising. This method allow to bond parts at moderate temperature and the formed joint to operate at very high temperature (until the melting point of silver). This work is focused on the development of this bonding technique in the case of bonding a dies on a substrate. A study of the influence of the different parameters on the strength of the formed bond has been done. It revealed a major influence of the finishes of the bonded parts. Bonding on silver finished substrate results in good mechanical strength of the bond even after ageing. Furthermore, no interface issues are observed. However, the most used finish for power electronic is not silver but nickel-gold. Regarding this type of finish, the bond quality depends on the gold thickness, sintering profile and also sintering atmosphere. A solid solution of silver and gold seems to develop on the surface of the substrate, decreasing the section of the silver grains in contact with the substrate. Thus the mechanical strength of the assembly is decreased. This effect should be limited by the gold available for the Au-Ag solid solution growth. When sintering under nitrogen, the diffusion of silver on the gold surface is much lower than under air. Good results have been obtained with these configurations and even after ageing. Adding pressure during the thermal treatment seems also to minimize the phenomenon, probably by increasing the number of silver grains in contact with the substrate surface and so reducing the free surface for Au-Ag layer formation. Those results have been used to build prototypes, one of whom has been electrically tested with success at temperatures up to 300°C.

Le principal défi auquel sont confrontés aujourd'hui les équipementiers aéronautiques est d'augmenter l'utilisation des systèmes électriques à bord de l'avion. De nos jours, le remplacement des systèmes hydrauliques par des actionneurs électriques conduit à placer les systèmes électriques dans un environnement hostile, par exemple dans la nacelle du moteur. L'équipement est soumis à des contraintes sévères telles que des températures élevées et basses, un cycle thermique étendu, une humidité élevée et une basse pression. En conséquence, des efforts doivent être faits pour réduire le poids et le volume du convertisseur de puissance sans perdre ses performances. Pour atteindre cet objectif, la conception de modules de puissance doit permettre un haut niveau d'intégration, d'efficacité et de fiabilité. On s’intéresse en particulier aux dommages causés par la fatigue qui ont une influence significative sur les performances électriques de ces modules. Les tests de performance liés à la fatigue restent des efforts coûteux pour l'équipement aéronautique. Un nombre fini de tests destructifs, par vieillissement accéléré, peut être effectué pour un nombre assez faible de configurations. Le but de ces tests est d'étudier les modes de défaillance apparaissant lors du vieillissement accéléré. Par conséquent, des simulations numériques ont été envisagées, facilement évolutives et utilisables pour un grand nombre de configurations, mais nécessitant des données d'essais expérimentaux. Dans ce manuscrit, quelques modes de défaillances sont étudiés. On propose une méthode numérique intégrant les contraintes principales dans les équipements, à savoir la simulation électrique, thermique et mécanique. Ces trois problèmes physiques ont des temps caractéristiques différents et sont fortement couplés avec un comportement non trivial. Pour optimiser l'utilisation des ressources et avoir une représentation pertinente du problème, un procédé couplé électrique 1D / thermique 3D / mécanique 3D a été implémenté sur un bus de cosimulation. Différents pas de temps, différents niveaux d'abstraction et différentes compétences sont utilisés pour fournir un modèle multiphysique de modules de puissance. / Today’s main challenge for aeronautical equipment manufacturers is to respond to the more electrical aircraft regulations. Moreover, there are many applications in aircraft area where high temperature technologies are needed. Nowadays, the replacement of hydraulic systems for electric ones leads to place the power inverters in a harsh environment, for example in the engine nacelle. The equipment is under high constraints such as high and low temperatures, wide temperature cycling, high humidity and low pressure. Combined to these environmental constraints, the new aircraft system is submitted to weight and operating cost reduction. As a consequence, efforts shall be done to reduce weight and volume of the power converter without losing its performance. To reach such a goal, the design of the converter must enable a high level of integration, efficiency and reliability. In particular, fatigue damage has a significant influence on such modules electrical power performance. And fatigue-related performance testing remains a costly endeavor for aeronautical equipment. A finite number of destructive tests can be carried out in specific facilities for a fairly low number of configurations. The purpose of these destructive tests is to investigate the failure modes appearing regarding this accelerated ageing. Therefore numerical simulations have been envisaged since non-destructive, easily evolving and usable for a high number of configurations, though needing data from experimental assays. In this study, we propose a method dealing with the main constraints for such equipment, i.e. electrical, thermal and mechanical simulation. Those three physical problems have different characteristic time and are strongly coupled with a non-trivial behavior. To optimize the resources usage and have a relevant representation of the problem, a 1D electrical / 3D thermal / 3D mechanical coupled method has been implemented over a co-simulation bus. Different time steps, different abstraction levels and different skills are used to provide predictions of the multiphysical fatigue behavior of power modules.

Le silicium a atteint sa limite d’utilisation dans de nombreux domaines tels que l’aéronautique. Un verrou concerne la conception de composants de puissance pouvant fonctionner en haute température et/ou en haute tension. Le recours à des matériaux à large bande interdite tels que le carbure de Silicium (SiC) apporte en partie une solution pour répondre à ces besoins. Le packaging doit être adapté à ces nouveaux types de composants et nouveaux environnements de fonctionnement. Or, il s’avère que l’intégration planaire (2D), composé de fils de câblage et de report de composants par brasure, ne peut plus répondre à ces attentes. Cette thèse a pour objectif de développer un module de puissance tridimensionnel pour la haute température de type bras d’onduleur destiné à l’aéronautique. Une nouvelle structure 3D originale constituée de deux puces en carbure de silicium, d’attaches par frittage d’argent et d’une encapsulation par du parylène HT a été mise au point. Ses différents éléments constitutifs, les raisons de leur choix, ainsi que la réalisation pratique de la structure sont présentés dans ce manuscrit. Nous nous intéressons ensuite à un mode de défaillance particulier aux attaches d’argent fritté : La migration d’argent. Une étude expérimentale permet de définir les conditions de déclenchement de cette défaillance. Elle est prolongée et analysée par des simulations numériques. / Silicon has reached its usage limit in many areas such as aeronautics. One of the challenges is the design of power components operable in high temperature and/or high voltage. The use of wide bandgap materials such as silicon carbide (SiC) provides in part a solution to meet these requirements. The packaging must be adapted to these new types of components and new operating environnement. However, it appears that the planar integration (2D), consisting of wire-bonding and soldered components-attach, can not meet these expectations. This thesis aims to develop a three dimensional power module for the high temperature aeronautics applications. A new original 3D structure made of two silicon carbide dies, silver-sintered die-attaches and an encapsulation by parylene HT has been developed. Its various constituting elements, the reason for their choice, and the pratical realization of the structure are presented in this manuscript. Then, we focus on a failure mode specific to silver-sintered attaches : The silver migration. An experimental study allows to define the triggering conditions of this failure. It is extended and analyzed by numerical simulations.

La majeure partie des équipements électroniques qui nous entourent fonctionne dans des environnements plutôt cléments où les variations thermiques sont d’amplitudes faibles à modérées. En aéronautique, l’utilisation d’équipements fonctionnant dans des milieux beaucoup plus hostiles que les environnements traditionnellement rencontrés en électronique pourrait permettre d’améliorer considérablement les performances des aéronefs, notamment en terme de poids, de consommation de carburant et de coût de maintenance. Toutefois, l’utilisation d’assemblages électroniques « classiques » dans des environnements où les variations thermiques sont fortes pose des problèmes techniques majeurs : les hautes températures peuvent faire fondre les alliages de brasure courants et la fatigue thermomécanique peut très rapidement provoquer la défaillance des assemblages. Pour pallier ces problèmes, les composants électroniques peuvent être reportés par frittage d’argent dans les circuits. En effet, cette technologie d’assemblage permet de remplacer les brasures usuelles par un matériau ayant un point de fusion nettement plus élevé : l’argent pur (Tfus=962°C). Cependant, le frittage a tendance à produire des matériaux poreux et la porosité peut avoir un effet néfaste sur le vieillissement des joints d’attache des composants électroniques. Par conséquent, dans cette thèse, les liens existant entre profil thermique de frittage et porosité ainsi que ceux existant entre porosité et résistance aux cycles thermiques (-65°C/+200°C) ont été étudiés. Par ailleurs, la question des interactions métallurgiques pouvant se produire à hautes températures entre l’argent fritté et certaines métallisations usuelles de composants et de substrats a également été abordée. / Most of usual electronic devices operate in environments where the amplitude of temperature changes is limited. The use of electronic equipment operating in harsh environments in aircrafts could however improve their performances, especially their weight, their gas consumption and their cost of maintenance. Unfortunately the use of classical electronic assembly technologies in environments where wide amplitude thermal variations take place raises major technical issues: the high temperatures reached in some parts of aircrafts can melt usual brazing materials and thermomechanical fatigue can induce early failure of the assemblies. To prevent these problems from happening, electronic components can be attached using silver sintering. One of the strengths of this technology is that it allows the replacement of traditional brazing material by a high melting point material: pure silver (Tm=962°C). Silver sintering nevertheless leads to a porous material and porosity can have a negative impact on the ageing of the attachment joints of electronic components. One of the goals of this PhD thesis is therefore to study the link between the sintering temperature profile and the porosity of silver. Furthermore the impact of different rates of porosity on the mechanical behavior of silver has been assessed. These investigations have mainly been focused on the fatigue behavior of porous silver electrical junctions under thermal cycling (-65°C/+200 °C). The question of the metallurgical interactions that may exist at high temperatures between silver and some of the usual metallization of components and/or substrates has lastly been addressed.

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.

Quenching and partitioning (Q&P) steels show a good balance between strength and ductility due to a special heat treatment that allows to adjust a microstructure of martensite with a fraction of stabilized retained austenite. The final heat treatment step is performed at low temperatures. Therefore, joining of Q&P steels is a big challenge. On the one hand, a low joining temperature is necessary in order not to influence the adjusted microstructure; on the other hand, high joint strengths are required. In this study, joining of Q&P steels with Ag nanoparticles is investigated. Due to the nano-effect, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures with nanoparticles, which meets the contradictory requirements for joining of Q&P steels. In addition to the Ag nanoparticles, activating materials (SnAg and Sn) are used at the interface to achieve an improved bonding to the steel substrate. The results show that the activating materials play an important role in the successful formation of joints. Only with the activating materials, can joints be produced. Due to the low joining temperature (max. 237 °C), the microstructure of the Q&P steel is hardly influenced.