Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Approche physico-chimique de la dégradation des interconnexions de composants de puissance par une étude microstructurale

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse Génie Electrique

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Versailles-Satory

Etablissement d'inscription UNIVERSITE PARIS - SACLAY

Ecole doctorale PHYSIQUE ET INGENIERIE : ELECTRONS, PHOTONS, SCIENCES DU VIVANT (PEPS) / ELECTRICAL, OPTICAL, BIO-PHYSICS AND ENGINEERING (EOBE)

Directeur de thèse prévu KHATIR Zoubir  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - SATIE

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Le vieillissement électro-thermique et thermomécanique des interconnexions métalliques supérieures des composants de puissance à semi-conducteurs est une de leurs causes de défaillances principales. L’étude s’est concentrée sur le processus de vieillissement du contact métallique entre le film de métallisation des puces et des fils de connexions en aluminium. L’approche suivie dans cette étude est différente des approches traditionnelles précédentes, le problème de la fatigue est étudié ici par un point de vue physico-chimique, en interprétant les changements microstructuraux qui se produisent, et en les reliant aux processus de dégradation. A partir de la littérature et après une analyse de résultats expérimentaux, les effets des évolutions microstructurales et des changements de propriétés des matériaux sur les processus de vieillissement ont été examinés. Ainsi, il est proposé et investigué ici l’hypothèse d’une corrélation entre la cause de la défaillance du dispositif, c-à-d la propagation de fissure, et les principales propriétés physico-chimiques et microstructurales affectant les processus de vieillissement. Des relations reliant les propriétés physicochimiques et de microstructures aux paramètres d’un modèle de zone cohésive (CZM), basé sur l’endommagement, ont été établies. Ce modèle combine à la fois la modélisation multiphysique par éléments finis et les concepts physicochimiques-microstructuraux. Lors de l’élaboration de cette combinaison, un modèle géométrique bidimensionnel d’un module IGBT a été construit. Des éléments de forme hexagonales ont été répartis dans le modèle géométrique au niveau des extrémités du contact du fil/métallisation afin de représenter la structure granulaire. Des modèles distribués de zones cohésives (CZM) ont ensuite été mis en œuvre à l’interface des hexagones afin de simuler la fissuration à travers la décohésion entre grains d’un point de vue microstructurel. Les paramètres CZM sont distribués selon les propriétés et caractéristiques locales observées de la microstructure. Des simulations électro-thermique puis thermomécanique ont été réalisées pour reproduire l’effet d’un cyclage thermique actif. La simulation thermo-mécanique permet d’estimer les distribution de stress et déformations au niveau de la zone de contact métallique et simuler l’évolution de la fissure qui a lieu au niveau des interfaces entre les éléments hexagonaux. Les résultats de ces simulations ont ensuite été confrontés à des données expérimentales pour voir la validité de ce modèle physico-chimique-microstructural.

Mots-clefs: IGBT, contacts métalliques, physicochimique-microstructurel, dégradation, fissure, énergie, contrainte

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	Génie Electrique
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Versailles-Satory
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE PARIS - SACLAY
Ecole doctorale	PHYSIQUE ET INGENIERIE : ELECTRONS, PHOTONS, SCIENCES DU VIVANT (PEPS) / ELECTRICAL, OPTICAL, BIO-PHYSICS AND ENGINEERING (EOBE)
Directeur de thèse prévu	KHATIR Zoubir - Université Gustave Eiffel - COSYS - SATIE
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Le vieillissement électro-thermique et thermomécanique des interconnexions métalliques supérieures des composants de puissance à semi-conducteurs est une de leurs causes de défaillances principales. L’étude s’est concentrée sur le processus de vieillissement du contact métallique entre le film de métallisation des puces et des fils de connexions en aluminium. L’approche suivie dans cette étude est différente des approches traditionnelles précédentes, le problème de la fatigue est étudié ici par un point de vue physico-chimique, en interprétant les changements microstructuraux qui se produisent, et en les reliant aux processus de dégradation. A partir de la littérature et après une analyse de résultats expérimentaux, les effets des évolutions microstructurales et des changements de propriétés des matériaux sur les processus de vieillissement ont été examinés. Ainsi, il est proposé et investigué ici l’hypothèse d’une corrélation entre la cause de la défaillance du dispositif, c-à-d la propagation de fissure, et les principales propriétés physico-chimiques et microstructurales affectant les processus de vieillissement. Des relations reliant les propriétés physicochimiques et de microstructures aux paramètres d’un modèle de zone cohésive (CZM), basé sur l’endommagement, ont été établies. Ce modèle combine à la fois la modélisation multiphysique par éléments finis et les concepts physicochimiques-microstructuraux. Lors de l’élaboration de cette combinaison, un modèle géométrique bidimensionnel d’un module IGBT a été construit. Des éléments de forme hexagonales ont été répartis dans le modèle géométrique au niveau des extrémités du contact du fil/métallisation afin de représenter la structure granulaire. Des modèles distribués de zones cohésives (CZM) ont ensuite été mis en œuvre à l’interface des hexagones afin de simuler la fissuration à travers la décohésion entre grains d’un point de vue microstructurel. Les paramètres CZM sont distribués selon les propriétés et caractéristiques locales observées de la microstructure. Des simulations électro-thermique puis thermomécanique ont été réalisées pour reproduire l’effet d’un cyclage thermique actif. La simulation thermo-mécanique permet d’estimer les distribution de stress et déformations au niveau de la zone de contact métallique et simuler l’évolution de la fissure qui a lieu au niveau des interfaces entre les éléments hexagonaux. Les résultats de ces simulations ont ensuite été confrontés à des données expérimentales pour voir la validité de ce modèle physico-chimique-microstructural.
Mots-clefs:	IGBT, contacts métalliques, physicochimique-microstructurel, dégradation, fissure, énergie, contrainte

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