Etude des propriétés mécaniques de technologies de report de puce pour électronique de puissance : influence du vieillissement.

Study of mechanical properties of new material for chip interconnection in the power electronic packaging : influence of ageing

• Auteur / Autrice : Vincenzo Caccuri
• Direction : Xavier Milhet, Pascal Gadaud, Michel Gerland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 16/01/2014
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Barbot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zoubir Khatir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Legros, Eric Woirgard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Porosité

Frittage (métallurgie)

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Matériaux -- Détérioration

Durée de vie (ingénierie)

Joints brasés

Mots clés libres

Brasure d'argent

Evolutions microstructurales

Analyse 2D/3D

Silver braze

Microstructural evolutions

2D/3D analysis

Résumé

Les contraintes environnementales imposent de trouver des solutions pour limiter les émissions gazeuses (gaz à effet de serre) ainsi que d’éliminer les matériaux nocifs dans les produits de consommation. L’étude de solutions alternatives devient donc un point clé au développement des produits futurs. Dans ce contexte, les véhicules électriques et hybrides sont en forte progression sur le marché mais leur développement commercial reste fortement lié à leur fiabilité, plus particulièrement à celle des organes contrôlés par l’électronique de puissance. Notre étude s’inscrit dans ce cadre et se focalise sur la pâte d’argent micrométrique, matériau candidat au remplacement des solutions à base de plomb pour le report des puces. Si la pâte d’argent est assez bien caractérisée pour ses propriétés électriques, peu de données sont reportées dans littérature quant à ses propriétés mécaniques, pourtant indispensables pour appréhender la durée de vie des assemblages complets. Dans la thèse, une méthode originale d’élaboration des échantillons a été développée. Basée sur les recommandations d’utilisation donnée par le fournisseur, elle a été adaptée afin de d’obtenir des échantillons massifs dont la microstructure brute et après vieillissement en température est identique à celle des brasures réelles. Après élaboration, le taux porosité, compris entre 15 % et 20 %, n’évolue pas au cours de vieillissements représentatifs des conditions d’utilisation réelles. Seule la morphologie des pores évolue, pour laquelle un grossissement, respectant les cinétiques du mûrissement d’Ostwald, et une évolution de la distribution spatiale est observée. Les propriétés mécaniques sont une fonction de la densité à l’état brut. Après vieillissement des échantillons massifs, si les propriétés élastiques ne varient pas (à densité constante), la dispersion des propriétés plastiques sont reliées à la modification de la distribution spatiale des pores. L’évolution des propriétés élastiques sur les échantillons représentatifs des brasures est attribuée aux mécanismes de relaxation des contraintes d’élaboration. Une fois celles-ci relaxées, les propriétés sont identiques pour les deux états (massif et couche mince) et sont donc intrinsèques au matériau.

The requirement for reducing the use of harmful materials in convenience goods hasprompted investigation into alternative solutions. Along with the need to drastically limit theemission of greenhouse gases, the increase of electric or hybrid vehicles in the market reliesmostly on their dependability with a specific focus on reliability of the embedded powerelectronics. The study of alternative materials to lead (Pb) or Pb-based alloys for die bondingis a critical step towards realising an environmentally friendly solution. Micrometric silverpaste was chosen as a candidate because of its excellent electrical properties. However, fewdata are available in the literature concerning its mechanical properties, mandatory to modelthe entire electronic system for service life assessment. The processing route, based on thesintering of micrometric powder, provides a material with significant porosity that is knownto alter the mechanical properties when compared to the dense material. In this thesis, anoriginal processing route was developed in order to obtain bulk samples with the samemicrostructure of real solder joints either before or after ageing. The mechanical properties vsdensity was established prior to or after aging. After aging, the elastic properties do not varywhile the dispersion observed for the plastic properties is connected with the microstructureevolution. The evolution of the elastic properties on the representative samples of solder jointsafter aging is attributed to the mechanisms of stress relaxation. Once these relaxed, theproperties are identical for both states (bulk and thin layer) and are thus intrinsic in thematerial.