Evaluation des solutions d'encapsulation quasi-hermétique pour les composants actifs hyperfréquences

Les composants hyperfréquences embarqués dans des satellites utilisent actuellement l encapsulation hermétique dans des boîtiers métalliques ou céramiques. La très forte amélioration des matériaux organiques en termes de dégazage et d impureté ionique notamment rend possible l utilisation de solutions quasi-hermétiques pour l environnement spatial. Les encapsulations plastiques ouvrent des perspectives avérées de gain de dimension et de coût. La validation d une technologie d encapsulation repose sur la réalisation d essais de fiabilité normatifs (1000 heures à 85C et 85% d humidité relative). Ces essais sont applicables quels que soient le profil de stockage de la mission, le type d encapsulation et la technologie des composants utilisés. Les conditions de réalisation de ces essais ne sont pas clairement définies, par exemple l application ou pas d un fort champ électrique au niveau du composant. Or ce seul paramètre devient prépondérant lorsque les conditions sont réunies pour permettre la mise en place de phénomènes de corrosion. Ces travaux de thèse se sont axés sur la compréhension des mécanismes de défaillance mis en jeu dans des tests de vieillissement accéléré en chaleur humide. Pour cela, une méthodologie a été mise en œuvre pour établir les signatures électriques en statique de composants défaillants de deux filières technologiques de MMICs GaAs. Ces tests ont été reproduits sur des composants avec et sans encapsulation par une résine époxyde chargée silice, déposée selon le procédé dam-and-fill. Ainsi, il a été possible de distinguer les défaillances liées à la dégradation intrinsèque des composants, de l effet protecteur ou non de l encapsulation plastique. En parallèle, le comportement d échantillons de résines sous différentes ambiances de chaleur humide a été testé et une modélisation a été proposée pour prédire leur prise d humidité. Concernant l effet de l encapsulation par dam-and-fill, les résultats obtenus ont été contradictoires et dépendant des lots de composants. Ces résultats sont à pondérer par la taille restreinte de l échantillonnage des files de test. En effet, pour la technologie représentative de cette étude, la présence d une encapsulation plastique, pour un premier lot de composants, a eu tendance d une part, à ne pas éviter ni même retarder l apparition de fuites électriques, et d autre part à aggraver ces dégradations, au point de mener à des défaillances dans la majorité des cas. De plus, des doutes subsistent sur la qualité de ce lot, notamment celle de la passivation. Pour un second lot de composants testés de technologie identique, il a été observé une amélioration de la résistance à l humidité des composants encapsulés, vis-à-vis des puces nues. L analyse de défaillance des composants encapsulés est extrêmement difficile car il faut pouvoir accéder aux défauts à la surface, voire sous la surface, du composant protégé. Une solution alternative a donc été cherchée afin de contourner les problèmes posés par la présence du matériau d encapsulation. La nouvelle approche proposée combine la thermographie infrarouge avec la méthode du point chaud, l imagerie en optique et l analyse aux rayons X. Le défaut est tout d abord localisé par la face avant, malgré la présence de la résine d encapsulation. Ensuite, la transparence du substrat GaAs aux infrarouges permet des observations par la face arrière du composant. Une méthodologie de préparation relativement simple et rapide a pu être proposée et sa faisabilité démontrée.Microwave devices for satellite applications are encapsulated in hermetic packages as metal or ceramic housings. The strong improvement of organic materials, especially outgassing and ionic impurity characteristics, makes it possible to use them as non-hermetic packaging solutions for space environment. Plastic encapsulations open proven gain perspectives of miniaturization and cost. The validation of an encapsulation technology is based on the achievement of standard reliability tests, typically 1000 hours at 85C and 85% of relative humidity. Such tests are applicable regardless of the mission storage profile, devices and packaging technology. Moreover, the conditions of these tests are not clearly defined, e.g. the application or not of a strong electric field to the component. Yet this single parameter becomes dominant when the conditions are met to allow corrosion mechanisms, e.g. by the presence of condensed water and ionic contamination. This thesis focused on understanding the failure mechanisms that can occur during accelerated aging tests in high temperature and high humidity environment. For this work, a methodology has been implemented to establish DC electrical signatures of two different AsGa MMIC technologies. These tests were replicated on components with and without encapsulation by a silica-filled epoxy resin, dispensed by the dam-and-fill process. Thus, it was possible to distinguish failures due to the intrinsic degradation of the components from the effective protection or not of the plastic encapsulation. In parallel, the behavior of resin samples under different moist and heat atmospheres has been tested and a modeling was proposed to predict their moisture uptake. Concerning the effect of the dam-and-fill encapsulation technology, the results were contradictory and dependent of components batch. These results are to balance by the relatively limited size of the sampling for each test series, with and without encapsulation. Indeed, for the representative technology of this work, the presence of dam&fill encapsulation on a first batch of components has tended on one hand not to avoid nor even to delay the appearance of electric leakage, and on the other hand to aggravate these damages in the point to lead to failures in most of cases. Furthermore, doubts remain on the quality of this batch, especially regarding the passivation. For a second batch of devices with the same technology, an improvement of the humidity resistance was observed for encapsulated devices, compared to bare devices. In the failure analysis process of encapsulated devices, it is not possible to access directly to the observation of a defect at its surface. We therefore sought an alternative to overcome the problems represented by the encapsulating materials. A new approach was proposed. It combined infrared thermography method in hot spot mode, X-ray imaging and optical observations. We first located the defect from the front side of the encapsulated device. Then, the transparency of the AsGa substrate allowed infrared observations by the back side of the component. A relatively rapid and simple methodology was proposed and its feasibility demonstrated.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Etude des limites de fonctionnement des transistors hyperfréquences

L'objectif du premier chapitre est de présenter la fiabilité dans le domaine spatial et, plus précisément, d'identifier les mécanismes susceptibles de se produire au cours d'une utilisation des FET sur GaAs en régime fortement non linéaire ("overdrive") correspondant au régime d'électrons chauds. Le deuxième chapitre présente une étude détaillée de la corrélation, d'une part, entre la caractéristique de claquage "off-state" et le réseau de sortie Ids-Vds et, d'autre part, entre la caractéristique de claquage "on-state" et la caractéristique Igs-Vgs en inverse du transistor. Cette étude a permis une meilleure compréhension des formes des lieux de claquage du transistor ainsi que les mécanismes physiques associés à chaque région des lieux de claquage "off-state" et "on-state". La mesure des lieux de claquage du transistor a permis de définir l'aire de fonctionnement du transistor avant vieillissement. Le troisième chapitre propose une nouvelle méthodologie permettant d'évaluer l'aire de sécurité de fonctionnement des FET sur GaAs en régime d'"overdrive" (fortement non linéaire). Cette méthodologie a été définie à partir des essais de vieillissement accéléré DC par étapes effectué dans les régions de claquage "on-state" et "off-state" du transistor. Cette méthodologie a été validée sur une technologie MESFET et deux technologies PHEMT. A partir de ce travail, on a pu définir trois zones de fonctionnement du transistor: Sûr, permis et interdit.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Etude des mécanismes de défaillances et de transport dans les structures HEMTs AlGaN/GaN

Afin de répondre à l exigence croissante de densité de puissance aux hautes fréquences, les chercheurs se sont intéressés aux matériaux à large bande interdite tels que le nitrure de gallium GaN. Les HEMTs (transistors à haute mobilité électronique) AlGaN/GaN ne sont pas stabilisées et donc l analyse de défaillance de ces composants est difficile (défauts multiples).Les mécanismes de défaillance des HEMTs GaAs sont difficilement transposables sur les HEMTs GaN et nécessitent donc une étude approfondie. De plus que les données actuelles sur les effets de pièges ne permettent pas d expliquer facilement des effet parasites comme l effet de coude. Ce qui nécessité de développer de nouvelles procédures d analyse de défaillance adaptées aux composant GaN. Les dégradations induites par les électrons chauds sont difficilement détectables par la technique d émission de lumière standard ce qui a nécessité le développement de la microscopie à émission de lumière dans le domaine de l UV. L objectif principal de ce travail est la mise au point d'une méthodologie d'analyse de défaillance pour les filières GaN et l optimisation des techniques electro-optiques non destructives de localisation de défauts. En vue de l amélioration des procédés technologiques, et de la fiabilité des HEMT GaN.There are several economic and technological stakes, which require the development of suitable techniques for failure analysis on microwave devices, the HEMT (High Electron Mobility Transistor) AlGaN/GaN play a key role for power and RF low noise applications.The technologies are not completely stabilized and the failure analysis is difficult. Which need the development of a non destructive investigation techniques such as electroluminescence technics. To improve the GaN HEMT performance and reliability, understanding the failure mechanisms is critical. The standard emission light is not sufficient for hot-elctron detection in GaN material. And the development of UV light emission become necessary in the AlGaN/GaN HEMT.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Localisation et évolution des sources de bruit en basses fréquences de HEMTs GaN sous contraintes électriques

Les HEMT à base de nitrure de gallium sont des composants très prometteurs en termes de performances en puissance et de fréquence de travail. L'enjeu est donc de développer des technologies performantes et fiables, afin d'intégrer ces transistors aux systèmes hyperfréquences, notamment dans le domaine des télécommunications, et en milieu durci. Les travaux ont été focalisés sur l'étude de la localisation des sources de bruit en excès aux basses fréquences, et de leur évolution suite aux phases de tests de vieillissement accéléré. Les caractérisations électriques ont été réalisées sur des structures fabriquées sur quatre plaques, dont trois sont basées sur une hétérostructure AlGaN/GaN, et la quatrième sur l'hétérostructure AlInN/AlN/GaN. Les résultats obtenus ont permis de valider une méthode de modélisation des sources de bruit en 1/f, localisées dans les zones d'accès aux contacts ohmiques et dans le canal. Des tests de vieillissement accéléré sous contraintes électriques ont permis de détecter des dégradations des performances statiques et du niveau de bruit en excès. Les effets combinés de piégeage et des effets thermiques expliquent ces dégradations, la température s'en étant révélée un facteur d'accélération.The HEMT based on GaN materials are very promising, speaking of performance in power and frequency. The challenge is to develop efficient and reliable GaN based technologies, to intagrate these transistors to power microwave circuits, especially in the telecommunications field and on harsh environment. The work was focused on the study of the location of low frequency noise sources, and their evolution after accelerated life tests. The electrical characterizations were performed on structures made on four different wafers, three based on the AlGaN/GaN heterostructure, and the fourth based on the AlInN/AlN/GaN heterostructure. Thanks to the achieved results, a method for modeling 1/f noise sources, located in the channel and in the ohmic contacts access areas, has been validated. Life tests under electrical stress have been performed to detect DC and excess noise degradation. These degradations are explained by combined effects of trapping and thermal phenomena, with the temperature as an acceleration factor of degradation.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Etude et simulation physique des effets parasites dans les HEMTs AlGaN/GaN

Le développement des systèmes de télécommunication et de transfert d informations motive la mise au point de systèmes de transmission qui permettent des débits plus élevés sur des distances plus grandes. De ce fait, les transistors utilisés dans ces systèmes doivent fonctionner à des fréquences et des puissances plus élevées. Différents transistors sont apparus pour répondre au mieux aux contraintes des applications visées par ces systèmes. Les transistors à haute mobilité électronique, HEMT, en nitrure de gallium (GaN) répondent actuellement aux applications allant de 1GHz à 30GHz. Pour ces applications, les HEMT GaN concurrencent avantageusement les technologies bipolaires et BiCMOS basées sur SiGe, les LDMOS Si et SiC, ainsi que les PHEMT GaAs. Même si la filière technologique GaN est encore récente, les HEMT GaN semblent prometteurs. A l image des autres technologies III-V (InP, GaAs), les procédés de fabrication utilisés pour les HEMT AlGaN/GaN sont complexes et entraînent la formation de nombreux défauts cristallins. Des effets parasites de fonctionnement sont induits par des mécanismes physiques qui pénalisent le transport des porteurs dans la structure. De ce fait, à l heure actuelle, ces effets parasites ont une influence négative sur les performances de ce transistor. Ils sont principalement liés aux pièges à électrons induits par des impuretés présentes dans le matériau ou des défauts cristallins. Malgré cela, les performances sont très prometteuses et rivalisent déjà avec d autres technologies hyperfréquences (InP, GaAs, SiC et Si) puisque les HEMTs AlGaN/GaN débitent des puissances de 4W/mm à 30GHz [ITRS08]. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude des phénomènes parasites dans les HEMTs AlGaN/GaN. Les composants étudiés dans ce travail proviennent du programme blanc ANR CARDYNAL et ont été fabriqués par III-V Lab Alcatel-Thales. Une méthodologie a été développer afin de permettre la simulation TCAD d un HEMT GaN dans l objectif de valider ou d invalider les origines des mécanismes de dégradation ainsi que des effets parasites. Le courant de grille a été spécialement étudié et un modèle analytique permettant de le décrire en fonction de la température a été développé. Les mécanismes de transport à travers la grille ont aussi été étudiés par simulation TCAD afin de les localiser géographiquement dans la structure du transistor.III-V nitrides have attracted intense interest recently for applications in high-temperature, high-power electronic devices operating at microwave frequencies. Great progress has been made in recent years to improve the characteristics of nitride High Electron Mobility Transistors (HEMTs). However, it's necessary to study the mecanisms involved in the electron transport as the mechanic strain on the AlGaN layer, the fixed charge distribution and leakage currents. In this goal, from DC I-V measurements, pulsed I-V measurements and DCTS measurements, TCAD simulation are used to validate the assumption on the origin of the parasitic mechanisms on the electron transport. I-V measurement in temperature (from 100K to 200K) are used to identify the nature of mechanisms (Poole-Frenkel, band-to-band tunneling, thermionic,..). With this method, an accurate study of the gate current was done. To choose the different physical phenomena and which model to implement in the TCAD simulations, an analytical model was developed with a compraison with measurements. These mechanisms are validated by TCAD simulation. The comparaison between I-V measurements and simulation permit to localize (in the transistor) these parasitic mechanisms. In conclusion of this work, a high density of traps in a thin layer under the gate increase the probability of tunnelling current through the gate. When the gate bias increases, the high density of traps in AlGaN layer is using by electrons to leak by the gate. When the gate bias increases, the valence band in AlGaN layer is aligned with the conduction band in the channel. The very thin thickness of this layer (about 25nm) makes possible a band-to-band tunneling.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Investigation of Trapping Behaviour in GaN HEMTs through physical TCAD Simulation of Capacitance Voltage characteristics

International audienc

Investigation of the trap-limited transient response of GaN HEMTs

International audienc

Advantages of TCAD simulation towards inverstigation of reliability concerns in GaN HEMTs for RF power applications

International audienc

Epoxy Mold Compound Characterization for Modeling Packaging Reliability

This paper presents a study on Epoxy Mold Compounds (EMC) used as encapsulant in Quad Flat No-lead (QFN) packages. The goal is to characterize the behaviour of the two different EMCs during thermal cycling to be able to model and predict the lifetime of the package. A 3-point bending (3PB) test in temperature is used for the mechanical characterization of the EMCs. The different III-V dies substrates used in the QFN are also characterized with this method. The flexural modulus and the glass transition temperature (Tg) are characterized for the epoxies. The modulus values match the theoretical data while the mean value of Tg in the transition zone for each material is estimated at 100°C, which is 35-40°C below the values given by the manufacturer and is in the thermal cycling test range. The silica filler rate in the resins is also studied according to the sample position to the resin injection point. Modelling of the flexural experiments has been done with ANSYS Mechanical to make sure to understand how to model the mechanical behaviour of the EMC