Cette partie propose un tour d’horizon des modes de défaillances attendus dans les modules de puissances. Avant de se concentrer sur les modes de défaillances, il est important de définir les termes utilisés dans cette partie.
• Mécanisme de défaillance : "Le processus physique, chimique, électrique, mécanique ou autre aboutissant à une défaillance ". Les mécanismes de défaillance observés dans un module de puissance sont souvent dus à des contraintes thermiques ou mécaniques créées par les échauffements et les refroidissements successifs de la puce. Les méca-nismes de défaillances sont souvent liés les uns aux autres et il est difficile de trouver un seul mécanisme de défaillance responsable d’un défaut dans un module de puissance. • Dégradation : "La dégradation fait référence aux effets cumulatifs du stress ou du
vieillis-sement des matériaux entraînant une diminution de la performance dans la fonction prévue ». Les mécanismes de défaillance par dégradation sont détectables par un suivi de l’état de santé et un diagnostic. Si un mode de défaillance se met en place progressi-vement, il est plus facile de le détecter à l’aide de dérives de paramètres. Au contraire, si un mode de défaillance est soudain, aucun pronostic ne peut être appliqué.
• Détection de la défaillance : "Le processus de décider qu’une défaillance existe". La détec-tion de défaillance est montrée par la dégradadétec-tion des caractéristiques électriques dans le module de puissance. Par exemple, si le composant ne peut pas réagir correctement à un ordre de contrôle, le module subit une défaillance.
• Précurseurs de défaillance : "Un précurseur de défaillance est un paramètre du système dont la dérive précède l’occurrence d’une défaillance ". Cette notion sera très importante dans les prochains chapitres de ce rapport. Les approches du suivi de l’état de santé et de pronostic reposent sur la dérive des précurseurs. Nous verrons au chapitre 2 comment les paramètres sont liés à des modes de défaillance spécifiques.
• Défaillance : "La performance inacceptable de la fonction demandée".
• Durée de vie restante : Remaining Useful Life (RUL) : "Le temps écoulé entre le moment présent et l’estimation du moment où le système (ou le produit) ne devrait plus remplir sa fonction prévue dans les limites des spécifications souhaitées ». Être capable d’estimer la durée de vie restante du module de puissance est l’un des objectifs finaux de l’étude. • Mode de défaillance : "L’effet par lequel une défaillance se produit".
• Défaut : "Une cause physique ou logique interne au système qui explique un échec".
Mode défaillance du MOSFET SiC
Le principal défaut observé dans les MOSFET SiC est une perforation partielle de son oxyde de Grille. L’oxyde étant un isolant, chaque petite perforation altère ses propriétés d’isolant et suite à plusieurs accumulations de défauts de ce type, l’oxyde peut claquer, c’est-à-dire deve-nir conducteur. Dans ce cas, le composant n’est plus contrôlable et le convertisseur complet n’assure plus sa fonction.
Les mécanismes de défaillances responsables de la perforation de l’oxyde peuvent être nom-breux. Les stress d’ordre électrique sont les plus évidents. En effet, lorsque le module subit une surtension ou encore une surintensité (lors d’un court-circuit par exemple), alors une grande quantité de chaleur est libérée. C’est cet effet thermique qui peut être un facteur dangereux pour la grille du MOSFET et favoriser sa perforation. La température est un facteur d’accélé-ration de la plupart des phénomènes physiques et nombre d’entre eux sont susceptibles de se produire autour de l’oxyde de Grille. Un des risques concerne des possibles décharges
électro-statiques. Une autre possibilité serait liée à l’impureté de l’interface SiC/SiO2. En effet, sous
l’effet de la température et des champs électriques mis en jeu certaines particules électrique-ment chargées pourraient migrer dans l’oxyde et altérer ainsi ces propriétés d’isolant.
Mode défaillance des éléments du module de puissance
Dans un module de puissance classique, quelle que soit la technologie intégrée, une partie des modes de défaillance est attribuée à la puce. Cependant, une partie conséquente dépend des autres composants. Une étude comparative a permis de prouver que 25% des défauts sont déclenchés par des fils d’interconnexion. D’autres interconnexions comme les brasures et les métallisations représentent 15% des défaillances et le boitier est responsable de 5% d’entre eux. Les effets de contamination ou de diffusion représentent également 18% des modes de
défaillance. Etudier ces modes de défaillances et comprendre leur apparition est essentiel dans une approche de suivi de l’état de santé.
Les deux principaux modes de défaillances observés sur les interconnexions des modules sont le court-circuit et le circuit ouvert. Dans le premier cas, il s’agit souvent de la fonte d’un connecteur qui s’est mis en contact avec un autre connecteur, ou encore du claquage d’un isolant. Dans le second cas, il s’agit de fissurations de connecteurs ou de décollement de ces derniers. Les différents mécanismes de défaillances sont abordés ci-dessous :
Défauts des fils d’interconnexion : Plusieurs mécanismes de défaillance peuvent participer
à l’altération de la fonction. Tout d’abord des phénomènes d’électro-migration peuvent venir modifier la structure de la soudure des fils d’interconnexions sur la métallisation. L’effet est en général une augmentation locale de la résistivité et donc de la température. Les effets de température favorisant le déclenchement d’autres phénomènes physiques. De plus, si la métallisation et les fils sont issus de deux matériaux différents, leur coefficient thermique d’expansion ne seront pas les mêmes et les comportements mécaniques des deux matériaux proposeront une réponse différente aux sollicitations thermique du module. En effet, lorsque la puce conduit les interconnexions chauffent et se dilatent et lorsque la puce est non-conductrice, les interconnexions refroidissent. Ce cyclage thermique peut induire l’apparition de fissure à la jonction entre deux matériaux et aboutir, dans des cas plus avancés, à un décollement des fils d’interconnexion.
Electro-migration dans les connecteurs : Sous les effets de la chaleur, les matériaux
métal-liques peuvent subir des migrations de particules créant des vides dans les conducteurs. Ces vides participent à l’augmentation locale de la résistivité et donc de la température ce qui peut déclencher d’autres mécanismes de défaillances.
Reconstruction métallique de la métallisation supérieure : Cette partie est une des plus
exposées aux variations de température de la puce. La métallisation supérieure est souvent une couche d’aluminium très fine permettant un meilleur contact entre la puce et les fils d’inter-connexions. La finesse de la couche la rend vulnérable aux effets de déformations mécaniques au sein de la matière. En effet, l’aluminium est composé de grains, à l’origine les grains sont bien alignés à la surface de la puce afin d’assurer un bon contact. Avec la chaleur la forme de ces grains s’altère et le contact est moins bon. Le mauvais contact entraine une augmen-tation locale de la température et donc un risque toujours plus grand de décollement de la métallisation.
Fissure dans le report de puce : Le report de puce est selon les technologies de module,
une brasure ou un frittage. Dans les deux cas, la jonction entre plusieurs matériaux dans un milieu où la température varie beaucoup est propice à l’apparition de fissures, les matériaux possédant chacun leur propre coefficient thermique d’expansion. La création de fissures en-trainent une baisse de la conductivité et donc une augmentation locale de la température ne faisant qu’amplifier le phénomène.
Malgré les études de matériaux et l’évolution des technologies, les problèmes de fiabilité dans les modules de puissance sont toujours une préoccupation majeure. L’émergence de nouvelles
technologies de puces à large bande interdite, comme le carbure de silicium, impliquera plus de densité de puissance dans les modules et plus de contraintes thermomécaniques. Le MOS-FET SiC présente également une faiblesse liée à la Grille, qui doit être une priorité dans l’étude de fiabilité globale du module de puissance. Cette section donne un aperçu des défauts poten-tiels dans le module de puissance.