Soutenance de thèse : Adrien LAMBERT

Analyse de la robustesse de HEMT GaN 650 V durant des courts-circuits répétitifs

Doctorant : Adrien LAMBERT

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Depuis les années 1950, l'électronique de puissance s'est développée grâce au silicium, qui est devenu le matériau dominant pour les semi­ conducteurs de puissance. Le silicium a en effet prouvé sa fiabilité, est facile à purifier et, après des décennies de réduction des coûts, est devenu très abordable. Cependant, après cinquante ans d'améliorations, les limites physiques du silicium ont été atteintes et ne répondent plus aux besoins des nouvelles applications, comme des fréquences de fonctionnement plus élevées et une puissance accrue. Les matériaux à large bande interdite (WBG), tels que le diamant, le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), ont émergé pour relever ces défis. En dépit d'une grande vitesse de commutation et d'une conductivité thermique accrue, les composants GaN doivent démontrer leur robustesse et leur fiabilité, notamment face aux courts-circuits, pour être largement adoptés dans des secteurs tels que l'automobile et l'aéronautique. L'étude des courts­ circuits a commencé il y a quelques années avec les premiers travaux observés en 2013. Cependant, les études restent limitées à plusieurs égards. La technologie normalement bloquée des composants p-GaN et cascade a été étudiée presque exclusivement et les tensions les plus élevées n'ont pu être atteintes qu'au prix de concessions (environnement surchauffé, augmentation de la résistance de grille). La littérature est inexistante pour la technologie normalement passante. De plus, les études actuelles se concentrent principalement sur la robustesse des composants face à un unique court-circuit destructif et sur le temps avant défaillance. Plutôt que de réaliser des courts-circuits destructifs, avec une analyse du composant d'autant plus difficile une fois celui-ci détruit, il a été décidé de réaliser des courts-circuits répétitifs et non destructifs. Ces courts-circuits sont entrecoupés de caractérisations électriques afin d'identifier les variations paramétriques et de mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de défaillance. L'étude des dommages induits constitue donc un point clé et contribuera à la conception de puces plus robustes face aux courts­ circuits. Deux fournisseurs de composants GaN de 650 V ont été sélectionnés, incluant des composants normalement passants et normalement bloqués. Un banc d'essai de courts-circuits spécifiquement conçu pour les composants GaN HEMT de 650 V a ainsi été développé. Il se compose de trois parties : une carte mère d'alimentation, une carte tille pour le composant, et une carte de commande. Un sarcophage a été conçu par impression 3D. Il maintient le composant par pression sur la carte tille et élimine la nécessité de souder les composants, réduisant ainsi les contraintes thermiques sur la carte lors des soudures et dessoudures successives. Cependant, la tâche s'est avérée plus ardue que prévu. Malgré les soins particuliers apportés au routage et à la compacité des cartes électroniques, dans le but de réduire l'inductance de boucle, les premiers tests n'étaient pas du tout concluants. Le banc expérimental a par conséquent dû être considérablement revu et optimisé. Une simulation SPICE a été développée pour aider à mieux comprendre les phénomènes parasites. La réduction des courants de mode commun a été d'une importance primordiale, grâce à l'utilisation de sondes appropriées ou de tores de ferrites. Plusieurs versions du banc d'essai ont été conçues afin obtenir des résultats pertinents en termes de stabilité et conformité en vue des futures normes JEDEC pour les tests de courts-circuits. Différentes variations paramétriques et dynamiques ont été observées. En outre, des composants de même structure et aux caractéristiques similaires, mais provenant de différents fournisseurs, ont donné des résultats sensiblement différents en termes de stabilité et de robustesse face aux courts-circuits. Des hypothèses explicatives ont été formulées à la fin de la thèse.