Design and Fabrication of Next-Generation Lanthanum-Doped Lead-free Solder for Reliable Microelectronics Applications in Severe Environment

par Muhammad Sadiq

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Mohammed Cherkaoui et de El Mostafa Daya.

Soutenue le 19-06-2012

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec LEM3 - Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux - UMR 7239 (laboratoire) .

Le président du jury était Karim Inal.

Le jury était composé de Stéphanie Blanc, Suriyakan Kleitz, Raphaël Pesci.

Les rapporteurs étaient Karim Inal, Olaf Van der Sluis.

  • Titre traduit

    Conception et fabrication d'une nouvelle génération de soudures sans plomb dopés en lanthane pour des applications microélectroniques fiables en environnement sévère


  • Résumé

    Le besoin pressant de substitution du plomb dans les alliages de soudure a conduit à une introduction très rapide de nouveaux alliages sans plomb dont la connaissance en termes de comportement n'est pas assez approfondie. En effet, d'autres problématiques sont apparues (l'augmentation de la température du procédé de soudage, trop grand choix disponible dans les alliages alternatifs) alors que les problèmes relatifs aux alliages actuels sont restés sans réponse (le changement incessant de la microstructure des alliages de soudure, la méthodologie empirique prédisant la durée de vie). Tous les paramètres cités ci-dessus modifient la stabilité et la fiabilité des performances spécifiques de l'alliage de soudure et par conséquence, de tout le module électronique.De plus, avec la miniaturisation de l'électronique et les conditions d'environnement de plus en plus sévères, ces obstacles deviennent critiques et les solutions actuelles ne sont plus compatibles. Les demandes de ce marché deviennent donc de plus en plus strictes en termes de prédiction de durée de vie et de contrôle de fiabilité.L'objectif de ce projet est de comprendre et de concevoir une nouvelle formulation d'alliage sans plomb afin de développer une alternative à l'alliage plombé haute température et un alliage pour les applications haute fiabilité et en accord avec les directives gouvernementales. Des approches expérimentales avancées comme la nano-indentation, le suivi de l'évolution de la microstructure par SEM et par EDS mapping, l'étude des effets du vieillissement thermique sur la croissance de la taille des grains avec de la lumière croisée polarisée de microscopie optique etc seront utilisées pour développer un alliage sans plomb qui convienne aux exigences des applications automobile et pipeline


  • Résumé

    The urgent need for removing lead from solder alloys led to the very fast introduction of lead-free solder alloys without a deep knowledge of their behaviour. As a consequence, additional issues raised (increased thermally induced problems during soldering process, a too wide range of possible available alternative alloy formulations), while problems related to current solder alloys remained unsolved (the constant change of the solder alloy microstructure, empirical predicting lifetime methodology). All the above mentioned issues alter stability and reliability of the application specific performances of the solder alloy, and subsequently of the whole electronic module. These problems become critical and are no longer compatible, as the market goes towards miniaturization and harsh environment conditions. These market trends now require stricter life time prediction and reliability control. Objective of this project is to understand and design a novel lead-free solder formulation to develop a potential alternative to lead-based high temperature melting point solder for high reliability requirements and in accordance with governmental directives. An advanced experimental approach like nanoindentation, microstructure evolution with SEM and EDS mapping, thermal aging effects on continuous grain size growth with cross polarized light of optical microscopy etc. would be implemented to develop doped-SAC lead-free solders for the best-fit to requirements in automotives and pipelines applications


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