Self-heating des transistors de puissance (Auto échauffement)

L‘architecture des transistors de puissance fait qu’il existe au sein de ces structures des zones de fortes densités de puissances où une grande quantité de chaleur est dissipée. L’augmentation de la température implique une décroissance de la conductivité thermique qui limite la capacité d’évacuation de la chaleur. De plus, les transistors multi- doigts, généralement utilisés dans le domaine des microondes, sont sensibles à l’emballement thermique à l’origine d’une chute brutale du gain en courant statique [II.20]. La répartition thermique au sein du transistor doit donc être évaluée et maîtrisée dès les phases de conception. Pour un transistor de puissance, l’augmentation de la température à l’intérieur du composant est liée à la taille de la zone de dissipation. La surface de cette zone est d’autant plus petite que la fréquence est élevée. Ceci devient problématique pour les applications submicroniques.

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Fig.II.9 - : illustration Autoéchauffement dans le transistor GaN à un doigt.

La polarisation du transistor peut entraîner son auto-échauffement. Lorsqu’un fort champ électrique est appliqué, la relaxation d’un électron produit un photon optique longitudinal [II.4]. Par conséquent, la température dans le canal n’est plus à l’équilibre thermique. Ceci va entraîner une diffusion de la chaleur à partir du point chaud.

Généralement l'effet thermique, l’auto-échauffement et la température externe, influent sur les caractéristiques I/V du transistor par une diminution du niveau de ces caractéristiques quand on augmente la température [II.5]. Ceci est dû au fait que la température diminue la mobilité et la vitesse des électrons dans le canal du dispositif et, par conséquent, tout en diminuant le courant [II.6].

La probabilité de défaillance dans les systèmes électroniques est fortement dépendante de la température de fonctionnement (FigII.10). La surcharge thermique est la cause de défaillance la plus fréquente dans les systèmes électroniques modernes. Par conséquent, il est vraiment important de comprendre les caractéristiques thermiques statiques et dynamiques des modules électroniques, en particulier concernant la température de jonction [II.7].

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Fig. II.10 - : Causes principales de la défaillance électronique

L'élévation interne de la température se manifeste par [II.19]:

 Variation des performances électriques : La dérive des paramètres provoquent une diminution des performances pouvant aller plus ou moins brutalement jusqu’à la défaillance ;

 Le boitier « packaging » qui est soumis à des gradients de température très importantes. Il existe des températures critiques pour lesquelles se produisent des changements d’état de structures même de boitiers ;

Les cycles thermiques ou le fonctionnement en mode impulsionnel, auxquels sont soumis les matériaux ayant des coefficients de dilatation différents, induisent des forces très importantes, peuvent conduire à une rupture instantanée ou créer une fatigue qui provoque une rupture à plus ou moins long terme exemples de soudures en modules électroniques.

II.8 Conclusion

Ce chapitre, les modes de transfert de chaleur et les formulations sont présentés. Des solutions analytiques ne peuvent être trouvées que pour des géométries très simples: des techniques analytiques et approximatives peuvent être employées. L'analyse des transferts de chaleur dans les composants de l'électronique de puissance, repose sur les lois fondamentales de la théorie générale des transferts de chaleur. Ses particularités résident essentiellement dans

Température 55% Vibration 20% Humidité 18% Poussiére 7%

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la géométrie et la structure des dispositifs, et dans les sources de chaleur. Nous avons décrit la résolution de l’équation de diffusion de chaleur qui permet de déterminer la température en tout point du matériau considéré en fonction du temps. Nous avons remarqué que les calculs seront relativement simples à effectuer dans le cas d’un semi-conducteur de simple géométrie simple cube, ou barreau. Cependant, dans des transistors considéré comme étant structure complexes, le calcul sera compliqué d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de résolution en prenant en considération les zones de sources de chaleur, les phénomènes de couplage thermique. A ce stade le calcul est compliqué et les méthodes numériques sembles l’optimal solution inévitable.

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