Défaillances de l’assemblage d’un module de puissance

Figure I. 9 : Illustrations des tensions parasites appliquées en présence du temps mort.

3.2. Défaillances de l’assemblage d’un module de

puissance

Les modules I.G.B.T. sont le siège des mécanismes de dégradation et de vieillissement ayant des origines fonctionnelles ou environnementales. Plusieurs travaux ont été menés pour déterminer les modes de défaillances, leurs causes, leur criticités ainsi que les mécanismes d’accélération du vieillissement. La plupart des études menées concernent les conséquences du cyclage thermique appliqué aux modules I.G.B.T. destinés à la traction électrique que ce soit pour le domaine automobile, ferroviaire ou aéronautique. Les causes de ces modes de défaillance ont plusieurs origines distinctes [Vallon 2003] [Ciappa 2002] [Bouarroudj 2010] [Coquery 2001] [Martineau 2010]; levée des fils de bonding, endommagement des puces ou de la brasure, dégradation du substrat, court-circuit de la grille….etc. Nous proposons dans ce paragraphe un point ciblé sur les modes de défaillances les plus communs qui se manifestent au sein de l’assemblage du module de puissance.

3.2.1 Fissuration et délamination des brasures

Dans la littérature, ce mode de défaillance est qualifié de mode le plus courant dans les modules I.G.B.T., notamment sous l’influence du cyclage thermique. Ce mode de défaillance

prend naissance suite aux efforts thermomécaniques du cyclage thermique entraînant la fissuration des brasures, plus particulières au niveau du contact substrat/semelle (cf. Figure I. 2). Cette brasure constitue le maillon le plus fragile car l’écart entre les coefficients de dilatation du substrat (en alumine) et de la semelle (en cuivre) est le plus important de tous. De plus, les imperfections (vide) qui apparaissent lors de l’assemblage (brasage/soudage) ne font qu’amorcer et accélérer la dégradation des brasures. La Figure I. 10 présente un scan au microscope acoustique de la brasure semelle/substrat d’un module Infineon HybridPACK¹ à l’état initial effectué au laboratoire IFSTTAR LTN. L’image montre que le brasage (soudure) est imparfait car l’interface scannée présente des vides (ou bulles d’air).

Figure I. 10 : Image de la brasure semelle/substrat à l’état initial

issue de l’analyse acoustique effectuée au LTN sur un module I.G.B.T. Infineon HybridPACK¹. Illustration des imperfections de l’assemblage (vide (bulle d’air), ou void).

D’un point de vue fonctionnel, la fissuration et la fatigue de la brasure provoque une augmentation de la résistance thermique sous la puce, qui est synonyme d’une élévation de sa température. La puce peut donc rentrer en court-circuit sous l’effet du dépassement de la température intrinsèque du silicium [Ciappa 2002].

3.2.2 La levée et craquelure des fils de bonding

Les problèmes de la connectique (des fils de bonding) de puissance ou de commande constituent également l’un des principaux modes de défaillance dans les assemblages de modules de puissance. Cette dégradation se manifeste soit par la levée complète du fil, ou bien par des fissures qui se propagent au niveau du pied de bonding (cf. Figure I. 11) et interrompent la connexion [Coquery 2001] [Celnikier(a) 2011]. Les causes de ces dégradations sont purement mécaniques mais d’origine thermique. Sous l’effet des différences entre les coefficients de dilatation des matériaux, des efforts mécaniques (compression, flexion, cisaillement) sont appliqués sur les interfaces de contact puce/bonding. Ces contraintes répétitives font apparaitre des fissures au niveau du contact, se propageant ensuite et conduisent à la levée complète du fil [Celnikier(b) 2011] [Celnikier(c) 2011].

Du point de vue fonctionnel, la déconnexion des faisceaux de bonding se manifeste sous forme de défaillance irréversible en circuit ouvert.

Figure I. 11 : Fracture du pied de bonding [Celnikier^(a) 2011].

3.2.3 Cassure et dégradation de la puce semi-conductrice

Le silicium est un matériau mécaniquement fragile. Il est susceptible d’entraîner sa rupture si les efforts mécaniques auxquels il est soumis dépassent les limites intrinsèques du matériau. Les efforts thermo-mécaniques résultant du cyclage ne sont pas la seule cause de la rupture des puces. Elle peut intervenir aussitôt ; lors du montage du module sur le refroidisseur, lors du démarrage du convertisseur ou à long terme (cyclage thermique). Notant que les imperfections (ou microfissures) dans le silicium est l’élément principal enclenchant la défaillance de la puce [Ciappa 2002] [Vallon^(b) 2003].

Il existe un autre mode de défaillance qui survient de façon « hasardeuse ». Il s’agit du phénomène de verrouillage (appelé aussi Latch-up) du composant. Pour décrire ce phénomène, il faut nous reporter à la Figure I. 12 qui illustre le circuit équivalent d’un I.G.B.T. Ce schéma de principe réduit l’I.G.B.T. à un transistor bipolaire de type PNP commandé par un MOSFET. Il contient un transistor NPN qui est un élément parasite. Il constitue avec le PNP un thyristor également indésirable [Toulon 2010]. Le phénomène de verrouillage de l’I.G.B.T. prend naissance lorsque le thyristor parasite est mis en conduction au passage d’un fort courant. En effet, le passage d’un fort courant à travers la résistance (Rp sur la Figure I. 12 ) d’une couche P du dopage fait apparaitre une tension (aux bornes de Rp) qui peut amorcer le transistor NPN. Le déclenchement du Latch-up est incontrôlable à travers la grille du composant, il peut entraîner sa destruction. Le seul moyen pour arrêter ce phénomène est de procéder à l’annulation du courant dans le composant (isolation du composant) ou avec le blocage de la structure verrouillée par application de tension inverse à ses bornes [Tazzoli 2010] [Vallon^(b) 2003]. Cependant, ce phénomène est rarement détectable pour prévoir de telles protections et généralement assimilé à un court-circuit [Smet 2011].

Dans certains mécanismes de dégradation, des phénomènes de vieillissement apparaissent et indiquent une défaillance future. Dans le domaine de l’automobile, ces indicateurs sont bien connus, ils sont résumés à trois phénomènes principaux [Vallon^(b) 2003] [Smet 2011] [Coquery 2001] [Bouarroudj 2010] :

 augmentation de la tension aux bornes du composant (dite chute directe) Vcesat indique

Figure I. 12 : Schéma équivalent de l'I.G.B.T. incluant l'effet thyristor parasite

 Augmentation du courant de fuite indique la dégradation de la grille ou bien la détérioration de la puce semi-conductrice ;

 Augmentation de la résistance thermique jonction/boîtier indique la délamination de la brasure substrat/semelle.

L’évolution de ces indicateurs au fil du fonctionnement et des cycles thermiques permettra donc de diagnostiquer l’état du composant et détecter son vieillissent et ses mécanismes de défaillance. Dans ce sens, nous citons l’expertise effectuée sur la voiture électrique Renault Kangoo au Laboratoire des Technologies Nouvelles (LTN) [Coquery 2001] et qui a démontré la faisabilité de mesurer le stress thermique subit par le convertisseur de puissance pendant le fonctionnement. Un modèle thermique du convertisseur a été établi et qui peut être utilisé dans les dispositifs de diagnostic de la chaîne de traction.

En résumé, l’assemblage du module de puissance est le siège de diverses dégradations et des modes de défaillance. La Figure I. 13 ci-dessous illustre le cheminement « causes – effets » partant de l’inventaire des causes de la défaillance vers le mode de défaillance critique : court-circuit (C-C) ou court-circuit ouvert (C-O).

Dans un convertisseur de puissance, les défaillances du type circuits ouverts sont moins critiques que les courts-circuits [Schwab 2006]. Effectivement, les semi-conducteurs sont préalablement dimensionnés de sorte à supporter, à l’état bloqué (circuit ouvert), des surtensions de commutation supérieures à la tension nominale du fonctionnement. Cependant, lorsque la tension à l’état bloqué dépasse une certaine valeur, dite tension de claquage par

avalanche, le composant rentre dans sa phase de destruction.

En outre, depuis de nombreuses années, le défaut de court-circuit a constitué l’un des axes de recherche le plus investigué dans le domaine de la fiabilité de l’électronique de puissance. La partie suivante est consacrée à l’étude détaillée des régimes de court-circuit et de leurs criticités au sein d’une cellule élémentaire d’onduleur.

Figure I. 13 : Causes, effets et modes de défaillance d’un I.G.B.T. [Ciappa 2002][Vallon^(b) 2003]