Thermo-mechanical modelling of power electronics packages and experimental-numerical characterization of materials under static and dynamic loadings [Modellazione termo-strutturale di packages di elettronica di potenza e caratterizzazione numerico-sperimentale di materiali sotto carichi statici e dinamici]

Power modules are electronic devices employed for the conversion of electrical energy across a wide range of application fields. These systems are composed of multiple layers of different materials (e.g., metals, ceramics, and polymers) capable of operating under conditions of high voltages and currents. The dissipation of electrical power into heat induces significant cyclical temperature variations within the device, often on the order of hundred degrees. The thermo-mechanical mismatch among the layers is the primary cause of stresses and thermal strains that, in many cases, lead to delamination phenomena at critical interfaces, accumulation of plastic strain and, consequently, ductile damage, as well as brittle fracture in the semiconductor layer or in the encapsulating resin. Over the years, Finite Element (FE) simulations have gained considerable relevance in industrial practice for modeling stress distributions and damage mechanisms in power modules, enabling predictive assessments of the average number of operating cycles a device can withstand before failure. The accuracy of FEM simulations of power packages strongly depends on the accuracy of the methodologies for characterizing the mechanical response of the constituent layers, both in the elastic and plastic regimes, while accounting for the effects of temperature and strain rate. This doctoral thesis is structured into two main parts. The first part is entirely devoted to the thermo-structural numerical modeling of SiC-based power modules for automotive applications. Numerical simulations were employed to characterize the critical interfaces through the accurate analyses of the stress distributions. Specifically, the following aspects were investigated: the effect of deposition geometry of passivation layers on local stress distributions; permanent deformations and residual stresses arising from specific steps of the manufacturing process; delamination models and ductile/brittle damage mechanisms; and, finally, the comparison between purely elastic and elastoplastic responses. The accuracy of the results delivered by the Finite Element Analyses of power modules are strongly influenced by the constitutive material models implemented to simulate the mechanical behavior of each layer of the package. Actually, the first part of my PhD activity was generally focused on demonstrating the importance of properly including the nonlinear elastoplastic response of copper, solder and polyimide layers in simulating the thermomechanical behavior of Power electronics devices, whereas most simulations in the current literature still rely on first-approximation linear elastic approaches. Therefore, the second part of this doctoral thesis is focused on the investigation of experimental-numerical methodologies for characterizing the tensile response of structural materials subjected to static and dynamic strain rates. Specifically, the plastic response of Polycarbonate and anisotropic sheet metals is deeply examined, connecting their peculiar deformation mechanisms, in the post-necking regime, to the corresponding true stress-strain curve and the material flow curve. Although the specific materials investigated in the second part of the thesis (i.e., Polycarbonate and anisotropic sheets) are not directly employed in the manufacturing of the Power Electronics packages analyzed, the distinctive features characterizing their elastoplastic response, such as the pronounced hardening-softening behavior observed in Polycarbonate and the inherent anisotropy of the rolled sheets, provide critical insights. Such knowledge is suitable to refine the constitutive modeling approaches for the analogous behaviors exhibited by the metallic and polymeric layers present within the modules, thereby enhancing the overall simulation reliability.

I moduli di potenza sono dispositivi elettronici impiegati per la conversione dell'energia elettrica in un'ampia gamma di campi applicativi. Questi sistemi sono composti da strati multipli di materiali diversi (metalli, ceramici e polimeri) in grado di operare in condizioni di elevate tensioni e correnti. La dissipazione della potenza elettrica in calore induce significative variazioni cicliche di temperatura all'interno del dispositivo, spesso nell'ordine del centinaio di gradi. Il disaccoppiamento delle proprietà termo-meccaniche tra gli strati è la causa primaria di tensioni e deformazioni termiche che, in molti casi, portano a fenomeni di delaminazione alle interfacce critiche, accumulo di deformazione plastica e, di conseguenza, danneggiamento duttile, nonché a frattura fragile nello strato semiconduttore o nella resina incapsulante. Nel corso degli anni, le simulazioni agli Elementi Finiti (FE) hanno acquisito una notevole rilevanza nella pratica industriale per la modellazione delle distribuzioni di tensione e dei meccanismi di danneggiamento nei moduli di potenza, consentendo valutazioni predittive del numero medio di cicli operativi che un dispositivo può sopportare prima di giungere a rottura. L'accuratezza delle simulazioni FEM dei package di potenza dipende fortemente dall'accuratezza delle metodologie di caratterizzazione della risposta meccanica degli strati costituenti, sia in regime elastico che plastico, tenendo conto degli effetti della temperatura e della velocità di deformazione. Questa tesi di dottorato è strutturata in due parti principali. La prima parte è interamente dedicata alla modellazione numerica termo-strutturale di moduli di potenza basati su SiC (Carburo di Silicio) per applicazioni automotive. Le simulazioni numeriche sono state impiegate per caratterizzare le interfacce critiche attraverso l'analisi accurata delle distribuzioni di tensione. Nello specifico, sono stati indagati i seguenti aspetti: l'effetto della geometria di deposizione degli strati di passivazione sulle distribuzioni di tensione locali; le deformazioni permanenti e le tensioni residue derivanti da specifiche fasi del processo di produzione; i modelli di delaminazione e i meccanismi di danneggiamento duttile/fragile; e, infine, il confronto tra risposte puramente elastiche ed elastoplastiche. L'accuratezza dei risultati forniti dalle Analisi agli Elementi Finiti dei moduli di potenza è fortemente influenzata dai modelli costitutivi dei materiali implementati per simulare il comportamento meccanico di ciascun strato del package. Di fatto, la prima parte della mia attività di dottorato si è concentrata in generale sul dimostrare l'importanza di includere adeguatamente la risposta elastoplastica non lineare degli strati di rame, lega saldante (solder) e poliimmide nella simulazione del comportamento termomeccanico dei dispositivi di Elettronica di Potenza, mentre la maggior parte delle simulazioni nella letteratura attuale si basa ancora su approcci elastici lineari di prima approssimazione. Pertanto, la seconda parte di questa tesi di dottorato è focalizzata sull'indagine di metodologie sperimentali-numeriche per la caratterizzazione della risposta a trazione di materiali strutturali soggetti a velocità di deformazione statiche e dinamiche. Nello specifico, viene esaminata approfonditamente la risposta plastica del Policarbonato e dei metalli in lamiera anisotropi, collegando i loro peculiari meccanismi di deformazione, nel regime post-necking, alla corrispondente curva true stress-strain ed alla flow curve del materiale. Sebbene i materiali specifici indagati nella seconda parte della tesi (cioè Policarbonato e lamiere anisotrope) non siano direttamente impiegati nella produzione dei package di Elettronica di Potenza analizzati, gli aspetti distintivi che caratterizzano la loro risposta elastoplastica, come il pronunciato comportamento di hardening-softening osservato nel Policarbonato e l'anisotropia intrinseca delle lamiere laminate, forniscono informazioni cruciali su di essi. Tale conoscenza è adatta a raffinare gli approcci di modellazione costitutiva per i comportamenti analoghi esibiti dagli strati metallici e polimerici presenti all'interno dei moduli, migliorando così l'affidabilità complessiva della simulazione.