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RÉSUMÉ
Cet article aborde les problématiques de couplage électrothermiques dans les composants de puissance. Il est important de noter que la puissance électrique dissipée par les composant électroniques est influencée par la répartition de la température dans leur zone active, puisque de nombreux paramètres fondamentaux des semi-conducteurs dépendent plus ou moins directement de la température. Enfin l'article fournit quelques éléments sur les effets de la température sur la fatigue et la fiabilité des composants.
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Jean-Marie DORKEL : Docteur ès sciences - Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse - Chercheur au LAAS/CNRS de Toulouse
INTRODUCTION
Les méthodes analytiques ou autres permettant d’aboutir à l’évaluation de la température de la zone active, ou température de jonction, d’un composant semi-conducteur de puissance ont fait l’objet d’un premier article .
Dans cet article, nous aborderons le problème de l’interactivité entre la puissance dissipée par le composant et sa température en vue de discuter de la validité du concept de température de jonction et nous terminerons notre exposé par quelques considérations sur les problèmes induits de fatigue thermique et de fiabilité.
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Couplages électrothermiques dans les composants de puissanceArticle inclus dans l'offre
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2. Fatigue thermique et fiabilité
2.1 Effets thermomécaniques et fatigue thermique
Par essence même, les composants de puissance et leurs assemblages sont amenés à opérer dans des conditions telles que leur température soit soumise à des fluctuations importantes. Ces fluctuations de la température peuvent être dues à la variation de la température ambiante, aux autoéchauffements ou aux deux actions combinées. C’est tout particulièrement le cas des équipements électroniques embarqués sur du matériel roulant (automobile, train, avion, etc.). Du point de vue mécanique, les composants, leur boîtier et leur radiateur forment un assemblage hétérogène liant entre eux des matériaux qui peuvent être caractérisés par des coefficients de dilatation thermique très différents et de propriétés mécaniques dispersées comme le montre le tableau 1 tiré des bases de données Matweb http://www.matweb.com et MEMS Clearinghouse http://www.memsnet.org. Pour la définition des différentes grandeurs reportées dans ce tableau, on se reportera à la bibliographie .
En pratique, la grande disparité entre les coefficients de dilatation des différents matériaux à assembler impose d’accorder un soin particulier à la conception thermomécanique de l’assemblage « puce-boîtier ». Il faut en particulier éviter que la puce et les différentes brasures ne soient soumises à des contraintes trop fortes, dépassant leur limite de rupture. Pour lier le silicium au substrat sous-jacent, on peut utiliser des brasures que l’on peut classer en deux types ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - COURBON (J.) - Théorie de l’élasticité - . Techniques de l’Ingénieur A305. Traité Sciences fondamentales 08.1979.
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(2) - LE GOËR (J.-L.), AVRIL (J.) - Extensométrie - . Techniques de l’Ingénieur R1850. Traité Mesures et contrôle 04.1992.
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(3) - OLSEN (D.R.), BERG (H.M.) - Properties of die bond alloys relating to thermal fatigue (Propriétés relatives à la fatigue thermique des alliages de brasure des puces électroniques) - . IEEE transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, vol. CHMT-2, N o 2, juin 1979, p. 257-63, 8 fig., bibl. (16 réf.).
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(4) - TOWNSEND (P.H.), al - Elastic relationships in layered composite media with approximation for the case of thin films on a thick substrate (Comportement élastique des milieux composites laminés – approximation relative aux films minces liés à un substrat épais) - . Journal of Applied Physics, vol. 62, N o 11, déc. 1987, p. 4438-44, 6 fig., bibl. (19 réf.), American Institute of Physics.
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(5) - SCHMITT...
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