Thèse l'Électroluminescence des Composants Sic du Packaging à l'Information H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal Laboratoire de recherche : Laboratoire de Génie Electrique Direction de la thèse : Yvan AVENAS ORCID 0000000260798582 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 L'émergence des composants semiconducteurs dits « grand-gaps » ces dernières années ouvre de nouveaux horizons en recherche et en innovation dans le domaine de l'électronique de puissance, et les niveaux de tensions et l'élévation de température permis par ces composants nécessitent de repenser la façon de les intégrer dans les convertisseurs de puissance. Si leurs caractéristiques électriques et thermiques sont extrêmement prometteuses et font l'objet de nombreuses études, un autre phénomène physique est particulièrement présent dans les semiconducteurs carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN) : l'électroluminescence.
L'électroluminescence est un phénomène physique d'émission de photons dans le spectre visible qui est intrinsèque aux semiconducteurs, pas seulement aux grand-gaps, mais qui est particulièrement intense chez ces derniers. Dans les MOSFETs 4H-SiC, c'est au niveau de la diode de body qui le phénomène intervient. Deux raies spectrales dominent, dans l'UV à 390nm et le bleu vert à 510nm.
Ces raies spectrales sont porteuses de deux informations très précieuses pour le contrôle ou le diagnostic d'un convertisseur : la température de jonction Tj et l'intensité du courant dans le MOSFET SiC. Pour obtenir ces deux grandeurs de manières traditionnelles, il est nécessaire d'intégrer des capteurs intrusifs (notamment pour Tj ou des capteurs de courant à effet Hall) ou non isolés électriquement. La récupération de l'information lumineuse produite par électroluminescence permettrait d'obtenir deux données isolées électriquement sans influer sur le reste du système.
Pour récupérer cette information lumineuse, il est nécessaire de repenser l'ensemble du packaging du composant de puissance. En effet les boitiers actuels dans le commerce sont fermés pour protéger la puce et ne permettent pas de sortir l'information lumineuse. L'objectif de ces travaux de thèse sera de développer un packaging fonctionnalisé donnant accès à l'information lumineuse par intégration de fibres optiques tout en garantissant la protection de la puce et la réparabilité des fibres si celles-ci sont abîmés. En outre, une caractérisation des phénomènes parasites du boitier sera réalisée afin d'évaluer l'impact de l'introduction de fibres optiques sur la performance du packaging.
Le boitier fonctionnalisé développé dans cette thèse permettra d'ouvrir la voie à de nouvelles études qui seront basées sur l'utilisation de l'information lumineuse pour le contrôle ou le diagnostic des systèmes d'électronique de puissance incluant des composants SiC : l'utilisation en temps réel de l'information lumineuse permettrait en effet de monitorer la température de jonction à tout moment et de dresser ainsi des modèles de durée de vie résiduelle des MOSFETs. Un contrôle de courant en boucle fermé d'un convertisseur serait également possible de manière totalement isolée galvaniquement. Ce type de packaging pourrait également être très intéressant dans le contexte des convertisseurs de puissance modulaires. La modularité en EP consiste à mettre en série ou en parallèle plusieurs cellules de commutation (potentiellement plusieurs centaines) afin d'élever les niveaux de tension (mise en série de MOSFETs, convertisseurs MMC) ou de réduire la taille de composants (Power Convert Array). Dans ce cadre, l'information d'un module pourrait être partagée avec les modules voisins par fibre optique directement, permettant de s'affranchir de bus de communication peu fiables.
Ce projet pluridisciplinaire sera mené majoritairement au G2Elab ainsi qu'au laboratoire CROMA dont l'expertise en phénomènes optiques et guidages d'ondes est reconnue. Cette étude résulte de deux constats : la forte croissance des composants SiC dans l'industrie de la conversion de puissance et l'intérêt accru pour la modularité dans les convertisseurs. L'aspect modulaire dans la conversion de puissance nécessite des moyens de communication fiables et rapide entre modules. La transmission d'information lumineuse par fibre optique présente l'avantage d'être extrêmement rapide et robuste face aux perturbations électriques. Pour développer ce moyen de communication, il est néanmoins nécessaire d'extraire l'information issue de l'électroluminescence du boitier de la puce sans impacter les performances du composant. Le but de ce projet de thèse est de permettre l'utilisation de l'information contenue dans l'électroluminescence des MOSFETs SiC pour la commande et le diagnostic des systèmes à base de ces composants. Les solutions actuelles d'encapsulation des puces semiconductrices ne permettent pas de faire ressortir facilement l'information lumineuse, il faut donc repenser le packaging pour accéder à cette donnée efficacement sans dégrader la durée de vie du composant et en limitant les phénomènes parasites liés aux perturbations électromagnétiques externes (lumineuses ou non). - Une étude bibliographique et une prise en main des résultats et du banc expérimental d'un stage précédemment réalisé au G2Elab et au CROMA seront réalisées dans un premier temps.
- Un boitier cible devra être choisi pour l'étude. Le but est de prouver la faisabilité d'une telle prise de mesure sur un packaging standard du commerce.
- Les méthodes de mesures et capteurs d'intensité et de longueur d'onde lumineuse devront être prises en main et testées sur des puces sans boitier
- Dans la continuité du point précédent, l'étude de sensibilité de la mesure aux parasites lumineux et électromagnétique sera menée afin de définir un ratio signal/bruit de base
- Une solution d'isolation à la luminosité parasite sera essentielle pour atténuer ce ratio signal/bruit et garantir la fiabilité de la mesure effectuée tout en conservant la capacité de protection du boitier
- S'approprier un banc expérimental existant servant à comparer les mesures obtenues par luminescence avec les mesures traditionnelles de Tj et du courant
- Des mesures de caractérisation électrique du boitier avant et après la modification sera mise en place pour évaluer l'impact de la solution proposée sur les performances électriques du composant modifié
- Une ouverture vers l'utilisation de ce nouveau type d'information pour la commande et le diagnostic pourra être proposée en fonction du temps restant sur le projet

- Niveau M2 ou diplôme d'ingénieur en génie électrique
- Bases solides en électronique de puissance
- Appétence pour les travaux expérimentaux et le montage de bancs d'essais
- Des notions de physique des semiconducteurs seraient appréciées
- Bonne maitrise de l'anglais (écrit et oral) indispensable
- Ouverture d'esprit et culture scientifique