Modélisation et Management Thermique des modules de puissance RF et fiabilité des circuits électroniques par la méthode TLM

Abstract

Notre travail s’est orienté dans le cadre d’une recherche de l’effet thermique sur le comportement des composants de puissance à semi-conducteurs car leurs performances et leur fiabilité dépendent directement de leurs températures de fonctionnement. Les HEMTs en nitrure de gallium GaN sont très prometteurs pour les applications haute puissance à hautes fréquences, et en milieu hostile. En raison de la difficulté à obtenir du GaN massif, plusieurs types de substrat peuvent être utilisés en fonction de la dissipation thermique souhaitée et de l’aspect économique. L’introduction de ce type de composants en large domaine de l’électronique en général, nécessite une amélioration de leurs fiabilités et une bonne compréhension de leurs mécanismes de dégradation. Malgré les performances intéressantes du transistor HEMT, ce transistor en particulier pour les applications de puissance est soumis à l’auto-échauffement dû à l’effet Joule. Cet effet est responsable de la dégradation des propriétés de transport des matériaux et donc de la dégradation de ses performances et même entrainer sa destruction. Il est donc nécessaire de prendre en compte la dissipation thermique et son influence sur l’ensemble des paramètres du composant. Le travail de cette thèse a débuté par la mise en place des différentes étapes nécessaires pour analyser les dysfonctionnements d’un HEMT AlGaN/GaN, et ainsi optimiser les causes de défaillance de ces structures. L’étude des phénomènes thermiques dans ce genre de transistors est primordiale. Dans cette optique, nous avons engagé des travaux sur l’effet thermique des modules RF à base d’AlGaN/GaN HEMT comme modèle, pour cela connaitre le principe physique et technologique de ce composant est très important pour détecter les régions chaudes Le choix des méthodes de modélisation se pose sur la méthode analytique et la méthode TLM car il existe une équivalence entre l’équation de diffusion et l’équation d’une ligne de transmission et que par conséquent le phénomène de diffusion de chaleur n’est que la propagation d’une impulsion dans un réseau de lignes de transmission. L’application de la méthode TLM à la modélisation de la diffusion thermique aussi bien pour le cas unidimensionnel que tridimensionnel, montrent que les résultats numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Ce test positif nous permet d’élargir le champ d’application de la méthode TLM à l’étude thermique au composant AlGaN/GaN HEMT à un doigt ou multi-doigts. Les résultats montrent clairement que le dispositif AlGaN/GaN HEMT est capable de générer une quantité considérable de chaleur qui doit être dissipée très rapidement pour réduire l’effet de couplage thermique et augmenter la durée de vie du dispositif