Modes de défaillances liés au gel silicone

Les gels silicones sont utilisés pour encapsuler les modules IGBT. Grâce à leurs propriétés thermiques, mécaniques, et électriques les gels siliones sont utilisés pour protéger les compo- sants et les connexions contre l’humidité, la pollution mais aussi pour éviter les décharges partielles. Cependant à haute tension le champ électrique peut devenir localement assez élevé pour induire des décharges partielles dans le gel [106]. Les décharges partielles peuvent éga- lement apparaitre à des tensions beaucoup plus faibles en raison de la présence des cavités (fissurations) à proximité des bords du substrat céramique. En général ces cavités sont dûes à la différence des CTE entre le gel silicone et la céramique [141].

En général, les claquages diélectriques sont généralement localisés à l’interface céramique - gel silicone. Ce phénomène est dû à une mauvaise adhérence du gel sur la céramique car l’adhérence du gel est un critère important pour limiter les décharges partielles aux interfaces [16, 98]. En plus, la présence de bulle de gaz dûes à un mauvais dégazage avant polymérisation du gel silicone peut-être la cause de décharges partielles importantes dans le module IGBT

[46]. D’autres part, à basse température la dureté du gel silicone augmente considérablement ce qui induit des contraintes thermomécaniques et engendre des fissurations dans le gel.

Conclusion

Nous avons commencé ce chapitre introductif en présentant les convertisseurs de puis- sance utilisés en traction ferroviaire, ainsi qu’un bref historique chronologique sur les diffé- rents semi-conducteurs de puissance. Nous avons présenté par la suite les modules IGBT sur lesquels porte notre étude et les différentes déclinaisons des boitiers que l’on peut trouver dans les applications ferroviaires. Nous avons pu ensuite détailler la description des différents constituants d’un module de puissance IGBT. Dans cette partie nous nous sommes intéressés aux différentes techniques de connexion tout en focalisant notre études sur la technique de connexion wire bonding qui est la plus utilisée dans la plupart des modules de puissance.

Le besoin industriel dans des domaines tels que l’avionique, l’automobile et le ferroviaire est d’accroitre la densité de puissance dans les modules de puissance tout en améliorant la fiabilité des systèmes d’électronique de puissance embarqués. Nous avons par conséquent énumérés les principaux mécanismes de défaillance que l’on rencontre dans les modules de puissance IGBT. Durant cette étude, nous avons pu classer ceux ci en fonction du phénomène à l’origine de la défaillance. Au cours de cette partie nous avons détaillé les différentes dé- gradations des composants des modules de puissance dûes au cyclage thermique. Nous avons constaté que malgré la bonne maturité de la technologie wire bonding et la bonne connais- sance de ses modes de défaillance, elle reste l’un des maillons faibles des modules IGBT. Nous pouvons conclure que pour chaque mécanisme de défaillance, il peut exister de grandes interactions entre les différents phénomènes physiques (thermique, mécanique et électrique). Il est donc très délicat de vouloir étudier un phénomène sur un élément de module de puis- sance sans que les autres interviennent. Dans ce cadre, la suite de notre étude va porter sur les connaissance théoriques nécessaires à l’expression des intéractions entre ces différents phénomènes physiques. Ceci afin d’étudier in fine l’un des mécanismes les plus importants pour le module IGBT à savoir la dégradation des fils d’interconnexion.

Les phénomènes physiques en jeu

Introduction

L’utilisation de modules de puissance dans la conversion de l’énergie est de plus en plus répandue dans différents domaines. Cela nécessite donc une meilleure compréhension des mécanismes de vieillissement sous l’effet cumulé de sollicitations électrique, thermique et mécanique. La nécessité d’utiliser un simulateur multi-physique fiable et basé sur les lois de la physique mises en jeu est donc un outil indispensable en vue de prototypage virtuel.

Nous avons vu lors du premier chapitre que les modes de défaillance des modules de puis- sance sont dus à des phénomènes physiques complexes. Afin de comprendre ces phénomènes nous allons aborder les différents phénomènes physiques qui existent dans un module de puis- sance ainsi que leurs interactions. Pour cela, nous commencerons par détailler les différentes fonctions des éléments du packaging. Par la suite nous décrirons la fonction principale d’un module de puissance à savoir la conversion de l’énergie électrique. Le passage des lois élec- triques aux lois volumiques de l’électromagnétisme sera également décrit dans cette partie afin de comprendre notamment les phénomènes magnétiques existant lors du fonctionnement du module.

Le couplage électrothermique est ensuite envisagé car la thermique joue un rôle très important dans les modes de dégradation des modules de puissance. Maîtriser ces phénomènes et évaluer leurs conséquences sur la durabilité des modules de puissance sont des axes de recherche indispensables pour améliorer la fiabilité des composants. Les effets thermiques induits par le passage du courant électrique et les relations entre le courant et la température seront donc étudiés. Dans cette partie, les conditions limites de convection, de conduction et de rayonnement thermique seront détaillées dans la mise en équation en régime permanent et transitoire.

D’autre part, les éléments de l’assemblage des convertisseurs de puissance sont soumis, lors de leur fonctionnement, à de fortes contraintes mécaniques liées aux contraintes thermiques. Nous allons ainsi chercher dans ce chapitre à étudier le couplage thermomécanique qui nous permet d’exprimer les contraintes mécaniques en fonction de la variation de température. Ce dernier point est particulièrement crucial vis-à-vis de la fiabilité et de la duré de vie des équipements électroniques. Enfin, nous aborderons quelques notions sur la durée de vie et la méthodologie adoptée pour son estimation. Nous décrirons donc brièvement les principales lois de durée de vie développées dans la littérature et appliquées à un exemple particulier.

2.1

Comportement électromagnétique des éléments du pa-

ckaging

Dans cette partie, nous allons rappeler le fonctionnement électrique des différents élé- ments constituant le module de puissance. Les fils de bonding en aluminium assurent la liaison électrique des puces semi-conductrices. Ils sont parcourus par une forte densité de courant à des fréquences qui seront de plus en plus élevées avec l’avènement des composants grand “Gap”. Les puces IGBT et les diodes de roue libre sont le cœur du fonctionnement électrique des modules de puissance. Grâce à leurs caractéristiques de semi-conducteur, ces composants permettent de commuter des courants et des tensions de fortes amplitudes. Le substrat assure deux rôles liés aux phénomènes électriques dans le module de puissance : le premier est de relier électriquement les différentes puces connectées en parallèles ; le se- cond rôle est l’isolation galvanique des puces du dissipateur thermique. C’est pour cela que le substrat est composé de deux matériaux : le cuivre qui garantit la liaison électrique et la céramique qui est un bon isolant électrique. Les brasures doivent être également de bons conducteurs électriques afin d’assurer le meilleur contact électrique et la meilleure circulation du courant possibles (figure 2.1). Le gel silicone a pour but d’assurer la tenue diélectrique du module, de plus il doit renforcer l’isolation électrique entre les conducteurs et améliorer la tenue aux décharges partielles dues notamment aux défauts des métallisations des substrats types DCB. L’ensemble des éléments est fermé dans un boîtier en plastique qui les protège des champs parasites extérieurs. Le boîtier comporte également des connexions extérieures qui permettent de réaliser le branchement électrique.

Figure 2.1 – Les fonctions électriques des éléments constituant le module de puissance.