Contribution to the study of thermal fatigue phenomena on high power IGBT modules for traction applications
Contribution à l'étude des phénomènes de fatique thermique des modules IGBT de forte puissance destinés aux applications de traction
Abstract
The recent use of the hybrid integration technology of high power IGBT modules in traction applications instead of the classically used presspacked thyristors or GTOs introduced new questions conceming the reliability of the modules' packaging when subjected to the traction thermal cycles. The aim of this thesis is to contribute to understand the failure mechanisms of IGBT modules in traction environment. Therefore, a good knowledge of the aging accelerators and the failure indicators is indispensable. The long term goal of the study is to help to find a law expressi11g the modules life time as a function of their working conditions. To treat the problem, we chose an experimental approach consisting in power cycling accelerated tests and technological and failure analysis. We validated a contact temperature measurement method on silicon chips surface which was used to localize and evaluate the highest thernial stress in power cycling conditions. These measurements made it possible to evaluate a thermal model of the modules packaging using LAASTHERM software. A local thermomechanical modeling of the modules with the finite element method was also achieved and provided the mechanical stress in the weakest interfaces of the packaging. We finally proposed an empirical aging model but we didn't get enough experimental data to validate it
La récente introduction de la technologie d'intégration hybride des modules IGBT de forte puissance daris les chaînes de traction, là où les thyristors et thyristors GTO à boîtiers pressés sont classiquement utilisés, a amené des interrogations quant à sa tenue aux cycles thermiques caractéristiques du domaine des transports. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse avaient pour objectif d'apporter une contribution à la compréhension des mécanismes qui régissent la défaillance des modules IGBT dans l'environnement de la traction en passant par la connaissance des paramètres qui accélèrent le vieillissement ainsi que des indicateurs de défaillance ; ceci avec le soucis d'aboutir à une loi estimant la durée de vie des modules en fonction de leurs conditions d'utilisation. Le problème a été abordé avec une approche expérimentale d'essais accélérés de vieillissement associés à des analyses technologiques ainsi qu'à des analyses de défaillance. Une méthode de mesures locales de température sur les surfaces des pastilles de silicium a été validée et a permis de localiser et d'évaluer les contraintes thermiques les plus importantes dans des conditions de cyclage thermique de puissance. Une modélisation ou comportement thermique des assemblages des modules, au moyen du logiciel LAASTHERM, a alors été possible grâce à un recalage et une évaluation par les résultats expérimentaux. Des modélisations locales par éléments finis ont également été réalisées, elles ont permis d'estimer les contraintes thermomécaniques aux interfaces les plus sensibles. Nous nous sommes finalement attachés à proposer un modèle empirique de fatigue tenant compte des principaux accélérateurs de vieillissement identifiés, mais sa mise en œuvre et sa validation n'ont pas été possibles pendant la durée de la thèse car elles nécessitent un nombre considérable de résultats d'essais accélérés