Soutenance mémoire
Brève histoire de l’IGBT
Ce composant a été mis en évidence pour la première fois par Baliga et al. en 1979 [Bal79]. Au fil des années, il a été mentionné sous plusieurs dénominations avant de prendre son nom définitif. En 1982, RCA a déposé un brevet pour ce composant sous le nom de Conductivity Modulated FET (COMFET) [Rus83] et General Electric sous le nom Insulated Gate Transistor (IGT) [Bal84]. En 1983 Motorola a introduit commercialement ce composant sous le nom de Gain Enhanced MOSFET (GEMFET) [Alo01]. Par la suite, plusieurs autres noms ont été associés à cette structure tels que : IGT14, TGB15 [Arn92], Bipolar MOS Transistor [Per04]. Depuis le début années 1990, les fabricants utilisent couramment le nom IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistors.
Technologie Non-Punch-Through
Cette technologie est appelé Non-Punch-Through (NPT) car la structure interne de l’IGBT est conçue avec une zone N- épaisse (cf. Figure I.7), de sorte que la couche de déplétion reste dans cette zone et n’atteigne jamais la couche d’injection P de la face arrière, lorsque le composant est dans un état bloqué. Par conséquent, les IGBTs NPT ne comportent pas de région tampon N+ nécessaire dans la structure PT afin de réduire l’élargissement de la couche de déplétion. Pour ce type d’IGBT, le substrat P+ est très mince et généralement réalisé par implantation ou diffusion. [Lef05]. Cette couche a pour rôle de contrôler la quantité totale de charges injectées dans la couche N- contribuant à une faible perte lors la commutation [Kha03]. Bien que le transistor NPT ait généralement des pertes de commutation plus faibles que l’IGBT PT, la région N- épaisse de ce transistor provoque une augmentation de la chute de tension à l’état passant. Ceci est défavorable pour les applications dont la tension est inférieure à 1200 V [Per03]. La structure NPT offre l’avantage d’avoir un coefficient de température positif, ce qui donne à l’IGBT une bonne répartition de courant lors la mise en parallèle de puces [Mou08]. Cette structure est largement adoptée pour les applications dont les tensions dépassent les 1200 V. Par contre, elle est difficile à mettre en œuvre pour les IGBT 600 V, car elles nécessitent une manipulation minutieuse de substrat avec une épaisseur de 70 μm. Il est à noter que ce problème est aujourd’hui résolu par l’utilisation de la technologie « thin wafer PT-IGBT ».
Microscope thermique à sonde locale
La microscopie thermique à sonde locale (Scanning Thermal Microscopy en anglais : SThM) a été introduite pour la première fois en 1986 par Clayton C. Williams [Wil86]. Le principe de fonctionnement du SThM est basé sur celui du microscope à force atomique (AFM) utilisé en mode « contact – force constante » et équipé de sondes thermiques nano-fabriquées avec des éléments résistifs afin d’atteindre une résolution spatiale et une sensibilité thermique élevées. Dans cette technique, le capteur thermique est placé sur la pointe d’AFM (cf. figure I.16), ce qui facilite énormément la cartographie thermique de la surface supérieure de l’échantillon. Lorsque la sonde balaye en mode contact la surface d’un échantillon, un transfert de chaleur localisé entre la surface de l’échantillon et la pointe de la sonde entraîne un changement de la température de la pointe. De cette manière, on obtient la température en chaque point parcouru par la pointe ainsi qu’une topographie de l’échantillon. Le capteur thermique peut être utilisé dans deux modes : le mode passif et le mode actif [Vol07, Dil07]. Dans le mode passif, la pointe agit uniquement comme un capteur tandis que dans l’autre mode, la pointe est simultanément la source de l’échauffement et le capteur. En fonction du mode d’utilisation du capteur, le contraste de l’image thermique permet soit l’analyse du champ de température en surface d’échantillons, soit la caractérisation de propriétés thermiques locales de matériaux telles que leur conductivité thermique ou leur température de transition de phase.
Mesure de la température par la spectroscopie Raman
La mesure thermique par la spectroscopie Raman se déduit du transfert d’énergie inélastique entre les photons et les phonons présents dans la matière. En effet, lorsque la température du composant étudiée varie, les paramètres de phonons varient aussi. La variation de la température a pour conséquence de modifier l’énergie des phonons en changeant ainsi leur fréquence. La modification de la fréquence des phonons entraine le déplacement de la position des raies de Raman. Le déplacement de ces raies est donc la signature du comportement thermique du composant. La figure I.19, issue de [Mou15], représente un exemple de spectre de diffusion Raman d’un wafer de silicium non contraint à différentes températures. Sur cette figure, on constate que plusieurs paramètres caractéristiques des pics Raman varient avec la température. Ainsi, lorsque la température augmente, les raies se déplacent vers les basses fréquences. Une augmentation de leurs largeurs à mihauteur et une diminution de leurs amplitudes sont également observées. Plusieurs publications ont déjà relayé l’efficacité de la spectroscopie Raman, pour effectuer des études thermométriques, et ce, pour une diversité de composants de puissance [Koc15a, Koc15b, Bro18,Lan09].
Détection du signal de thermoréflectance ΔR
Le développement des techniques de modulation optique date des années 1960 [Car69]. Elles ont été développées principalement par [Car66, Pol94, Asp83, Nis76]. Au début, elles ont été utilisées pour étudier la structure de bande et la fonction diélectrique des semi-conducteurs [Mat68]. Par la suite, l’application de ces méthodes s’est élargie pour étudier les propriétés des micros et nanostructures (puits quantiques, super réseaux), ainsi que pour la caractérisation des composants électroniques (transistors de puissance, lasers à semi-conducteurs, …). Ces techniques permettent de mesurer et traiter les changements dans la réponse des constantes optiques due à un changement périodique tel qu’un champ électrique (spectroscopie d’électro-modulation), une pression (spectroscopie de piézo-modulation), une température (thermo-modulation) et un stress (spectroscopie piézo modulation). La spectroscopie de thermoréflectance est l’une des techniques de modulation reposant sur la mesure du changement de la réflectivité provoquée par la variation périodique de la température de l’échantillon. En effet, plusieurs techniques ont été mises en œuvre pour mesurer ce changement en réflectivité. Dans la suite, les principes de ces méthodes seront abordés.
Méthodes du domaine spatial
Les méthodes du domaine spatial s’appliquent à l’image elle-même et sont basées sur la manipulation directe des pixels. Ces méthodes sont simples et intuitives, mais elles présentent l’inconvénient de posséder un temps de calcul assez long [CHA16]. Parmi les méthodes du domaine spatial, la corrélation croisée [Bru93, Ooi91, lou01, Bri01, Lat05, Luo10, Li16] est la méthode la plus utilisée. Cette technique est basée sur la mesure du degré de similarité entre deux images. Dans un souci pédagogique, nous présenterons dans un premier temps la corrélation croisée d’un signal continu à une dimension puis la corrélation croisée discrète à deux dimensions caractéristiques des calculs menés sur des images. Enfin, nous présenterons la corrélation croisée normalisée à deux dimensions.
Corrélation croisée subpixellisé : Méthode de Guizar
Manuel Guizar-Sicairos a développé une méthode de calcul optimisée en 2008 afin de recaler des images par une translation en sous unités de pixels [Gui08]. Sa méthode permet de recaler des images avec la même précision que celle obtenue par l’approche zéro padding et FFT mais avec une énorme réduction du temps de calcul et de besoins en mémoire. En effet, l’approche FFT habituelle provoque un énorme gaspillage de mémoire et de temps de traitement car elle doit traiter toute la matrice de dimensions sur échantillonnée par le zéro padding. Afin surmonter cette limitation de performance, deux étapes sont proposées par l’algorithme de Guizar pour améliorer l’efficacité de recalage : Dans une première étape, on cherche une estimation de l’emplacement du pic de corrélation croisée entre deux images en utilisant l’approche FFT habituelle avec un facteur de sur échantillonnage égale à 2.
|
Table des matières
Chapitre I : Mesures thermiques en électronique de puissance
1. Introduction
2. Module de puissance
3. Présentation du transistor IGBT
3.1. Brève histoire de l’IGBT
3.2. Description générale
3.3. Aperçu structurel
3.4. Circuit électrique équivalent
3.5. Les technologies de l’IGBT
3.5.1. Technologie Punch-Through
3.5.2. Technologie Non-Punch-Through
3.5.3. Comparaison entre les technologies Punch-Through et Non-Punch-Through
3.5.4. Technologie à grille en tranchée (Trench Gate)
3.6. Transfert de chaleur dans l’IGBT
3.7. Problèmes thermiques dans l’IGBT
4. Les méthodes de caractérisation en température
4.1. Méthodes électriques
4.2. Thermographie Infrarouge
4.3. Microscope thermique à sonde locale
4.4. Spectroscopie Raman
4.4.1. Principe physique
4.4.2. Mesure de la température par la spectroscopie Raman
4.5. La Thermoréflectance
4.6. Comparaison des différentes techniques de caractérisations thermiques
5. État de l’art sur la technique de thermoréflectance
5.1. Principe physique
5.2. Détection du signal de thermoréflectance ΔR
5.2.1. Principes de mesure homodyne
5.2.2. Principes de mesures hétérodynes (détection synchrone multiplexée)
5.2.3. Principe de mesures en régime transitoire
5.2.3. Récapitulatif des différentes techniques de mesure
5.3. Calibration en température
5.3.1. Calibration de k moyenne
5.3.2. Calibration par la méthode pixel par pixel
5.3.3. Comparaison des différentes techniques de mesure
5.4. Problématiques des mesures
6. Conclusion
Chapitre II : Traitement images en thermoréflectance
1. Introduction
2. Notions préliminaires sur le recalage d’image
2.1 Définition d’une image numérique
2.2. Définition du recalage d’image
2.3. Principe mathématique du recalage
2.4. Espace de transformation d’image
2.4.1. Domaine des transformations
2.4.2. Nature des transformations
3. Classification des méthodes de recalage
3.1 Méthodes du domaine spatial
3.1.1 Corrélation croisée à une dimension de signaux continus
3.1.2. Corrélation croisée à deux dimensions de signaux discrets
3.1.3. Corrélation croisée normalisée à deux dimensions
3.2 Méthodes du domaine fréquentiel
3.2.1. Outils fondamentaux pour les méthodes fréquentielles
3.2.1.1. Transformée de Fourier bidimensionnelle
3.2.1.2. Transformée de Fourier discrète bidimensionnelle
3.2.1.3. Transformée de Fourier rapide
3.2.2. Corrélation de phase
4. Principe de subpixellisation dans les méthodes de corrélation
4.1. Corrélation de phase subpixellisé : Méthode de Foroosh
4.2. Corrélation croisée subpixellisé : Méthode de zero padding et FFT
4.3. Corrélation croisée subpixellisé : Méthode de Guizar
5. Application des méthodes de recalage par corrélation subpixellisé en thermoréflectance
5.1. Problématique relative aux mesures par thermoréflectance
5.2. Nature de la transformation subie par les images sous injection de puissance
5.3. Estimation de la translation entre les images
6. Choix de la méthode de recalage
6.1. Critères d’évaluation de la meilleure méthode : Facteurs de qualité
6.1.1. Intensité moyenne
6.1.2. Soustraction d’images
6.1.3. Moyenne des valeurs absolues des intensités des images soustraites
6.2. Application pratique de facteur des qualités sur les images
6.2.1. Moyenne des intensités d’images
6.2.2. Valeur absolue de la soustraction d’images
6.2.3. Valeur absolue de la moyenne des intensités des images soustraites
7.Choix du pas de subpixellisation optimal avec Guizar
7.1. Etude du pas de subpixellisation optimal
7.2. Étude de l’effet de recalage sur l’intensité d’un pixel
8. Étude de l’effet du recalage sur la calibration par la méthode de 4 buckets
9. Conclusion
Chapitre III : Optimisation du banc de thermoréflectance en régime statique
1. Introduction
2. Présentation du banc expérimental de thermoréflectance
2.1. Description générale
2.2. Equipement du banc expérimental de thermoréflectance
2.2.1. Microscope
2.2.2. LED
2.2.3. Filtres dichroïques
2.2.4. Caméra
2.2.5. Spectromètre optique
2.2.6. Contrôleur de température
2.2.7. Capteur de température à fibre optique
2.2.8. Platine de positionnement motorisée
2.2.9. Système piézo-électrique de focalisation
3. Réponse en tension de la LED
4. Stabilité et homogénéité de la LED
5. Linéarité des détecteurs optiques
6. Étude de bruit de la camera
6.1. Sources de bruits d’une caméra CMOS
6.1.1. Bruit de photons
6.1.2. Bruit d’obscurité
6.1.3. Bruit de lecture
6.1.4. Bruit total
6.2. Estimation expérimentale de bruit
6.2.1. Bruit de photons
6.2.2. Bruit d’obscurité
6.2.3. Bruit de lecture
6.2.4. Bruit total de la camera
6.2.5. Bruit total d’un pixel
6.2.6. Discussion sur le rapport signal à bruit
7. Optimisation de mesure sur la métallisation d’émetteur d’IGBT
7.1. Description générale de l’échantillon
7.2. Optimisation de paramètres expérimentaux avant les mesures
7.2.1. Choix de la longueur d’onde λ
7.2.2. Influence de l’accumulation d’images sur le rapport signal à bruit
7.2.3. Choix de fréquence d’excitation
7.3. Étalonnage en température sur la métallisation de l’émetteur d’IGBT.
7.3.1. Calibration par la méthode 4 buckets
7.3.2. Calibration par la méthode k fixe
7.3.3. Calibration par la méthode pixel par pixel
7.3.4. Comparaison des différentes techniques de mesure
7.3. Mesure de la variation de la réflectivité
7.4. Mesure thermique
8. Conclusion
Chapitre IV : Mesures thermiques par thermoréflectance en électronique de puissance : Application à l’ IGBT
1. Introduction
2. Mesures thermiques sur la métallisation de l’émetteur d’une puce IGBT « vieillie »
2.1. Vieillissement par cyclage actif
2.1.1. Principe du test
2.1.2. Conditions de test et observation optique
2.2. Mesure de la réflectivité ΔR/R
2.3. Cartographie de coefficient de thermoréflectance
2.4. Cartographie en température
3.1. Faisabilité de la mesure à travers de gel
3.2. Conditions des mesures
3.2.1. Choix de conditions d’excitation
3.2.2. Calibration et choix de la longueur d’onde
3.3. Mesure thermique
4. Conclusion
Conclusion générale et perspectives
References
Télécharger le rapport complet
