Contribution à la compréhension des effets combinés des contraintes thermiques et d'humidité sur la durée de vie des modules de puissance // Contribution to the understanding of the combined effects of thermal and humidity stresses on the lifespan of powe

Les travaux envisagés s'intègrent dans le cadre d'un projet collaboratif (SiCRET+) regroupant industriels de l'aéronautique et du spatial, de l'automobile, du ferroviaire, des réseaux électriques ainsi que des laboratoires académiques de Toulouse, Paris, Lyon, Bordeaux pour améliorer la connaissance sur la fiabilité des modules SiC : compréhension des modes de défaillance, développement de méthodologies de caractérisation et d'essais de vieillissement, identification de modèles de vieillissement, proposition de règles de conception des modules, surtout quand des puces sont mises en parallèle.
Les modules de puissance (IGBT et MOSFET) sont le cœur des convertisseurs électroniques de puissance. La fiabilité de ces modules de puissance est principalement estimée à travers des modèles de durée de vie empiriques réalisés à partir de tests de cyclage accélérés. Les contraintes usuellement prises en compte sont les contraintes thermiques dues à l'environnement (cyclage passif) ou bien issues de l'auto-échauffement des puces actives pendant les phases de commutation (cyclage actif). Or, le module dans son environnement applicatif (domaines des transports, énergies renouvelables, …) est également soumis à un stress électrochimique causé par l'humidité de l'environnement. Des tests de polarisation inverse à haute humidité et haute température (H3TRB) sont réalisés indépendamment des tests sous cyclage thermique. Néanmoins, une interaction des deux types de stress est possible et peut provoquer une réduction de la durée de vie des modules. Une analyse approfondie de l'effet de l'humidité sur les indicateurs de vieillissement habituellement considérés lors des tests de vieillissement accélérés (VCE, RDS, courant de fuite,…) doit être réalisée dans un premier temps. Dans un second temps, l'effet de la combinaison des contraintes humidité et cyclage thermique actif (PCT) sera à investiguer pour comprendre les effets produits et se rapprocher au mieux des contraintes réelles que les modules de puissance subissent. Enfin, un modèle de durée de vie devra être proposé qui combinerait les paramètres thermo-électriques et d'humidité.
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The proposed work is part of a collaborative project (SiCRET+) involving aerospace and space industry professionals, as well as those from the automotive, railway, and electrical network sectors, and academic laboratories in Toulouse, Paris, Lyon, and Bordeaux. The aim is to improve knowledge on the reliability of SiC modules: understanding failure modes, developing characterization methodologies and aging tests, identifying aging models, and proposing design rules for modules, especially when chips are connected in parallel.

Power modules (IGBT and MOSFET) are the core of power electronic converters. The reliability of these power modules is primarily estimated through empirical lifespan models derived from accelerated cycling tests. The stresses usually considered are thermal stresses due to the environment (passive cycling) or from the self-heating of active chips during switching phases (active cycling). However, in their application environment (such as transportation, renewable energy, etc.), the module is also subjected to electrochemical stress caused by environmental humidity. High Humidity, High Temperature Reverse Bias (H3TRB) tests are conducted independently of thermal cycling tests. Nonetheless, the interaction of these two types of stress is possible and can lead to a reduction in the lifespan of the modules.

An in-depth analysis of the effect of humidity on the aging indicators usually considered during accelerated aging tests (VCE, RDS, leakage current, etc.) must first be carried out. Subsequently, the effect of the combination of humidity and active thermal cycling (PCT) stresses will be investigated to understand the produced effects and closely mimic the actual stresses that power modules endure. Finally, a lifespan model that combines thermo-electrical and humidity parameters will need to be proposed.
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Début de la thèse : 01/10/2024
WEB : https://taleez.com/apply/doctorant-electronique-de-puissance-versailles-irt-antoine-de-saint-exupery-cdd?utm_source=irt-saint-exupery&utm_medium=career

Pôle de compétitivité, Institut de recherche technologique (IRT), institut Carnot

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Bac+5 (M2 ou Ingénieur) dans le domaine de l'EEA Intérêt pour la corrélation entre données expérimentales et numériques dans un cadre coopératif entre différentes institutions et entreprises. Le candidat retenu devra avoir une maîtrise dans certaines des thématiques listées ci-dessous, et des connaissances sur l'ensemble d'entre elles : - Mesures et instrumentation - Fiabilité des composants de puissance - Calculs numériques par éléments finis - Anglais (écrit et oral) : niveau C1 minimum. - Qualités rédactionnelles et de communication. Les compétences personnelles ci-dessous devront être démontrées lors de la présentation du CV ou dans la lettre de motivation : - Rigueur - Curiosité scientifique - Travail collaboratif en équipe - Ecoute / relationnel, pédagogie - Expression claire et concise - Capacité d'analyse et de synthèse - Force de proposition
Bac+5 (Master's degree or Engineering) in the field of EEA (Electronics, Electrical Engineering, Automation) Interest in the correlation between experimental and numerical data within a cooperative framework between different institutions and companies. The selected candidate must have expertise in some of the topics listed below and knowledge of all of them: Measurements and instrumentation Reliability of power components Numerical calculations using finite elements English (written and spoken): minimum level C1 Writing and communication skills The following personal skills should be demonstrated in the CV presentation or in the cover letter: Rigor Scientific curiosity Collaborative teamwork Listening/relational skills, pedagogy Clear and concise expression Analytical and synthesis skills Initiative