Non-Destructive Testing (NDT) Method for reliability assessment of Power Electronic Modules
Analyses et investigations électromagnétiques pour le contrôle non destructif en électronique de puissance.
Résumé
The embedded systems implemented in aerospace, transport, and power converters led to the development of modules using SiC and GaN semiconductors today. Integrating new Wide Band Gap (WBG) technologies allows for an increase in the switching frequency and the operating temperature. Eventually, they are expected to provide longer service life in harsh environments. Therefore, there is the risk of failure of converters, resulting in high maintenance costs. Therefore, building an accurate online condition monitoring model is increasingly important to investigate. However, the condition monitoring of power modules is still a challenge. All these factors involve two main challenges: 1) How to assess such devices' reliability and lifetime? 2) How to accurately model the broadband behavior of a power module concerning the role of parasitic components (R, L, C, and G). In this context, this thesis aims to develop a Non-destructive Testing (NDT) method to detect the failure signatures over a wide frequency band using S and Z parameters. This thesis concerns evaluating the state of damage of the packaging of power electronics systems by an innovative, non-destructive testing method. This method is developed to detect early the potential presence of defects. This method has never been proposed in power electronics. The objectives are listed as follows:• To evaluate the state of damage of power electronic systems assembly by an innovative NDT.• To reveal the information related to the state of damage in the temporal and/or frequency content, simulated or measured, of a power module's conducted or radiated signals.• To predict by simulation over a wide frequency band and in the non-linearities of signals the signatures of failure mechanisms.The developed methodology must be independent of the package and the die technology.In addition, to produce different failure mechanisms, accelerated aging tests are conducted.
Les systèmes embarqués mis en œuvre dans le domaine de l'aérospatiale et des transports nécessitant des convertisseurs de puissance conduisent aujourd'hui à développer des modules utilisant des semiconducteurs SiC et GaN. L'intégration des nouvelles technologies Wide Band Gap (WBG) permet d'augmenter la fréquence de commutation et la température de fonctionnement. À terme, ils devraient offrir une durée de vie plus longue dans des environnements difficiles. Il existe donc un risque de panne des convertisseurs, entraînant des coûts de maintenance élevés. Par conséquent, la création d'un modèle précis de surveillance de l'état en ligne devient une question de plus en plus importante à étudier. Cependant, la surveillance de l'état des modules de puissance reste un défi. Tous ces facteurs impliquent deux défis principaux : 1) Comment évaluer la fiabilité et la durée de vie de tels dispositifs ? 2) Comment modéliser avec précision le comportement haut débit d'un module de puissance concernant le rôle des composants parasites (R, L, C et G). Dans ce contexte, cette thèse vise à développer une méthode de Contrôles Non Destructifs (CND) pour détecter les signatures de défaillance sur une large bande de fréquences à l'aide des paramètres S et Z. Cette thèse porte sur l'évaluation de l'état d'endommagement des packagings de systèmes d'électronique de puissance par une méthode de contrôle innovante et non destructive. Cette méthode est développée pour détecter précocement la présence potentielle de défauts. Cette méthode n'a jamais été proposée en électronique de puissance. Les objectifs sont répertoriés comme suit :• Évaluer l'état d'endommagement des assemblages de systèmes électroniques de puissance par un CND innovant.• Révéler les informations liées à l'état d'endommagement dans le contenu temporel et/ou fréquentiel, simulé ou mesuré, des signaux conduits ou rayonnés d'un module de puissance.• Prédire par simulation sur une large bande de fréquences et dans les non-linéarités des signaux les signatures des mécanismes de défaillance.La méthodologie développée doit être indépendante du boîtier et de la technologie de la matrice.De plus, pour produire différents mécanismes de défaillance, des tests de vieillissement accéléré sont réalisés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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