Enhanced protection of electronic modules : metallic film synthesis and corrosion study

par Ahmad Bahramian

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux, physique, chimie et nanosciences

Sous la direction de Philippe Knauth et de Marielle Eyraud.

Soutenue le 14-12-2018

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec MADIREL (laboratoire) .

Le président du jury était Ahmed Charaï.

Le jury était composé de Philippe Marcus, Line Dégeilh.

Les rapporteurs étaient Stefano Rossi, François-Xavier Perrin.

  • Titre traduit

    Protection renforcée des modules électroniques : synthèse de films métalliques et étude de la corrosion


  • Résumé

    Les systèmes Cu /Ni-P/Au sont utilisés comme contacts électriques car ils présentent une conductivité électrique élevée, alliée à un bon comportement mécanique et une résistance à la corrosion. Le Cu possède une conductivité électrique unique qui en a fait le métal le plus utilisé en électronique. Cependant, sa faible résistance à la corrosion nécessite l’application de revêtements protecteurs. Les sous couches de Ni (généralement Ni-P) permettent essentiellement d’éviter la diffusion entre Cu et Au. Enfin, la couche de finition en Au est utilisée pour garantir la durée de vie des contacts électriques. Pour des raisons économiques, ce film de faible épaisseur est poreux, entrainant ainsi un couplage galvanique entre l’Au et le Ni au détriment du nickel. Ainsi ce travail est dédié à l’identification et la mise en œuvre des stratégies visant à améliorer la durée de vie des contacts électriques et plus globalement des modules électroniques.Lors de cette thèse, nous avons développé 3 stratégies : (1) améliorer les propriétés de la couche barrière de Ni, (2) remplacer l’or par un métal moins onéreux, (3) sceller les pores de la couche d’Au les propriétés du film barrière Ni-P améliorées notamment par des additifs tels que la glycine. Sn a également imposé un effet similaire. D’autres couches de finition nobles NiAg et NiPd ont été étudiées. Bien que des films hautement adhésifs aient été formés par potentiel pulsé, ces films poreux n'offraient pas un comportement correct à la corrosion. Enfin, il a été découvert que les pores de la couche de finition en Au peuvent être efficacement scellés par électrodéposition de poly méthacrylate de méthyle


  • Résumé

    Cu/Ni(Ni-P)/Au systems are used as electrical contacts due to their combination of electrical conductivity, corrosion resistance, and mechanical behavior. Cu has a unique electrical conductivity that made it the most used metal in electronics. However, protective coatings must be applied on Cu due to its poor corrosion resistance. Au films are used to secure a proper lifetime of electrical contacts. Ni films are essential to avoid the diffusion of Cu into Au. Electrodeposition is the method of choice to form these multi-layer systems. The Au top-coat is notably thin and hence porous. The corrosive media penetrate through these pores, hence electrical contacts are suffering from a galvanic coupling. This work is dedicated to identify and test the strategies to enhance the lifetime of electrical contacts and electronic modules. Three strategies were detected, (1) improve the properties of the Ni barrier layer, (2) replacing the Au film with a thicker but cheaper alternative metal, and (3) seal the pores of Au top-coat using a post-treatment process. It was found out that the properties of the Ni-P barrier film can be notably improved by additives such as glycine. Sn also found to be highly advantageous for forming NiSn barrier coatings. NiAg and NiPd noble top-coats were investigated as alternatives to Au thin films. Although highly adhesive films were formed using the pulse deposition, the films were porous and thus did not offer a proper corrosion behavior. And finally, a cathodic electropolymerization was employed as a post-treatment method. It was found out that the pores of Au top-coat can be effectively sealed by the electrodeposition of polymethyl methacrylate


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