Projet SiCRET, au cœur de la Transition Energétique • IRT Saint Exupéry • Technological Research Institute

Après un an et demi d’activité, l’équipe du projet SiCRET (SiC (MOSFET) Reliability Evaluation for Transport) poursuit ses études sur la fiabilité des dispositifs électroniques de puissance en Carbure de Silicium. Au cœur de la transition vers la mobilité électrique, ce projet vise à permettre le déploiement d’une technologie MOSFET SiC « fiable » dans le secteur des transports.

LE PROJET

Le projet s’attaque à la fiabilité du Carbure de Silicium MOSFET et ouvre la voie à la décennie de transition énergétique.

A quoi sert le Carbure de Silicium ?

Pour bien comprendre l’utilité du Carbure de Silicium en électronique (aussi connu par son acronyme « SiC »), il faut d’abord définir ce qu’est la technologie MOSFET. La Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (en Français, « transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur ») est le cœur en commutation de l’électronique de puissance pour la mobilité. En raison de ses performances supérieures à la technologie Silicium (tenue à la haute tension, à la haute température et commutation rapide), l’intégration du SiC MOSFET dans l’électronique de puissance est censée représenter une ascension sans précédent en termes d’efficacité, de taille et de rentabilité des futurs convertisseurs de puissance.

Ces derniers constituent le maillon fort de la chaîne de puissance électromécanique, transformant l’énergie continue d’une source (par exemple, une batterie) en un signal arbitraire, voire très complexe, pilotant idéalement une charge complexe donnée (par exemple, un moteur).

Le projet SiCRET tire parti des convergences entre les quatre principales branches du secteur des transports – l’automobile, le ferroviaire, l’aéronautique et le transport énergétique au sol – pour atteindre la masse critique de compétences et de ressources expérimentales nécessaires pour relever les ambitieux défis techniques du projet.

Les avantages et limites du SiC

Avantages	Limites
Résiste aux champs électriques élevés et aux hautes températures. Commutation rapide (haute fréquence), d’où une réduction de la taille des équipements en termes de volume, de poids et un rendement thermique accru.	Même si le Carbure de Silicium est étudié depuis plus d’une décennie dans le domaine de la recherche et du développement, son déploiement est entravé par l’absence de normes de qualification spécifiques et de règles de conception tenant compte des marges.

Le projet rassemble les principaux acteurs de la chaîne de transformation haute énergie électrique dans différents domaines : du stationnaire avec Supergrid Institute, à l’aéronautique avec Safran, en passant par le ferroviaire avec Alstom et l’automobile avec Vitesco Technologies. Liebherr couvre à la fois l’aéronautique et les machines lourdes au sol. La plupart des partenaires industriels sont des intégrateurs d’équipements, Alstom et Liebherr couvrant l’ensemble de la chaîne d’intégration jusqu’au produit final (respectivement trains et machines lourdes).

Tous les domaines représentés dans le projet partagent les mêmes exigences majeures dans l’ordre : fiabilité et coûts. Le projet s’appuie sur la proximité avec les fournisseurs de dispositifs, notamment grâce à un accord de collaboration majeur avec ST Microelectronics, mais aussi avec les principaux fournisseurs mondiaux de SiC MOSFET.

Les besoins industriels de ces partenaires sont complétés par un riche écosystème de tests, d’expertise et de recherche technologique. En particulier, l’offre scientifique est représentée par les principaux laboratoires publics du domaine : AMPERE à Lyon, IES à Montpellier, LAAS et LAPLACE à Toulouse.

Le transfert et la capitalisation du savoir-faire généré par le projet sont assurés par l’étroite collaboration et l’interaction de ces laboratoires avec trois centres d’essais industriels : Supergrid Institute à Lyon, Nucletudes à Paris et Alter Technology à Toulouse. Enfin, le panel d’experts est complété par l’expertise et les capacités d’investigation du Ministère de la Défense français (DGA) et de l’IRT Saint Exupéry hébergeant les infrastructures et le personnel. Cela garantit un cadre de travail qualitatif et collaboratif afin de remplir avec succès les objectifs du projet SiCRET.

Le projet vise à établir une base de connaissances solide afin d’obtenir un consensus au sein du consortium et par la suite, d’en tirer parti pour obtenir une plus grande acceptation par le public des procédures de qualification et des règles de conception générées par SiCRET, grâce à l’interaction avec les organismes institutionnels de normalisation (par exemple AFNOR, JEDEC *, IEC) et notre réseau spécialisé (par exemple AEC, ECPE, etc.).

Grâce à cette approche, le projet gagne en visibilité, notamment auprès des end-users** pour une utilisation directe dans les applications et des des providers*** de plus en plus intéressés par les résultats obtenus progressivement par les experts du projet. L’objectif initial de SiCRET est d’établir un écosystème capable de devenir de plus en plus autonome dans le paysage professionnel national et européen.

*JEDEC : ATF participe/est membre des comités JEDEC traitant des composants de puissance GaN (JC 70.1) et SiC (JC 70.2) ; **End-users = développeurs d’équipements ; ***Providers= fournisseurs de composants.

LES OBJECTIFS FINAUX

« A l’échelle d’un équipement mono-utilisateur, la réduction des pertes d’énergie peut sembler faible, mais à une échelle plus globale, le gain est conséquent. »

L’exploitation du Carbure de Silicium a plusieurs objectifs finaux, mais le plus important est, bien-sûr, la réduction de la taille des équipements en termes de poids et de volume, et l’augmentation des performances en termes d’efficacité. A l’échelle d’un équipement mono-utilisateur, la réduction des pertes d’énergie peut sembler faible, mais à une échelle plus globale, le gain est conséquent.

Comme mentionné précédemment, le principal objectif final du projet SiCRET est d’accroître la confiance dans le déploiement de la technologie SiC MOSFET. En effet, la partie la plus importante de SiCRET repose sur la fiabilité. Malgré de nombreuses années d’études, la fiabilité du SiC reste encore méconnue au niveau industriel.

En effet, les lacunes dans les méthodologies de test et les règles de conception dédiées/adaptées aux technologies SiC, entraînent une sous-exploitation de la technologie dans le meilleur des cas, et une mauvaise utilisation de celle-ci dans le pire des cas.

Mais comment augmenter la fiabilité vis à vis de ce matériau ? Plusieurs étapes s’imposent :

La première est l’analyse et la compréhension de la physique de défaillance (PoF), c’est-à-dire l’observation de la façon dont les dispositifs se dégradent. Cette étape est essentielle pour établir des règles de test et de conception appropriées, et donc la confiance de l’utilisateur final ;

La deuxième étape consiste en la définition des tests adaptés pour caractériser et évaluer le matériau. Cette étape consiste en la « testabilité » du SiC ;

La troisième et dernière étape permet de définir les règles de conception qui permettront d’optimiser l’usage de la technologie SiC en affinant les plages de travail pour une application donnée.

Ces étapes conduiront au dernier objectif final du projet, mais non le moindre, à savoir : mettre l’ensemble des connaissances développées par le projet entièrement à disposition du consortium SiCRET d’abord, puis de l’ensemble de la communauté – académiques et industriels.

CAHIER DES CHARGES TECHNIQUES

Pour assurer le bon déploiement du projet SiCRET, son équipe a mis en place plusieurs tâches techniques :

Identification des besoins industriels en demandant aux membres et partenaires du projet dans quel but ils comptent utiliser le composant (mission ou profil d’usage) ;
Sélection des composants selon les besoins ;
Caractérisation, c’est-à-dire l’identification et la mesure des paramètres représentatifs pour un ensemble donné de contraintes appliquées au dispositif, afin d’observer la dégradation sous-jacente. C’est l’étape essentielle pour avoir confiance dans l’utilisation d’un dispositif ;
Application des tests de fiabilité, consistant à mesurer les performances du dispositif et à extrapoler les lois et modèles de dégradation ;
Exploitation & capitalisation. L’objectif de cette étape est de créer une base de données intelligente alimentée par les résultats des études mentionnées précédemment et une évaluation indicative des risques basée sur des indicateurs pertinents, tels que le Time To Failure (TTF) ou le Failure In Time (FIT) pour une application donnée.

En suivant correctement ce cahier des charges techniques, l’équipe vise à construire un héritage SiCRET qui durera au-delà de la durée du projet, soit 3 ans.