Study of thermal interfaces aging for power electronics applications

International audienceThis paper presents new investigations on the aging of Thermal Interface Materials (TIM) subjected to thermal cycling conditions. The challenge was to design a specific and original set-up in order to not only undergo avionic temperature mission profile (-50°C/150°C) but also to perform standardized thermal characterization at always same conditions. Thermal conductivity is used as aging indicator. Several TIM materials (change phase, graphite and polymer based) have undergone more than 850 of such cycles. As a result, only the phase change material thermal interface has been affected with a 30% decrease of initial thermal resistance

Etude du comportement au vieillissement des interfaces thermiques pour modules électroniques de puissance dédiés à des applications transports

In the context of transportation applications, and especially the "more electric aircraft", with an ever present demand for space and weight reduction, the trend is to integrate more extensive of static converters. The increase in power density and the thermal stresses induced by the environment in which these structures are located, are becoming increasingly critical. Thermal management of these devices is provided by cooling systems on which are mounted the semiconductor components via a thermal interface material. Effective management will be achieved by reducing the overall thermal resistance between the dissipative elements and the environment by improving the cooling system and thermal properties of the materials constituting the module. However, this interface is a delicate point of heat transfer because it can represent several tens of percent of the circuit total thermal resistance. It therefore requires a thorough knowledge of their behavior in thermal stresses. After a state of the art on the thermal interface materials and methods for characterizing thermophysical properties of materials, we propose the implementation of experimental and mathematical tools to monitor any change of interface materials used in power electronics during aging by temperature cycling. For this, two methods are presented. The first is based on the measurement of the thermal resistance of the interfaces with a steady one-dimensional heat transfer, while the second, based on a characterization of a transient thermal system, allows to identify the time constants and the resistor and capacitor network of the tested system. Numerical simulations were carried out on two types of experimental benches, on one side in order to assess the lateral heat losses from static bench, on the other side to show that it is possible to detect a change in the thermal resistance of a TIM with the analysis of the thermal impedance.Dans le cadre des applications transports, et plus particulièrement de "l’avion plus électrique", avec une demande toujours plus présente de réduction d’encombrement et de poids, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée des convertisseurs statiques. L’augmentation de leur densité de puissance et celle des contraintes thermiques, induites par l’environnement dans lequel ces structures sont localisées, deviennent de plus en plus critiques. La gestion thermique de ces dispositifs est assurée par des systèmes de refroidissement sur lesquels sont montés les composants semi-conducteurs via un matériau d’interface thermique. Une gestion performante sera obtenue par la diminution de la résistance thermique globale entre les éléments dissipatifs et le milieu ambiant grâce en autre à l’amélioration du système de refroidissement et des propriétés thermiques des matériaux constituant le module. Or cette interface est un point délicat du transfert de chaleur car elle peut représenter plusieurs dizaines de pourcents de la résistance thermique globale. Elle nécessite donc une connaissance approfondie de son comportement aux sollicitations thermiques. Après un état de l’art sur les matériaux d’interfaces thermiques et les méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux, nous proposons la mise en œuvre d’outils expérimentaux et mathématiques permettant de suivre l’éventuelle évolution de matériaux d’interfaces utilisés en électronique de puissance au cours d’un vieillissement par cyclage en température. Pour cela, deux méthodes sont présentées. La première repose sur la mesure de la résistance thermique des interfaces en régime stationnaire avec un transfert de chaleur monodimensionnel alors que la seconde, basée sur une caractérisation transitoire thermique d’un système, permet d’en identifier les constantes de temps et le réseau Résistance-Capacité du système testé. Des travaux de simulations numériques ont été menés sur les deux types de bancs expérimentaux, d’un côté pour pouvoir évaluer les pertes thermiques latérales du banc statiques, de l’autre côté pour montrer qu’il est bien possible de détecter une variation de la résistance thermique d’un matériau d’interface par l’analyse de l’impédance thermique

Etude du comportement au vieillissement des interfaces thermiques pour modules électroniques de puissance dédiés à des applications transports

In the context of transportation applications, and especially the "more electric aircraft", with an ever present demand for space and weight reduction, the trend is to integrate more extensive of static converters. The increase in power density and the thermal stresses induced by the environment in which these structures are located, are becoming increasingly critical. Thermal management of these devices is provided by cooling systems on which are mounted the semiconductor components via a thermal interface material. Effective management will be achieved by reducing the overall thermal resistance between the dissipative elements and the environment by improving the cooling system and thermal properties of the materials constituting the module. However, this interface is a delicate point of heat transfer because it can represent several tens of percent of the circuit total thermal resistance. It therefore requires a thorough knowledge of their behavior in thermal stresses. After a state of the art on the thermal interface materials and methods for characterizing thermophysical properties of materials, we propose the implementation of experimental and mathematical tools to monitor any change of interface materials used in power electronics during aging by temperature cycling. For this, two methods are presented. The first is based on the measurement of the thermal resistance of the interfaces with a steady one-dimensional heat transfer, while the second, based on a characterization of a transient thermal system, allows to identify the time constants and the resistor and capacitor network of the tested system. Numerical simulations were carried out on two types of experimental benches, on one side in order to assess the lateral heat losses from static bench, on the other side to show that it is possible to detect a change in the thermal resistance of a TIM with the analysis of the thermal impedance.Dans le cadre des applications transports, et plus particulièrement de "l’avion plus électrique", avec une demande toujours plus présente de réduction d’encombrement et de poids, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée des convertisseurs statiques. L’augmentation de leur densité de puissance et celle des contraintes thermiques, induites par l’environnement dans lequel ces structures sont localisées, deviennent de plus en plus critiques. La gestion thermique de ces dispositifs est assurée par des systèmes de refroidissement sur lesquels sont montés les composants semi-conducteurs via un matériau d’interface thermique. Une gestion performante sera obtenue par la diminution de la résistance thermique globale entre les éléments dissipatifs et le milieu ambiant grâce en autre à l’amélioration du système de refroidissement et des propriétés thermiques des matériaux constituant le module. Or cette interface est un point délicat du transfert de chaleur car elle peut représenter plusieurs dizaines de pourcents de la résistance thermique globale. Elle nécessite donc une connaissance approfondie de son comportement aux sollicitations thermiques. Après un état de l’art sur les matériaux d’interfaces thermiques et les méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux, nous proposons la mise en œuvre d’outils expérimentaux et mathématiques permettant de suivre l’éventuelle évolution de matériaux d’interfaces utilisés en électronique de puissance au cours d’un vieillissement par cyclage en température. Pour cela, deux méthodes sont présentées. La première repose sur la mesure de la résistance thermique des interfaces en régime stationnaire avec un transfert de chaleur monodimensionnel alors que la seconde, basée sur une caractérisation transitoire thermique d’un système, permet d’en identifier les constantes de temps et le réseau Résistance-Capacité du système testé. Des travaux de simulations numériques ont été menés sur les deux types de bancs expérimentaux, d’un côté pour pouvoir évaluer les pertes thermiques latérales du banc statiques, de l’autre côté pour montrer qu’il est bien possible de détecter une variation de la résistance thermique d’un matériau d’interface par l’analyse de l’impédance thermique

Study of the aging behavior of thermal interfaces for power electronic modules dedicated to transportation applications.

Dans le cadre des applications transports, et plus particulièrement de "l’avion plus électrique", avec une demande toujours plus présente de réduction d’encombrement et de poids, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée des convertisseurs statiques. L’augmentation de leur densité de puissance et celle des contraintes thermiques, induites par l’environnement dans lequel ces structures sont localisées, deviennent de plus en plus critiques. La gestion thermique de ces dispositifs est assurée par des systèmes de refroidissement sur lesquels sont montés les composants semi-conducteurs via un matériau d’interface thermique. Une gestion performante sera obtenue par la diminution de la résistance thermique globale entre les éléments dissipatifs et le milieu ambiant grâce en autre à l’amélioration du système de refroidissement et des propriétés thermiques des matériaux constituant le module. Or cette interface est un point délicat du transfert de chaleur car elle peut représenter plusieurs dizaines de pourcents de la résistance thermique globale. Elle nécessite donc une connaissance approfondie de son comportement aux sollicitations thermiques. Après un état de l’art sur les matériaux d’interfaces thermiques et les méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux, nous proposons la mise en œuvre d’outils expérimentaux et mathématiques permettant de suivre l’éventuelle évolution de matériaux d’interfaces utilisés en électronique de puissance au cours d’un vieillissement par cyclage en température. Pour cela, deux méthodes sont présentées. La première repose sur la mesure de la résistance thermique des interfaces en régime stationnaire avec un transfert de chaleur monodimensionnel alors que la seconde, basée sur une caractérisation transitoire thermique d’un système, permet d’en identifier les constantes de temps et le réseau Résistance-Capacité du système testé. Des travaux de simulations numériques ont été menés sur les deux types de bancs expérimentaux, d’un côté pour pouvoir évaluer les pertes thermiques latérales du banc statiques, de l’autre côté pour montrer qu’il est bien possible de détecter une variation de la résistance thermique d’un matériau d’interface par l’analyse de l’impédance thermique.In the context of transportation applications, and especially the "more electric aircraft", with an ever present demand for space and weight reduction, the trend is to integrate more extensive of static converters. The increase in power density and the thermal stresses induced by the environment in which these structures are located, are becoming increasingly critical. Thermal management of these devices is provided by cooling systems on which are mounted the semiconductor components via a thermal interface material. Effective management will be achieved by reducing the overall thermal resistance between the dissipative elements and the environment by improving the cooling system and thermal properties of the materials constituting the module. However, this interface is a delicate point of heat transfer because it can represent several tens of percent of the circuit total thermal resistance. It therefore requires a thorough knowledge of their behavior in thermal stresses. After a state of the art on the thermal interface materials and methods for characterizing thermophysical properties of materials, we propose the implementation of experimental and mathematical tools to monitor any change of interface materials used in power electronics during aging by temperature cycling. For this, two methods are presented. The first is based on the measurement of the thermal resistance of the interfaces with a steady one-dimensional heat transfer, while the second, based on a characterization of a transient thermal system, allows to identify the time constants and the resistor and capacitor network of the tested system. Numerical simulations were carried out on two types of experimental benches, on one side in order to assess the lateral heat losses from static bench, on the other side to show that it is possible to detect a change in the thermal resistance of a TIM with the analysis of the thermal impedance

Etude du comportement au vieillissement des interfaces thermiques pour modules électroniques de puissance dédiés à des applications transports

Dans le cadre des applications transports, et plus particulièrement de "l avion plus électrique", avec une demande toujours plus présente de réduction d encombrement et de poids, la tendance est à l intégration de plus en plus poussée des convertisseurs statiques. L augmentation de leur densité de puissance et celle des contraintes thermiques, induites par l environnement dans lequel ces structures sont localisées, deviennent de plus en plus critiques. La gestion thermique de ces dispositifs est assurée par des systèmes de refroidissement sur lesquels sont montés les composants semi-conducteurs via un matériau d interface thermique. Une gestion performante sera obtenue par la diminution de la résistance thermique globale entre les éléments dissipatifs et le milieu ambiant grâce en autre à l amélioration du système de refroidissement et des propriétés thermiques des matériaux constituant le module. Or cette interface est un point délicat du transfert de chaleur car elle peut représenter plusieurs dizaines de pourcents de la résistance thermique globale. Elle nécessite donc une connaissance approfondie de son comportement aux sollicitations thermiques. Après un état de l art sur les matériaux d interfaces thermiques et les méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux, nous proposons la mise en œuvre d outils expérimentaux et mathématiques permettant de suivre l éventuelle évolution de matériaux d interfaces utilisés en électronique de puissance au cours d un vieillissement par cyclage en température. Pour cela, deux méthodes sont présentées. La première repose sur la mesure de la résistance thermique des interfaces en régime stationnaire avec un transfert de chaleur monodimensionnel alors que la seconde, basée sur une caractérisation transitoire thermique d un système, permet d en identifier les constantes de temps et le réseau Résistance-Capacité du système testé. Des travaux de simulations numériques ont été menés sur les deux types de bancs expérimentaux, d un côté pour pouvoir évaluer les pertes thermiques latérales du banc statiques, de l autre côté pour montrer qu il est bien possible de détecter une variation de la résistance thermique d un matériau d interface par l analyse de l impédance thermique.In the context of transportation applications, and especially the "more electric aircraft", with an ever present demand for space and weight reduction, the trend is to integrate more extensive of static converters. The increase in power density and the thermal stresses induced by the environment in which these structures are located, are becoming increasingly critical. Thermal management of these devices is provided by cooling systems on which are mounted the semiconductor components via a thermal interface material. Effective management will be achieved by reducing the overall thermal resistance between the dissipative elements and the environment by improving the cooling system and thermal properties of the materials constituting the module. However, this interface is a delicate point of heat transfer because it can represent several tens of percent of the circuit total thermal resistance. It therefore requires a thorough knowledge of their behavior in thermal stresses. After a state of the art on the thermal interface materials and methods for characterizing thermophysical properties of materials, we propose the implementation of experimental and mathematical tools to monitor any change of interface materials used in power electronics during aging by temperature cycling. For this, two methods are presented. The first is based on the measurement of the thermal resistance of the interfaces with a steady one-dimensional heat transfer, while the second, based on a characterization of a transient thermal system, allows to identify the time constants and the resistor and capacitor network of the tested system. Numerical simulations were carried out on two types of experimental benches, on one side in order to assess the lateral heat losses from static bench, on the other side to show that it is possible to detect a change in the thermal resistance of a TIM with the analysis of the thermal impedance.CACHAN-ENS (940162301) / SudocSudocFranceF

Etude d'interfaces thermiques pour le management thermique des modules de puissance

National audienceCet article présente des travaux de caractérisations thermiques statiques d'un ensemble d'interfaces thermiques. Ces dernières sont utilisées pour la gestion thermique en électronique de puissance. Ces caractérisations sont basées sur la norme ASTM D5470. L'objectif est d'extraire la conductivité thermique pour caractériser le vieillissement des interfaces. Des caractérisations transitoires complémentaires seront présentées en perspectives afin de voir si une analyse transitoire pourrait permettre de caractériser leur vieillissement à travers la capacité thermique volumique

Etude d'interfaces thermiques pour le management thermique des modules de puissance

National audienceCet article présente des travaux de caractérisations thermiques statiques d'un ensemble d'interfaces thermiques. Ces dernières sont utilisées pour la gestion thermique en électronique de puissance. Ces caractérisations sont basées sur la norme ASTM D5470. L'objectif est d'extraire la conductivité thermique pour caractériser le vieillissement des interfaces. Des caractérisations transitoires complémentaires seront présentées en perspectives afin de voir si une analyse transitoire pourrait permettre de caractériser leur vieillissement à travers la capacité thermique volumique

Power Cycling Issues and Challenges of SiC-MOSFET Power Modules in High Temperature Conditions

Silicon carbide (SiC) MOSFETs power modules are very attractive devices and are already available in the market. Nevertheless, despite technological progress, reliability remains an issue and reliability tests must be conducted to introduce more widely these devices into power systems. Because of trapping/de-trapping phenomena at the SiC/SiO2 interface that lead to the shift of threshold voltage, test protocols based on silicon components cannot be used as is, especially in high temperature conditions. Using high temperature SiC MOSFET power modules, we highlight the main experimental difficulties to perform power cycling tests. These reversible physical mechanisms preclude the use of temperature sensitive parameters (TSEP) for junction temperature measurements, so we set up fiber optic temperature sensors for this purpose. Moreover, these degradation phenomena lead to difficulties in both controlling the test conditions and seeking for reliable aging indicator parameters. Finally, a power cycling test protocol at high temperature conditions is proposed for such devices

Power Cycling Tests in High Temperature Conditions of SiC-MOSFET Power Modules and Ageing Assessment

CIPS 2016 - 9th International Conference on integrated Power Electronics Systems, Nuremberg, ALLEMAGNE, 08-/03/2016 - 10/03/2016Silicon carbide (SiC) MOSFETs power modules are very attractive devices. Despite technological progress, reliability remains an issue and reliability tests must be conducted to introduce more widely these devices into power systems. Because of trapping/de-trapping phenomena at the SiC/SiO2 interface that lead to the shift of threshold voltage, test protocols based on silicon components cannot be used as is, especially in high temperature conditions. Using high temperature SiC MOSFET power modules, we highlight the main experimental difficulties to perform power cycling tests (PCTs). As these reversible physical mechanisms preclude the use of temperature sensitive parameters (TSEP) for junction temperature measurements, we set up fiber temperature sensors for this purpose. Moreover, these degradation phenomena lead to difficulties in both controlling the test conditions and seeking for reliable aging indicator parameters. Finally, various results of power cycling tests with different gate bias conditions at high temperature are discussed in order to propose a test protoco

Etude d'interfaces thermiques pour le management thermique des modules de puissance

EPF 2010 - 10th European Power Electronics Conference, St Nazaire, FRANCE, 30-/06/2010 - 02/07/2010Cet article présente des travaux de caractérisations thermiques statiques d'un ensemble d'interfaces thermiques. Ces dernières sont utilisées pour la gestion thermique en électronique de puissance. Ces caractérisations sont basées sur la norme ASTM D5470. L'objectif est d'extraire la conductivité thermique pour caractériser le vieillissement des interfaces. Des caractérisations transitoires complémentaires seront présentées en perspectives afin de voir si une analyse transitoire pourrait permettre de caractériser leur vieillissement à travers la capacité thermique volumique