Approche polymorphe de la modélisation électrothermique pour la fiabilisation des dispositifs microélectroniques de puissance

HAL Id: tel-00865827

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00865827

Submitted on 25 Sep 2013

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Approche polymorphe de la modélisation

électrothermique pour la fiabilisation des dispositifs

microélectroniques de puissance

Toufik Azoui

To cite this version:

Toufik Azoui. Approche polymorphe de la modélisation électrothermique pour la fiabilisation des dispositifs microélectroniques de puissance. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. INSA de Toulouse, 2013. Français. �tel-00865827�

&O
WVF
EF
MPCUFOUJPO
EV

%0$503"5
%&
-6/*7&34*5²
%&
506-064&

%ÏMJWSÏ
QBS


1SÏTFOUÏF
FU
TPVUFOVF
QBS


5JUSF


²DPMFEPDUPSBMF et discipline ou spécialité


6OJUÏ
EF
SFDIFSDIF
 %JSFDUFVS T
EF
ʾÒTF
 Jury:

5)µ4&

le

Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse (INSA de Toulouse)

Toufik AZOUI

jeudi 23 mai 2013

Approche polymorphe de la modélisation électrothermique pour la

fiabilisation des dispositifs microélectroniques de puissance

ED GEET : Micro et Nanosystèmes

LAAS-CNRS

M. Christian SCHAEFFER, Rapporteur M. François FOREST, Rapporteur M. Stéphane LEFEBVRE, Examinateur

M. Philippe DUPUY, Examinateur M. Jean-Marie DORKEL

It’s easy to give up in to the reality, but creativity is creating a new reality

unprecedented

-ID(échelle log) VDS(échelle log) (1) (2) (3) (4) (5) I_DV_DSS ID= IDmax I_DV_DSS-1 IDVDSS-4 VDSS= V(BR)DSS aire de sécurité en commutation

Pertes en conduction 2 . _D DSOn cond R I P  Off VDS On ID Off VDS Pertes en conduction ID Eon Eoff VDS t Pertes en commutation ) .( _{on off} dec com f E E P   C T E E   1 0  

  ₁ 0 0 . 1                 sat lon v E µ µ







cm s



T v_sat 600 exp 8 , 0 1 10 . 4 , 2 7  

 

 

2,3 0 0        T T T R T R_{DSOn DSOn} )] ( 1 )[ ( ) (T V T0 T T0 VTh  Th   

Changement des paramètres Physiques des semi-conducteurs Changement de température de la jonction Changement de Puissance électrique dissipée

s ou mn µs

Temps

Grandeurs électriques Température

Temps

Structure de refroidissement

T3 Diode structurelle T2 T1 T3 T4 T5 Drain Grille Source CGS CGD VGS ID(VGS) Ra Rd Rsub Rs













                    _{ }     GS DS th GS Th GS p D GS DS th GS DS DS Th GS p D DS th GS GS DS D V V V V V V K I V V V V V V V V K I V V V V V I et pour 2 0 et pour 2 1 pour 0 , 2











2



0 2 0 1 01 T T T T K KP P K   K    











2



0 2 0 1 01 T T T T V Vth  th Vth   Vth    







0



3 01 4,03 10 T T R Rs  s     











T T T T



X ad sub R RX X 1 R_X R_X ; , , 2 0 2 0 1 0          

S ch d a sub DS R R R R R R _on     

         0 pour 0 pour max max max DG GDdep GD GDdep GD DG GD GD _V C C C C V C C j DG J GDdep V C C    1 0 

dt dV dV dC V C i dt dQ i          







0



0 1 T T V VF F  VF 











2



0 2 0 1 0 1 T T T T R RF F  RF   RF                       0 0 2 3 0 0 exp 3495 T T T T T T R RR R







0



0 1 T T V VRBr  RBr  VRBr   











2



0 2 0 1 0 1 T T T T R Rav av  Rav   Rav    L C K V J  

T Rav VRBr -+ T T T T Diode idéale Diode idéale T VF RL VL L CDS RR JC Anode Cathode RF

Simulation électrique Simulation thermique Calcul de la température Calcul de la puissance Paramètres électriques dépendant de la température Modèle (circuit) électrique Formulation mathématique du modèle thermique Modèle thermique (analytique/numérique)

P T t T t Z_th() j() ref

2 1 ) ( cT bT a T K_Si    2 ) ( T c bT a T Cp_Si   

1E-3 0,01 0,1 1 10 100 1000 300 320 340 360 380 400 T e m p é ra tu re d e j o n c ti o n ( K ) Temps (s)



   N i i i F s R s Z 11 ) ( 



    N i t i F t R e i Z 1 ) 1 ( ) (  ... 1 1 1 1 ) ( 2 2 1 1      R sC R sC s Z_C % 100 _ _ _ _ EF th EF th RC th Z Z Z objectif Fonction  

  



1E-3 0,01 0,1 1 10 100 1000 0 5 10 15 20 25 FE model Im p é d a n c e t h e rm iq u e ( K /W ) Temps (s) 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 F o n c ti o n o b je c ti f (% ) Nombre d'iterations RC model hS Rh 1 

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 RB a s -1 (K /W ) PHaut/PTotale 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 20,4 20,5 20,6 20,7 20,8 20,9 21,0 21,1 RB a s -2 ( K /W ) PHaut/PTotale 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 CB a s -1 (J /K ) PHaut/PTotale 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 CB a s -2 ( J /K ) PHaut/PTotale 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 RH a u t-1 (K /W ) PBas/PTotale 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 20,4 20,5 20,6 20,7 20,8 20,9 21,0 21,1 RH a u t-2 ( K /W ) PBas/PTotale 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 CH a u t-1 (J /K ) PBas/PTotale 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 CH a u t-2 ( J /K ) PBas/PTotale i i i Haut Totale Bas Haut Haut P P R  .( ) i i i Haut Totale Bas Haut Haut P P C  .( ) i i i Bas Totale Haut Haut Bas P P R  .( ) i i i Bas Totale Haut Haut Bas P P C  .( )

Bas Haut Totale P P P   N T T T Erreur N i EF EF DCTM / 1



       

Haut

Côté

10-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 ₁₀1 ₁₀2 0 1 2 3 4 5 6 7 Im p é d a n c e t h e rm iq u e ( K /W ) Temps (s) HS0 ou HS1 HS3 ou HS2 HS1 ou HS0 HS2 ou HS3

P T T R C0 C03 ) 3 0 ( 0     P T T R C03 C01 ) 1 3 ( 0      P T T R C01 C02 ) 2 1 ( 0      P T T R C C a a      02 0 ) 2 ( 0 0 3 0 2 0 1 0 0 C  C  C   C  HS T T T T T

    1 .( ) Totale Haut Bas P P R

P

_Haut

/ P

_Total

R

Bas -1

(K

/W

)

    1 .( ) Totale Haut Bas P P C

P

Haut

/ P

Total

C

Bas -1

(J

/K

)

10-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 ₁₀1 ₁₀2 0 10 20 30 40 50 60 70 T e m p é ra tu re ( °C ) Temps (s) HS2 HS3 HS0 HS1 CTM

Puce de puissance

n n q   1 _{ } e Rcarré

Répartiteur de chaleur Plot de connexion Couche active Localisation du capteur de température Substrat de silicium Pieds des fils de

connexion

3200 µm

0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 R a p p o rt V /I ( m  ) Température (°C) 1 A 5 A 10 A 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 120 A 140 A 160 A 180 A

≥ ≈ 0 100 200 300 400 500 600 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 R a p p o rt V /I ( m  ) Température (°C) 1 A 5 A 10 A 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 120 A 140 A 160 A 180 A

I

D

V= 0 V

D DSon

I V R   max

100 150 200 250 300 350 92,0 92,5 93,0 93,5 94,0 94,5 95,0 T e m p é ra tu re m a x im a le ( °C )

Diamètre du fil de connexion (µm)

100 150 200 250 300 350 16,44 16,46 16,48 16,50 16,52 16,54 16,56 RD S o n ( m  )

Diamètre du fil de connexion (µm)

0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 92 99 106 113 120 127 T e m p é ra tu re m a x im a le ( °C )

Surface fil de connexion/métallisation (mm2₎

0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 RD S o n ( m  )

Surface fil de connexion/métallisation (mm2₎

  T L0 1 

0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 8 10 12 14 16 R é s it iv it é é le c tr iq u e n o rm a li s é e

Durée du vieillissement (K-cycles)

0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 8 10 12 14 16 R é s is ti v it é t h e rm iq u e n o rm a li s é e

Durée du vieillissement (K-cycles)

0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 R é s is ta n c e d e m é ta ll is a ti o n ( % )

I

D = 2.8 A

V= 0 V

T

amb

= 25 C

0 50 100 150 200 250 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0 RD S o n ( m  )

Durée de vieillissement (K-cycles) R_DSon simulée

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 13 14 15 16 17 18 19 20 21 RD S o n ( m  )

Augmentation de la résistance de métallisation (%) T= 25 °C

X-section 0 2 4 6 8 0 100 200 300 400

Apparition de point chaud Emballement thermique T e m p é ra tu re ( °C ) Temps (ms)

0 2 4 6 8 0 100 200 300 400 500 Emballement thermique Apparition de point chaud

Température de fonctionnement maximum autorisée Tmax (0 K-cycles) Tcapteur (0 K-cycles) T e m p e ra tu re ( °C ) Temps (ms)

a) a) b) 0 2 4 6 8 0 100 200 300 400 500 Emballement thermique Apparition de point chaud

Température de fonctionnement maximum autorisée Tmax (0 K-cycles) Tmax (250 K-cycles) Tcapteur (0 K-cycles) Tcapteur (250 K-cycles) T e m p e ra tu re ( °C ) Temps (ms) Zoom

0 10 20 30 40 50 160 180 200 220 240 260 T e m p é ra tu re m a x im a le ( °C )

0 10 20 30 40 50 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 RD S o n ( m  )

Surface délaminée de la brasure (%) @ Tmax

@ 25 °C

1 2 3 4 0,0 2,0x102 4,0x102 6,0x102 8,0x102 1,0x103 1,2x103 1,4x103 1,6x103 1,8x103 2,0x103 D e n s it é d e c o u ra n t (A /c m 2 )

Position sur la puce (mm) Avec 50 % de delamination Sans délamination Fils de connexions Zone de délamination Zone de délamination Ligne de courant 1 2 3 4 160 180 200 220 240 Sans délamination Avec 50 % de délamination T e m p é ra tu re ( °C )

Position sur la puce (mm) Fils de connexions

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T e m p é ra tu re m a x im a le ( °C )

Intensité de courant (A) 100 µm 250 µm 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 RD S o n ( m  )

Intensité de courant (A) 100 µm

20 40 60 80 100 120 140 160 180 12 14 16 18 20 22 24 26 RD S o n ( m  ) Température (°C) Thin die Thick die

0 10 20 30 40 50 160 180 200 220 240 260 T e m p é ra tu e m a x im a le ( °C )

Surface délamninée de la brasure (%) SnPb frittage d'argent 0 10 20 30 40 50 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 RD S o n ( m  )

Surface délamninée de la brasure (%) SnPb @ Tmax

SnPb @ 25°C

Frittage d'argent @ Tmax Frittage d'argent @ 25°C

≈ D av j dss D J dssT I BV T R I BV    0 ) , ( ≈ Diode idéale Rav BVdss0+β.T

Drain Grille Source Poly-diode a b Puce

Composant étudié

Régulation thermique par flux d’air (ThermoStream)

0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 ID ( A ), VDS ( V ) Temps (µs) V_DS I_D 0 2 4 6 8 10 VDS -VB R re f ( V ) V_DS-V_BRref 20 40 60 80 100 120 140 160 92 94 96 98 100 102 104 BV_dss T Interpolation linéaire BV d s s ( V ) Température (°C) Equation y = a + b*x Adj. R-Square 0,99919 Value BVdss Intercept 90,288 BVdss Slope 0,08677

92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 0 50 100 150 200 25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C Interpolation linéaire ID ( A ) BV_dss (V)

     K à t K à t t D z_{pSi Si} 400 910 . 0 300 101 . 1 4 

Al Si(n-) Si(n+) SnPbAg Zoom Cu Drain Grille Source Poly-diode a Puce b Modèle réduit Al Si(n+) Si(n-) Zoom sur la structure latérale c

0 20 40 60 80 100 120 0 2000 4000 6000 8000 10000 P u is s a n c e d is s ip é e ( W ) Temps (µs) 0 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 T e m p é ra tr u re ( °C ) Temps (µs)

 

_j0 ( _{0 0Si}/ _av) (_av0.5) (( / _av)0.5) (1 2 /3 _av) j t T P Z S t t t t t T          vSi Si Si Si c k Z   1 4 0 

0 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 T e m p é ra tr u re ( °C ) Temps (µs)

Température mesurée par le capteur Température du modèle EF

Temperature calculée, Z_0Si @25°C Température calculée, Z_0Si @110°C

Rth Cth Rth Cth Rth Cth T_ambiante P=I.V T

I(t) Diode idéale

Rav BVdss0+ß.T I t V I ≤ ≈

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 20 40 60 80 100 ID ( A ) Temps (µs) I_D 0 20 40 60 80 100 120 V_DS VD S (V ) 0 200 400 600 800 1000 20 40 60 80 100 120 140

160 Température déduite par mesure V _{Température estimée par algorithme de moyenne glissante}F

T e m p é ra tu re ( °C ) Temps (µs)

MOS thSi th A k h R .  vSi Si MOS th hA c C  . . .

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 20 40 60 80 100 120 140 T e m p é ra tu re ( °C ) Temps (µs) 80 90 100 110 120 VDS ( V ) Mesure Simulation ≈

• L’analyse fine de l’inhomogénéité de la densité de courant et de la température.

• L’étude des conséquences du vieillissement (dégradations) sur le comportement du composant en régime de commutation.

T3 Diode structurelle T2 T1 T3 T4 T5 Drain Grille Source CGS CGD VGS ID(VGS) Ra Rd Rsub Rs

0 100 200 300 400 500 0 2 4 6 8 10 C o u ra n t d a n s l a c h a rg e ( A ) Temps (µs) 0 100 200 300 400 500 0 3 6 9 12 15 C o u ra n t d a n s l e M O S F E T ( A ) Temps (µs) 0 100 200 300 400 500 -15 -12 -9 -6 -3 0 C o u ra n t d a n s l a d io d e ( A ) Temps (µs)

0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 C h u te d e t e n s io n VDS ( V ) Temps (µs) MOSFET_1 MOSFET_2 50,0 50,5 51,0 0 2 4 6 8 10 12 C h u te d e t e n s io n VDS ( V ) Temps (µs) MOSFET_1 MOSFET_2 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 12 14 C h u te d e t e n s io n VGS ( V ) Temps (µs) MOSFET_1 MOSFET_2 50,0 50,5 51,0 51,5 52,0 0 2 4 6 8 10 12 14 C h u te d e t e n s io n VGS ( V ) Temps (µs) MOSFET_1 MOSFET_2 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0 2 4 6 8 10 12 14 C h u te d e t e n s io n VGS ( V ) Temps (µs) MOSFET_1 MOSFET_2 Zoom Zoom Zoom

Epitaxie N -Substrat N+ Fil de connexion Dissipateur thermique Pv (Ra, SC) Pv (Rb)

MOSFET

Diode de roue libre

PCB _{Isolateur électrique} Pins Répartiteur de chaleur

Brasure Die attach Substrat Couche active Métallisation Fil de connexion

Simulateur thermique Superviseur

- Contrôle les simulateurs dédiés - Intègre un algorithme de gestion de communication

-Traite les résultats

Simulateur électrique

 

Cartographie de température pour ∆P (t)

∆Pcritère ∆ T 20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 6 8 10 12 14 16 P u is s a n c e ( W ) Température (°C) I=10A I=30A I=60A I=90A 24 26 28 30 32 34 36 38 Températu re (°C) Temps (µs) ∆T ∆t 24 26 28 30 32 34 36 38 Températu re (°C) Temps (µs) ∆ T1 ∆ t1 ∆ t2 ∆ T2 P1 P2 24 26 28 30 32 34 36 38 Températu re (°C) Temps (µs) P1 P2 24 26 28 30 32 34 36 38 Températu re (°C) Temps (µs) 20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 6 8 10 12 14 16 P u is s a n c e ( W ) Température (°C) I=10A I=30A I=60A I=90A Superviseur (Matlab) : Algorithme de communication basé sur des critères physiques

Simulateur thermique (COMSOL)

∆P

(c) Calcul de la température moyenne Tmoy

(d) Détermination de l’instant de réactualisation de la température pour réinjection dans le modèle électrique thermosensible

T(t) P(T,I)

Sauvegarde des formes d’ondes électriques

(f) Réévaluation de l’échauffement conduisant à une nouvelle dérive de la puissance dissipée au-delà du critère choisi

(e ) Calcul de la température moyenne

T(t)

Ces étapes se répètent jusqu’à la fin de la simulation ET

(b) Détermination de l’échauffement limite (∆T) correspondant à une dérive de puissance (∆P) supérieure au critère choisi

Sauvegarde des formes d’ondes thermiques

Chapitre I. Pré-calculs

Sauvegarde des formes d’ondes électriques

Simulateur électrique (System Vision)

20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 6 8 10 12 14 16 P u is s a n c e ( W ) Température (°C) I=10A I=30A I=60A I=90A 20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 6 8 10 12 14 16 P u is s a n c e ( W ) Température (°C) I=10A I=30A I=60A I=90A ∆Pcritère ∆ T

24 26 28 30 32 34 36 38 Températu re (°C) Temps (µs) ∆T ∆t 20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 6 8 10 12 14 16 P u is s a n c e ( W ) Température (°C) I=10A I=30A I=60A I=90A ∆Pcritère ∆ T₁ ∆ T2

24 26 28 30 32 34 36 38 Températu re (°C) Temps (µs) ∆ T₁ ∆ t₁ ∆ t₂ ∆ T₂ P M o y e n (W) Temps (µs) P₂ P₁ P₁ P2 I12 I11 I22 I21 I11 I12 I21 I22 22 21 12 11 arg

I

I

I

I

I

_{Ch e}









22 arg 22

I

/ n

I



_{Ch e} 12 arg 12

I

/ n

I



_{Ch e} 11 arg 11

I

/ n

I



_{Ch e} 21 arg 21

I

/ n

I



_{Ch e}

P11 T Icharge_max/n11 Icharge_min/n11 P12 T Icharge_max/n12 Icharge_min/n12 P21 T Icharge_max/n21 Icharge_min/n21 P22 T Icharge_max/n22 Icharge_min/n22

T

t

P12 P11 P21 P22

D

t

∆T