Numerical modelling of delamination phenomena on power device under pulsing loading

As the demand for power devices is keep growing, reliability issues that are present due to the high energy pulses induced by inductive loads must be solved to obtain the better devices. A power device under development has been tested experimentally by repetitive power pulsing test; these tests have shown that the device undergoes functional failure. In this work, finite element analyses have been implemented with the purpose to investigate the failure modes of the device under the pulsing test, with particular reference to the mechanical failure at the interface between dissimilar layers. As the major source of mechanical burden comes from the thermal expansion of the materials, the analysis strategy was to design a weakly-coupled thermo-mechanical model. These finite element models take into account the temperature dependent of the components’ mechanical properties, which were obtained by nanoindentation tests and dynamic mechanical analyses. A cohesive interface model, based on traction-separation law (TSL), was applied to define some interactions between components, where the cohesive interface properties were obtained from peeling and fragmentation test. In addition, an investigation of the interaction between the components has been done in this work to understand the influence of the parameters to the delamination phenomena by means of sensitivity analyses with respect to a selected set of parameters.

Poiché la richiesta di dispositivi di potenza è in continua crescita, risulta sempre più importante risolvere i problemi di affidabilità dovuti agli impulsi ad alta energia indotti dai carichi induttivi al fine ottenere dispositivi con prestazioni funzionali ottimizzate. Un dispositivo di potenza in fase di sviluppo è stato testato sperimentalmente mediante prove di impulsi di potenza ripetuti; questi test hanno dimostrato che il dispositivo subisce una perdita di funzionalità dopo a seguito di un numero di cicli di carico non sufficiente a garantirne l'utilizzo. In questo lavoro, sono state implementate analisi agli elementi finiti con lo scopo di investigare le modalità di fallimento del dispositivo sottoposto a impulsi ripertuti, con particolare riferimento al fallimento meccanico dell'interfaccia tra strati dissimili. Poiché la principale fonte di carico meccanico proviene dall'espansione termica dei materiali, la strategia di analisi è stata quella di progettare un modello termo-meccanico debolmente accoppiato. Questi modelli ad elementi finiti tengono conto della dalle proprietà meccaniche dei componenti dipendenti dalla temperatura, le quali sono state ottenute mediante prove di nanoindentazione e analisi meccaniche dinamiche. Un modello di interfaccia coesiva, basato sulla legge di trazione-separazione (TSL), è stato applicato per definire le interazioni tra componenti all'interfaccia, in cui le proprietà di interfaccia coesiva sono state ottenute dal test di peeling e di frammentazione. Inoltre, in questo lavoro è stata condotta un'indagine sull'interazione tra i componenti per comprendere l'influenza dei parametri sui fenomeni di delaminazione mediante analisi di sensibilità rispetto ad un gruppo selezionato di parametri di interesse.