S. FORSTER, "Fiabilité fonctionnelle et mécanismes de dégradation des TRIACs soumis aux chocs thermiques par di/dt à la fermeture", Thèse, Université de Metz, 10 septembre 2001.
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Thèse : [THESE109]

Titre : S. FORSTER, Fiabilité fonctionnelle et mécanismes de dégradation des TRIACs soumis aux chocs thermiques par di/dt à la fermeture, Thèse, Université de Metz, 10 septembre 2001.

Cité dans : [DATA033] Liste des publications de Thierry LEQUEU et activités de recherche, janvier 2018.
Cité dans :[PAP360]
Auteur : Stéphane FORSTER

Date : 10 septembre 2001
Lieu : UNIVERSITE DE METZ, présentée à l'Ecole d'Ingénieurs de Tours.
Info : THESE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE l'UNIVERSITE DE METZ
Spécialité : Electronique - Ecole Doctorale : PROMEMA
Discipline : Sciences de l'ingénieur
Stockage : bibliothèque LMP.
Vers : Table des matières
Vers : Chapitre I Environnement expérimental 3
Vers : Chapitre II Modes de défaillance électrique et physique 36
Vers : Chapitre III Mécanismes de dégradation 71
Vers : Chapitre IV Fiabilité : analyse de survie et tests accélérés 116
Vers : Chapitre V Durcissement et méthodologie 153
Vers : Références 173
Vers : Annexes 177
Vers : Bibliographie
Vers : Quelques adresses Internet

JURY :
C. ZARDINI Professeur, ENSEIRB, Université de Bordeaux Rapporteur
F. FOREST Professeur, LEM, Université de Montpellier Rapporteur
T. LEQUEU Maître de Conférences, LMP, Université de Tours Examinateur
A. HOFFMANN Maître de Conférences, HDR, CEM2, Université de Montpellier Examinateur
G. CAZAUBON Responsable assurance qualité produits et fiabilité, STMicroelectronics, Tours Examinateur
J.P. CHARLES Professeur, C2EA-CLOES, Université de Metz Directeur de Thèse
R. JERISIAN Professeur, LMP, Université de Tours Co-directeur

RESUME :
Les TRIACs sont des interrupteurs bidirectionnels en courant et tension, généralement protégés
des parasites du secteur (dV/dt) par un CALC. Ce circuit de protection provoque à la fermeture des
TRIACs une forte contrainte électrique (di/dt), responsable de la dégradation prématurée des composants.
L’auteur étudie les effets thermoélectriques et thermomécaniques de la fermeture des TRIACs sous fort
di/dt par l’intermédiaire de simulations transitoires ISE et de l’analyse de défaillance. Le mécanisme de
dégradation est caractérisé par la formation de points chauds dans la structure (choc thermique par di/dt)
qui induisent des forces mécaniques de tension dans la puce. A chaque cycle de commutation, ces
contraintes mécaniques développent les défauts initiaux en micro-fissures soit dans le volume du silicium,
soit à l'interface avec le contact métallique. L’analyse statistique de cette fatigue thermique des TRIACs
montre que les composants défaillent en suivant une distribution de Weibull. Une loi d’extrapolation de la
durée de vie, obtenue théoriquement par les mécanismes de dégradation, est validée par les tests accélérés
de fiabilité. Cette loi permet notamment d’estimer la durée de vie des TRIACs sous des contraintes di/dt
nominales de fonctionnement.

MOTS_CLES : TRIAC, CALC, di/dt, choc thermique, point chaud, élévation de température, fatigue thermique, contrainte mécanique, fissure, fusion, courant de fuite, fiabilité fonctionnelle, MLE, Weibull, mixture, mortalité infantile, défauts latents, tests accélérés, loi d’extrapolation.

TITLE :
Functional reliability and degradation mechanisms of TRIACs submitted to di/dt thermal shocks at turn-on.
ABSTRACT :
TRIACs are bi-directional current switches that are generally protected from perturbations, like
dV/dt, by a Snubber circuit. This circuit creates, at the turn-on of the TRIACs, high current pulses (di/dt)
responsible of the early degradation of the power devices. The author studies the thermoelectric and
thermomecanical effects of the turn-on of TRIACs under strong di/dt through transient ISE simulations
and failure analysis. The degradation mechanism is characterised by the formation of hot spots in the
structure (silicon undergoes a thermal shock) that induce mechanical tensile forces in the die. These cycles
of mechanical stress develop the initial defects in fatigue micro-cracks in the silicon bulk or at the interface
with the metallic contact. The statistical analysis of the thermal fatigue of the TRIACs shows that the
device failures follow a Weibull distribution. An extrapolation law, obtained theoretically from the
degradation mechanism, is validated by accelerated life tests. This law is used to estimate the lifetime of
the TRIACs under nominal di/dt for a defined application.

KEY_WORDS : TRIAC, Snubber, di/dt, thermal shock, hot spot, thermal gradient, thermal fatigue, mechanical stress, crack, fusion, leakage current, functional reliability, MLE, Weibull, mixture, infantile mortality, latent defect, accelerated life tests, extrapolation law.


Table des matières

TOP

Introduction 1


Chapitre I Environnement expérimental 3

TOP

I.1 Présentation des structures thyristors et TRIACs 5
I.1.1 Le thyristor 5
I.1.2 Le TRIAC 7
I.1.3 Applications du TRIAC 9
I.1.3.1 Réglage de phase 9
I.1.3.2 Gradateur 10
I.1.3.3 Relais statique 12
I.1.4 Conclusion 12
I.2 Présentation de l'environnement de test 14
I.2.1 Description des TRIACs utilisés 14
I.2.1.1 Technologie de fabrication 14
I.2.1.2 Caractéristiques électriques 15
I.2.2 Circuit de test 16
I.2.2.1 Cahier des charges 16
I.2.2.2 Générateur d'impulsions 16
I.2.2.3 Platine de commutation 17
I.2.3 Conclusion 20
I.3 Présentation de la contrainte appliquée 21
I.3.1 Environnement de simulation 21
I.3.1.1 Le circuit de commutation 21
I.3.1.2 Optimisation de la simulation 21
I.3.1.3 Structure simulée du TRIAC dans les quadrants Q1 & Q2 22
I.3.1.4 Structure simulée du TRIAC dans les quadrants Q3 & Q4 23
I.3.2 Mécanisme de fermeture par la gâchette avec fort di/dt dans le quadrant Q2 25
I.3.3 Mécanisme de fermeture par la gâchette avec fort di/dt dans le quadrant Q3 29
I.3.4 Conclusion 34


Chapitre II Modes de défaillance électrique et physique 36

TOP

II.1 Modes de défaillance électrique 38
II.1.1 Modes de défaillance électrique des TRIACs soumis à des di/dt répétitifs 38
II.1.2 Modes de défaillance électrique des Z0103MA 38
II.1.3 Notion de sévérité de la contrainte 39
II.2 Modes de défaillance physique 40
II.2.1 Etude des TRIACs dégradés dans le quadrant Q2 par des di/dt répétitifs 41
II.2.1.1 TRIAC dégradé avec un di/dt = 180 A/µs et î = 21,5 A (pièce H) : IR = 4 µA 41
II.2.1.2 TRIAC dégradé avec un di/dt = 180 A/µs et î = 21,5 A (pièce F) : IR = 2 µA 43
II.2.1.3 TRIAC dégradé avec un di/dt = 94 A/µs et î = 8,5 A (pièce 8-3) : IR = 8 µA 44
II.2.1.4 TRIAC dégradé avec un di/dt = 94 A/µs et î = 8,5 A (pièce 28-2) : IR =10µA 45
II.2.1.5 TRIAC dégradé avec un di/dt = 94 A/µs et î = 8,5 A (pièce 6-3) : IR = 48 µA 46
II.2.1.6 TRIAC dégradé avec un di/dt = 94 A/µs et î = 8,5 A (pièce 19-3) : IR >50µA 48
II.2.1.7 TRIAC dégradé avec un di/dt = 94 A/µs et î = 8,5 A (pièce no 9-3) : IR > 50 µA 50
II.2.1.8 Effets électriques des défauts physiques 52
II.2.1.9 Synthèse 57
II.2.2 Etude des TRIACs dégradés dans le quadrant Q3 par des di/dt répétitifs 58
II.2.2.1 TRIAC dégradé avec un di/dt = -400 A/µs (pièce 3-19) : c-c IR et ID >50µA 58
II.2.2.2 TRIAC dégradé avec un di/dt = -400 A/µs (pièce 6-19) : c-c IR et ID >50µA 59
II.2.2.3 TRIAC dégradé avec un di/dt = -320 A/µs (pièce 40-20) : IR et ID > 50 µA 60
II.2.2.4 TRIAC contraint avec un di/dt = - 410 A/µs (pièce 39-23) 63
II.2.2.5 TRIAC dégradé avec un di/dt = - 360 A/µs (pièce 1-24) : IR et ID > 50 µA 63
II.2.2.6 TRIAC dégradé avec un di/dt = - 360 A/µs (pièce 27-24) : IR et ID > 50 µA 68
II.2.2.7 TRIAC dégradé avec un di/dt = - 360 A/µs (pièce 7-24) : IR et ID > 50 µA 68
II.2.2.8 TRIAC dégradé avec un di/dt = - 360 A/µs (pièce 12-24) : IR et ID > 50 µA 69
II.2.2.9 Synthèse 69


Chapitre III Mécanismes de dégradation 71

TOP

III.1 Mécanisme de dégradation de TH1 par di/dt dans le quadrant Q2 73
III.1.1 Simulation thermoélectrique de la fermeture 73
III.1.1.1 Structure simulée dans le quadrant Q2 73
III.1.1.2 Simulation thermoélectrique de la fermeture par la gâchette avec un fort di/dt 74
III.1.1.3 Modélisation de la montée de la température 79
III.1.1.4 Application du modèle aux simulations thermoélectriques 81
III.1.1.5 Application du modèle aux mesures thermiques des TRIACs 81
III.1.2 Simulation thermomécanique de la fermeture 82
III.1.2.1 Structure simulée 82
III.1.2.2 Système thermique 83
III.1.2.3 Equations du système mécanique 84
III.1.2.4 Conditions thermomécaniques aux limites 85
III.1.2.5 Cartes des allongements relatifs et contraintes mécaniques 86
III.1.3 Initiation et propagation de fissures 88
III.1.3.1 Initiation des fissures 88
III.1.3.2 Propagation sub-critique des fissures par fatigue thermique 89
III.1.3.3 Fracture des fissures 91
III.1.4 Synthèse du mécanisme de dégradation dans Q2 93
III.2 Mécanisme de dégradation de TH2 par di/dt dans le quadrant Q3 96
III.2.1 Simulation thermoélectrique de la fermeture 96
III.2.1.1 Structure simulée dans le quadrant Q3 96
III.2.1.2 Simulation thermoélectrique de la fermeture par la gâchette avec un fort di/dt 96
III.2.1.3 Etude du point chaud volumique 100
III.2.1.4 Etude du point chaud surfacique 101
III.2.2 Simulation thermomécanique de la fermeture 102
III.2.2.1 Système thermique 102
III.2.2.2 Système mécanique 102
III.2.3 Effets thermomécaniques des points chauds dans le thyristor TH2 105
III.2.3.1 Mécanisme de fusion du point chaud volumique 105
III.2.3.2 Mécanisme de fusion du point chaud surfacique 106
III.2.3.3 Fatigue de la métallisation de cathode 106
III.2.3.4 Fatigue du silicium 110
III.2.4 Synthèse du mécanisme de dégradation dans Q3 112


Chapitre IV Fiabilité : analyse de survie et tests accélérés 116

TOP

IV.1 Fiabilité des TRIACs dans le quadrant Q2 119
IV.1.1 Analyse de survie 119
IV.1.1.1 Collecte des données 119
IV.1.1.2 Distribution de Weibull 121
IV.1.1.3 Représentation graphique 122
IV.1.1.4 Estimation des paramètres de la loi de distribution 122
IV.1.1.5 Courbe de probabilité avec VA = 300 V, di/dt = 80 A/µs et î = 7 A 123
IV.1.1.6 Courbe de probabilité avec VA = 300 V, di/dt = 94 A/µs et î = 8,5 A 125
IV.1.1.7 Courbe de probabilité avec VA = 300 V, di/dt = 110 A/µs et î = 9,5 A 127
IV.1.1.8 Courbe de probabilité avec VA = 300 V, di/dt = 130 A/µs et î = 11 A 129
IV.1.1.9 Courbe de probabilité avec VA = 300 V, di/dt = 70 A/µs et î = 6 A 131
IV.1.1.10 Mécanisme de dégradation et distribution de Weibull 133
IV.1.2 Tests accélérés 134
IV.1.2.1 Vérification de la possibilité d'accélération 134
IV.1.2.2 Loi d'accélération 135
IV.1.2.3 Représentation graphique 136
IV.1.2.4 Estimation des paramètres de la loi d'accélération 136
IV.1.2.5 Application de la loi d'accélération aux TRIACs Z0103MA 137
IV.1.2.6 Extension de la loi d'accélération 138
IV.2 Fiabilité des TRIACs dans le quadrant Q3 140
IV.2.1 Analyse de survie 140
IV.2.1.1 Différentes distributions de Weibull 140
IV.2.1.2 Distribution de Weibull à 5 paramètres 141
IV.2.1.3 Courbe de probabilité avec VA = -300 V et di/dt = -320 A/µs 143
IV.2.1.4 Courbe de probabilité avec VA = -300 V et di/dt = -360 A/µs 144
IV.2.1.5 Courbe de probabilité avec VA = -300 V et di/dt = - 410 A/µs 145
IV.2.1.6 Courbe de probabilité avec VA = -300 V et di/dt = - 270 A/µs 146
IV.2.1.7 Mécanisme de dégradation et distribution de Weibull 147
IV.2.2 Tests accélérés 147
IV.2.2.1 Vérification de la possibilité d’accélération 147
IV.2.2.2 Loi d'accélération de l'usure de la métallisation 148
IV.2.2.3 Loi d'accélération de la fatigue du silicium 149
IV.2.2.4 Validation du mécanisme de dégradation 151


Chapitre V Durcissement et méthodologie 153

TOP

V.1 Améliorations de la conception du TRIAC 155
V.1.1 Gravure de cathode 155
V.1.1.1 Structure classique 155
V.1.1.2 Structure optimisée 156
V.1.1.3 Mécanisme de fermeture 158
V.1.2 Largeur du court-circuit de gâchette 159
V.1.3 Recommandations sur la conception thermique 159
V.1.3.1 Point chaud volumique 159
V.1.3.2 Point chaud surfacique 160
V.1.3.3 Simulation et mesure de la température des points chauds 160
V.2 Améliorations au niveau du processus de fabrication 161
V.2.1 Défauts ponctuels volumiques des émetteurs 161
V.2.1.1 Défauts ponctuels de l'émetteur N3+ en face arrière 161
V.2.1.2 Défauts ponctuels de l'émetteur N1+ en face avant 162
V.2.2 Défauts d'interface du contact métal semi-conducteur 163
V.2.2.1 Défauts d'interface du silicium 163
V.2.2.2 Défauts d'interface avec le métal 163
V.2.3 Déverminage des composants 163
V.3 Améliorations au niveau de l’application 164
V.4 Méthodologie d'analyse des défaillances 165
V.4.1 Environnement expérimental 165
V.4.2 Les tests de laboratoire 165
V.4.3 Tests accélérés qualitatifs 166
V.4.4 Les modes de défaillance 166
V.4.5 Fiabilité : tests accélérés quantitatifs 166
V.4.6 Mécanisme de dégradation 167
V.4.7 Procédure d'analyse 168
Conclusion 170


Références 173

TOP

Vers : Bibliographie

Annexes 177

TOP

A Généralités sur les structures TRIACs 179
A.1 Technologies de fabrication des TRIACs 179
A.1.1 Technologie MESA 179
A.1.2 Technologie TOP 181
A.2 Caractéristiques statiques d'un TRIAC 183
A.2.1 Caractéristique IA (VAK ) 183
A.2.2 Caractéristique statique IG (VGK ) 185
A.3 Amorçages par la gâchette 186
A.3.1 Quadrant Q1 (++) 186
A.3.2 Quadrant Q2 (+-) 187
A.3.3 Quadrant Q3 (--) 187
A.3.4 Quadrant Q4 (-+) 189
A.4 Amorçages par dV/dt 190
A.4.1 dV/dt statique 190
A.4.2 dV/dt en commutation 191
A.5 Amorçage par retournement 192
A.6 Mécanisme de fermeture par la gâchette avec fort di/dt dans le quadrant Q2 193
A.7 Mécanisme de fermeture par la gâchette avec fort di/dt dans le quadrant Q3 204

B Variation des caractéristiques électriques avec le CALC 213

C Les tests en fiabilité 214
C.1 Les différents types de contraintes 214
C.2 Les tests standards 215
C.2.1 HTS ("High Temperature Storage") 215
C.2.2 THB ("Temperature Humidity Bias") 215
C.2.3 HTRB ("High Temperature Reverse Bias") 215
C.2.4 T/C ("Thermal Cycles") 215
C.2.5 T/S ("Thermal Shocks") 216
C.2.6 Tests d'intégrité du boîtier ("Package Tests") 216
C.3 Les tests fonctionnels 217
C.3.1 Fatigue thermique ("thermal fatigue") ou test cyclique de puissance 217
C.3.2 Courants accidentels ("repetitive surge") 217
C.3.3 Chocs thermiques par di/dt ("hammering") 217
C.4 Lois d'accélération 218
C.4.1 Loi d'Arrhenius 218
C.4.2 Loi d'Eyring 218
C.4.3 Loi de puissance inverse 218
C.4.4 Loi température humidité 218
C.4.5 Loi température – non thermique 219

D Modèles physiques du simulateur ISE-DESSIS 220
D.1 Modèles électriques 220
D.1.1 Equation de Poisson 220
D.1.2 Equations de continuité des électrons et trous 220
D.1.3 Equations de diffusion des électrons et trous 220
D.1.4 Recombinaison – génération Shockley-Read-Hall (SRH) 220
D.1.5 Avalanche d'une jonction 221
D.2 Dépendance des modèles avec le dopage et le champ 221
D.2.1 Dépendance des durées de vie avec le dopage 221
D.2.2 Dépendance de la mobilité des porteurs avec le champ électrique 222
D.2.3 Mobilité à faible champ 222
D.2.4 Dépendance de la mobilité de volume avec le dopage 223
D.3 Dépendance des modèles avec la température 224
D.3.1 Dépendance de la mobilité avec la température 224
D.3.2 Dépendance des durées de vie avec la température 224
D.3.3 Dépendance de la concentration intrinsèque avec la température 224
D.3.4 Modèle thermodynamique 224
D.3.5 Dépendance de la conductivité thermique avec la température 225
D.3.6 Dépendance de la capacité thermique avec la température 225

E Fichiers de simulation ISE-DESSIS 226
E.1 Fichier de commande DES.CMD 226
E.2 Fichier de la structure MDR.CMD 228
E.3 Fichiers de commande de la gâchette et du CALC 229
E.3.1 Fichier VG.PWL 229
E.3.2 Fichier VR.PWL 229

F Fichiers de simulation ISE-SOLIDIS 230
F.1 Fichier de commande SOL.CMD 230
F.2 Fichier de la structure SOL.GRD 231
F.3 Fichier de paramètres SOL.PAR 231
F.4 Fichiers de la source de chaleur 232
F.4.1 Fichier XDIST 232
F.4.2 Fichier YDIST 232

G Estimation par maximum de vraisemblance 233
G.1 Script Matlab du maximum de vraisemblance 233
G.2 Script Matlab du logarithme de la vraisemblance 235
G.3 Surface de vraisemblance 235
G.4 Analyse de survie 236

H Banc de test de fiabilité 237
H.1 Banc de commutation 237
H.2 Banc de mesure des TRIACs 238

I Spécifications des TRIACs Z0103MA 240

J Dimensions de la structure TRIAC Z0103MA en boîtier TO92 247


Bibliographie

TOP

Références :
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[ALOI-86] : P. ALOISI, "La fatigue thermique", Electronique de Puissance, no. 24, pp. 31-39.
[ALOI-87] : P. ALOISI, "Thermal fatigue in power semiconductor", PCI'87.
[ALOI-91] : P. ALOISI, "Failure diagnosis in medium power semiconductor", EPE'91, Firenze, vol. 3, pp. 117-119.
[ARNO-92] : J. ARNOULD, P. MERLE, "Dispositif de l'électronique de puissance volume 1 et 2", 1992, édition Hermès.
[BAJE-99] : T.I. BAJENESCU, M.I. BAZU, "Reliability of electronics components - A pratical guide to electronic systems manufactoring", Springer, 1999, 509 pages.
[BALI-96] : B.J. BALIGA, "Power Semiconductor devices", 1996, PWS Publishing Company.
[BEND-96] : V. BENDA, "Reliability of power semiconductor devices - Problems and trends", PEMC'96, vol.1, pp. 30-35, 2-4 sept 1996.
[BERR-60] : J.P. BERRY, "Some kinetic considerations of the Griffith criterion for fracture- Equations of motion at constant deformation", J. Mech. Phys. Solids, 1960, vol. 8, pp. 207-216.
[BLUN-79] : P. BLUNT, "Reliable thyristors and triacs in TO-220 plastic packages", Electronic Components and Application, vol. 2, no 1, 1979, pp. 53-58.
[BROE-82] : D. BROEK, "Elementary Engineering Fracture Mechanics", juin 1982, Martinus Nijhoff Publishers, 524 pages.
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[CAST-99] : T.CASTAGNET, "New Triacs : is the Snubber circuit necessary ?", note d'application STMicroelectronics, 1999.
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[DASG-92] : A. DASGUPTA, J.M. HU, "Failure mechanism models for brittle fracture", IEEE Transactions on Reliability, vol. 41, no. 3, septembre 1992, pp. 328-335.
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[FORS2-00] : S. FORSTER, T. LEQUEU, R. JERISIAN,A. HOFFMANN, "3-D analysis of the breakdown localized defects of ACS(tm) through a triac study", Microelectronics Reliability, 2000, vol. 40, pp. 1695-1700.
[FORS-01] : S. FORSTER, T. LEQUEU, R. JERISIAN, "Operation of power semiconductors under transient thermal conditions : thermal fatigue reliability and mechanical aspects", ESREF'2001, Bordeaux, 1-5 octobre 2001.
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[FURB-99] : C. FURBOCK, M. LITZENBERGER, D. POGANY, E. GORNIK, N. SELIGER, T. MULLER-LYNCH, M. STECHER, H. GOBßNER, W. WERNER, "Laser interferometric methode for ns-time scale thermal mapping of Smart Power ESD protection devices during ESD stress", Microelectronics Reliability, no. 39, pp. 925-930, 1999.
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Quelques adresses Internet

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La Toile abonde de sites consacrés aux statistiques, dont voilà un échantillon :
Site : http://www.weibull.com/
Site : http://www.uri.edu/sasdoc/qc/index.htm
Site : http://www.artsci-ccwin.concordia.ca/inte/inte298s/courses/index.htm
Site : http://www.nist.gov/itl/div898/handbook/index.htm
Site : http://www.statsoftinc.com/textbook/stsurvan.html
Site : http://www2.spsu.edu/tmgt/richardson/Statistics/Index.html
Site : http://www.weibullnews.com/fulhomew.html


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