Développement d'un nouvel alliage de brasage sans plomb pour des applications à haute température en microélectronique
par Marc Wary
Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux (AM)
Sous la direction de Etienne Patoor, Karim Inal et de Raphaël Pesci.
Soutenue le 29-01-2020
à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3) - UMR 7239 (laboratoire) , École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....) (établissement de préparation de la thèse) et de Inventech Performance Chemicals (entreprise) .
Le président du jury était Thomas Pardoen.
Le jury était composé de Etienne Patoor, Karim Inal, Raphaël Pesci, Shabnam Arbab Chirani, Denis Najjar.
Les rapporteurs étaient Shabnam Arbab Chirani, Denis Najjar.
- Brasage
- Électronique
- Alliage sans plomb
- Haute température
- Refusion
- Plomb -- Aspect environnemental -- Thèses et écrits académiques
- Alliages -- Développement industriel
- Phénomènes chimiques
mots clés
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Résumé
Contenus à l'origine dans la plupart des équipements électroniques, notamment au niveau des brasures, le plomb et ses dérivés sont désormais considérés comme une menace directe pour la santé humaine et l’environnement. La directive Européenne RoHS2 en fixe le niveau de concentration maximale à 0,1%. Or, il existe peu de substituts à l’alliage PbSnAg pour les applications de brasage à haute température dans le domaine de la microélectronique. L’objectif de ce travail de thèse a donc été de développer un alliage de substitution sans Pb fiable pour le procédé de brasage par refusion. Pour cela, plusieurs compositions chimiques d’alliages potentiels ont été déterminées, en s'appuyant sur l’état de l’art et sur des modélisations thermodynamiques effectuées sous Thermo-Calc. Puis, ces alliages ont été élaborés et entièrement caractérisés en termes de microstructure, de propriétés physico-chimiques, électriques et mécaniques. Un alliage a finalement été conservé pour ses propriétés. Cependant, sa faible conductivité thermique nous a forcés à trouver une voie d’amélioration par l’ajout de renforts très conducteurs, amenant à un alliage composite de conductivité thermique élevée (λ = 61 W.m-1.K-1) dont certaines propriétés liées à la tenue en service et au vieillissement restent encore à évaluer sur des assemblages réels.
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Titre traduit
Development of a new lead-free solder alloy for high temperature applications in microelectronics
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Résumé
Mainly used as electronic solders, lead and lead containing materials are considered to be a major threat to human health and environment. Recent EU directive RoHS has established the maximum concentration at 0.1%. However, there is a lack of substitutes for PbSnAg alloy for high-operating temperature applications in the electronics industry so that this PhD aims at developing one possible reliable substitutional alloy without lead considering reflow soldering. Several alloys with different chemical compositions were selected based on literature and thermodynamic calculations using Thermo-Calc. They were then elaborated and characterized through microstructure as well as physical-chemical, electrical and mechanical properties: one them was finally preserved but its low thermal conductivity obliged us to add reinforcements with high conductivity leading to an interesting composite alloy (λ = 61 W.m-1.K-1). Several properties linked to service life and aging still remain to be assessed on industrial assemblies.
Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 31-12-2039
