Dégradations et défauts de l’IGBT modes de défaillance d’une cellule de
2.9 Conclusion du chapitre
Ce chapitre a été consacré à l’étude des modes de dégradation et de vieillissement des modules IGBT. Durant ce chapitre, nous avons passé en revue les différentes technologies utilisées pour la conception des puces IGBT des deux modules que nous allons utiliser pour nos essais de fiabilité. Ces modules sont :
- Module Mitsubishi CM75DU-12F (600V, 75A pour une température de boîtier de 25°C) à structure PT (Punch Trough) et trench gate (grille en tranchée) (annexe 1),
- Module Eupec BSM 50 GB 60 DLC (600V, 50A pour une température de boîtier de 85°C) à structure NPT (Non Punch Trough) et grille planaire (annexe 2).
L’utilisation de ces différentes structures entraîne des comportements légèrement différents entre ces deux types de modules, notamment au niveau de la répartition des pertes et du comportement en court- circuit.
Ensuite, une présentation non exhaustive des différents procédés employés dans la fabrication de ces modules IGBT (de la conception des puces à la réalisation du packaging) nous a permis d’identifier l’origine et la nature des défauts induits par ces derniers. Ces défauts peuvent être de différentes natures : impuretés chimiques inclues dans le cristal de silicium (résidus de dissolution par exemple), micro-fissures dues aux contraintes appliquées sur le barreau de silicium lors des différentes phases de fabrication… Ces défauts, selon la qualité de la chaîne de production des modules, peuvent être la source de défaillances “précoces” (défaut de jeunesse). Selon l’importance de ces défauts (distribution en taille et en nombre), ils peuvent, peut-être avoir un impact sur la fiabilité du composant. Dans ce cas là, on parle de dégradation au sein du composant.
Ensuite, nous avons défini quelles sont les contraintes électriques appliquées aux puces semi- conductrices utilisées dans une cellule de commutation, en fonctionnement de type onduleur de tension. Ces contraintes sont maximales lors des phases d’amorçage et de blocage du transistor IGBT. De là, nous avons défini de manière qualitative quelles sont les limites entre le régime de fonctionnement normal (celui dans lequel nous désirons rester, vis-à-vis de notre stratégie pour les essais de fiabilité) et le régime extrême (avalanche électronique, avalanche thermo-électronique, Latch-up…). Ces limites nous imposent de
Tension collecteur- émetteur Courant collecteur
Tension de grille
restreindre les contraintes à appliquer aux composants que nous allons utiliser (température, tension, courant…).
A partir de la définition des contraintes et de la technologie des composants, nous avons pu faire un état de l’art sur les modes de dégradation et de vieillissement subis par un module IGBT au cours de son fonctionnement. Ces dégradations peuvent être dues à l’utilisation qui est faite du composant. Par exemple dans le cas du cyclage thermique, les contraintes thermomécaniques génèrent une délamination des puces, un décollement des bondings…Mais ces dégradations peuvent être liées à l’environnement du composant (rayonnement cosmique, corrosion…). Dans le cadre de nos essais de fiabilité, certains modes de dégradation ou de vieillissement ne seront pas activés. Typiquement, en travaillant à température constante sur les puces et le packaging, le cyclage thermique n’interviendra pas.
Le même type d’études a été mené sur les condensateurs électrolytiques utilisés et étudiés au cours de nos essais. Les connaissances concernant le vieillissement de ce type de composants sont plus importantes et donc il est possible, à partir de cet état de l’art, de définir exactement les mécanismes de vieillissement et les indicateurs à suivre au cours du fonctionnement de ces condensateurs. Ces indicateurs sont : l’augmentation de la résistance série (ESR), la diminution de la capacité et du poids du condensateur. Ces paramètres sont liés à la diminution de la quantité l’électrolyte présente dans le condensateur.
L’étude de tous ces modes de dégradation et de vieillissement nous a permis de définir tous les modes de défaillance qui peuvent survenir au sein de la cellule de commutation, vecteur de test pour nos essais de fiabilité. A partir de l’analyse de ces modes de défaillance, il a été possible de définir et de dimensionner les différentes protections à mettre en œuvre. Ces protections concernent la détection et la coupure sûre des court-circuits de type I et II (cf. AMDEC de la cellule de commutation). Une phase de dimensionnement importante a été nécessaire dans le cas de la coupure d’un court-circuit de type II (mode de défaillance le plus probable au sein de la cellule de commutation). Ce dimensionnement a nécessité, entre autres, une phase de simulation à l’aide de modèles fins de composants. Dans tous les cas, des essais expérimentaux de court- circuit sur un banc dédié nous ont permis de valider le dimensionnement des protections. A partir de ce dimensionnement, nous avons pu déterminer la tension d’alimentation maximale à appliquer aux cellules de commutation, afin de ne jamais dépasser, aux bornes des puces IGBT, la tension spécifiée par le constructeur de ces modules (600V). D’ores et déjà, il est possible de fixer quelques paramètres que nous adopterons pour nos essais de fiabilité :
Tension maximale d’alimentation 450 V Résistance de grille à
l’amorçage 12 Ω Courant maximal traversant les composants de
puissance 50 A
Résistance de grille au
blocage 39 Ω
Tableau II.9 : paramètres d’ores et déjà fixés pour les essais de fiabilité
Une fois les protections mises en place, nous avons pu développer un driver “complet” pour commander un module IGBT (deux transistors sur le même bras). Il constitue le premier élément du convertisseur statique que nous avons mis en œuvre pour mener nos essais de fiabilité, en accord avec la stratégie définie au début de ce chapitre. La conception et le dimensionnement de ce convertisseur sont présentés dans le chapitre suivant.