Contribution to study of lifetime duration of power assemblies in high temperature environments with a thermal cycling of great amplitude
Contribution à l'étude de la durée de vie des assemblages de puissance dans des environnements haute température et avec des cycles thermiques de grande amplitude
Résumé
In avionic applications, semiconductor devices can be placed on the engine with an ambient temperature about 200°C and thermal cycling from -55°C to 200°C in the worst case.
The first part of this study presents the electric characterizations of semiconductor components, in order to justify the choice of SiC Schottky diodes and Si CoolMOS transistor for high temperature applications. Then, these components are integrated in a test vehicle (power module) adapted to its localization on the engine. The objective is to evaluate the electrical performances of the active elements at high temperature, and the brazing assembly technology with the ceramic substrates on an AlSiC baseplate. In complement of an experimental campaign with a thermal cycling of great amplitude, numerical thermo-mechanical simulations of the assembly allow to understand the origin of the failures and to improve the lifetime of power module under such severe operating conditions.
In order to find solution of integration, the last part of this study presents experimental results, carried out under such severe conditions, for new test vehicles without active element, including different technological ceramic substrates. They include various ceramic materials soldered on AlSiC base plate, DCB with AlN and Al2O3 ceramic substrates with and without dimples and different copper thickness, and AMB substrates with Si3N4 and DAB in order to identify the main factors that could increase the lifetime expectancy of power modules in such harsh environments. Finally, a new numerical study is carried out under ANSYS with an aim of evaluating the ceramic influence of the substrates over the lifespan of the assembly. In conclusion we will try to propose rules of design allowing to increase the lifespan of the assembly of the modules of power.
The first part of this study presents the electric characterizations of semiconductor components, in order to justify the choice of SiC Schottky diodes and Si CoolMOS transistor for high temperature applications. Then, these components are integrated in a test vehicle (power module) adapted to its localization on the engine. The objective is to evaluate the electrical performances of the active elements at high temperature, and the brazing assembly technology with the ceramic substrates on an AlSiC baseplate. In complement of an experimental campaign with a thermal cycling of great amplitude, numerical thermo-mechanical simulations of the assembly allow to understand the origin of the failures and to improve the lifetime of power module under such severe operating conditions.
In order to find solution of integration, the last part of this study presents experimental results, carried out under such severe conditions, for new test vehicles without active element, including different technological ceramic substrates. They include various ceramic materials soldered on AlSiC base plate, DCB with AlN and Al2O3 ceramic substrates with and without dimples and different copper thickness, and AMB substrates with Si3N4 and DAB in order to identify the main factors that could increase the lifetime expectancy of power modules in such harsh environments. Finally, a new numerical study is carried out under ANSYS with an aim of evaluating the ceramic influence of the substrates over the lifespan of the assembly. In conclusion we will try to propose rules of design allowing to increase the lifespan of the assembly of the modules of power.
Dans le domaine des applications avioniques, des dispositifs d'électronique de puissance sont susceptible d'être placés sur le réacteur avec, dans le pire des cas, une température ambiante de 200°C et des cycles thermiques compris entre -55°C et 200°C.
La première partie de cette étude présente les caractérisations électriques de composants à semi-conducteur, afin de justifier le choix des diodes Schottky SiC et de transistor CoolMOS Si pour une utilisation à haute température. Ces composants sont alors intégrés dans un véhicule de test (module de puissance) adaptée à une localisation sur le réacteur. L'objectif est d'évaluer les performances électriques des éléments actifs à haute température, et la technologie d'assemblage par brasure des substrats céramiques sur une semelle AlSiC. En complément d'une campagne expérimentale, s'appuyant sur un cyclage thermique de grande amplitude, une évaluation numérique des sollicitations dans l'assemblage permettra de mieux comprendre les mécanismes de défaillances et les moyens permettant d'augmenter la durée de vie des modules de puissance dans ces conditions d'utilisation.
Afin de trouver des solutions d'intégration et de chercher à améliorer la durée de vie des assemblages, la dernière partie de cette étude présente les résultats expérimentaux, dans des conditions tout aussi sévères, pour de nouveaux véhicules de test, sans élément actif, composés de substrats céramiques de technologie différente. Les produits testés comportent des céramique AlN et Al2O3 dont les métallisations, avec ou sans dimples, présentent des géométries différentes. Nous évaluerons également, des substrats de technologie AMB avec des solutions DAB et Si3N4. Finalement, une nouvelle étude numérique est réalisée sous ANSYS dans le but d'estimer l'influence ce des substrats céramiques sur la durée de vie de l'assemblage. Finalement, nous tenterons de proposer des règles de conception permettant d'augmenter la durée de vie des assemblages de puissance.
La première partie de cette étude présente les caractérisations électriques de composants à semi-conducteur, afin de justifier le choix des diodes Schottky SiC et de transistor CoolMOS Si pour une utilisation à haute température. Ces composants sont alors intégrés dans un véhicule de test (module de puissance) adaptée à une localisation sur le réacteur. L'objectif est d'évaluer les performances électriques des éléments actifs à haute température, et la technologie d'assemblage par brasure des substrats céramiques sur une semelle AlSiC. En complément d'une campagne expérimentale, s'appuyant sur un cyclage thermique de grande amplitude, une évaluation numérique des sollicitations dans l'assemblage permettra de mieux comprendre les mécanismes de défaillances et les moyens permettant d'augmenter la durée de vie des modules de puissance dans ces conditions d'utilisation.
Afin de trouver des solutions d'intégration et de chercher à améliorer la durée de vie des assemblages, la dernière partie de cette étude présente les résultats expérimentaux, dans des conditions tout aussi sévères, pour de nouveaux véhicules de test, sans élément actif, composés de substrats céramiques de technologie différente. Les produits testés comportent des céramique AlN et Al2O3 dont les métallisations, avec ou sans dimples, présentent des géométries différentes. Nous évaluerons également, des substrats de technologie AMB avec des solutions DAB et Si3N4. Finalement, une nouvelle étude numérique est réalisée sous ANSYS dans le but d'estimer l'influence ce des substrats céramiques sur la durée de vie de l'assemblage. Finalement, nous tenterons de proposer des règles de conception permettant d'augmenter la durée de vie des assemblages de puissance.
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