Les composés intermétalliques du système Ag-Sn et l'électronique de puissance

The intermetallic compounds of the Ag-Sn system and power electronics

• Auteur / Autrice : Roland Mahayri
• Direction : Frédéric Schoenstein, Noureddine Jouini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Silvana Mercone
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvana Mercone, Jean-Yves Piquemal, Mireille Richard-Plouet, Fabien Giovannelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Piquemal, Mireille Richard-Plouet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyols

Circuits de commutation

Microélectronique

Mots clés libres

Composés intermétalliques Ag-Sn

Procédé polyol

Frittage Die-Bonding

Ag-Sn intermetallic compounds

Polyol process

SPS sintering

Résumé

Au cours des deux dernières décennies, la croissance des applications électroniques de puissance a été remarquable en raison de développement des dispositifs de commutation très rapides, fonctionnant à haute température et à haute puissance, couplée à l'utilisation d'algorithmes de contrôle numérique avancés. Aujourd'hui, l'électronique de puissance est une technologie mature mais nécessite une forte exploration de nouveaux matériaux (sans plomb) et de nouvelles techniques d'assemblage pour répondre aux besoins industriels et pour assurer l'intégrité du signal électrique, la bonne tenue mécanique et l'évacuation de la puissance dissipée de la puce au sein du module de puissance. Les alliages métalliques sont largement utilisés dans un grand nombre d'applications. On y distingue les composés intermétalliques qui présentent des propriétés physiques et structurales dont certaines sont déjà à la base de plusieurs applications (stockage d'hydrogène, aubes de turbines?). Le présent travail concerne les composés intermétalliques existant dans le système Ag-Sn et leur potentielle utilisation en l'électronique en tant que matériaux d'attache permettant l'adhésion de la puce au substrat formant le module de puissance. Le premier axe de ce travail concerne la synthèse en milieu polyol du composé intermétallique Ag3Sn et d'un composé de formule chimique Ag0,85Sn0,15 appartenant à la solution solide de composition étroite située entre 9 et 16 at% Sn appelée solution solide ?. Ces deux phases correspondent à deux points invariants péritectiques (480 et 724°C). Le deuxième axe de ce travail a été consacré à la consolidation par SPS des poudres de la phase Ag3Sn sous forme de matériaux massifs dans l'objectif d'éprouver l'effet de la nature de la microstructure obtenue sur l'évolution des propriétés de transport électrique et thermique ainsi que sur les caractéristiques mécaniques de ces composés consolidés. Le troisième axe est dévolu à l'utilisation des particules submicroniques de la phase Ag3Sn en tant que matériau d'attache pour l'assemblage des éléments du module de puissance. Le procédé alternatif utilisé est le frittage par thermo-compression de ces particules intercalées sous forme de pâtes entre la puce et le substrat. Tous les échantillons (Puce/Joint/Substrat) consolidés ont fait l'objet d'essais de cisaillement ainsi que d'autres tests de fiabilité en vue de juger de la qualité d'adhésion de la puce au substrat via le matériau d'attache.

Over the past two decades, the growth of power electronics applications has been remarkable due to the development of very fast high temperature and high power switching devices coupled with the use of advanced digital control algorithms. Today, power electronics is a mature technology but still require a strong exploration of new materials and new assembly techniques to meet industrial needs and to ensure the integrity of the electrical signal, the good mechanical resistance and the evacuation of the dissipated power of the chip within the power module.Metal alloys are widely used in a large number of applications. We can distinguish intermetallic compounds which have particular physical and structural properties, some of which are already the basis of several applications (hydrogen storage, turbine blades, etc.). The present work concerns the intermetallic compounds existing in the Ag-Sn system and their potential use in electronics as attachment materials allowing the adhesion of the chip to the substrate forming the power module.The first axis of this work concerns the synthesis in polyol medium of the intermetallic compound Ag3Sn and of a compound of chemical formula Ag0.85Sn0.15 belonging to the solid solution of narrow composition located between 9 and 16 at% Sn called solid solution ?. These two phases correspond to two peritectic invariant points (480 and 724 °C).The second axis of this work is devoted to the consolidation by SPS of Ag3Sn powders in the form of bulk materials with the objective of testing the effect of the nature of the microstructure obtained on the evolution of transport properties, electrical and thermal, as well as on the mechanical characteristics of these consolidated compounds.The third axis is devoted to the use of submicronic particles of the Ag3Sn phase as a binding material for the assembly of the elements of the power module. The alternative process used is the sintering by thermo-compression of these particles interposed in the form of pastes between the chip and the substrate. All consolidated samples (Chip / Joint / Substrate) have been subjected to shear tests as well as other reliability tests in order to judge the quality of adhesion of the chip to the substrate via the attachment material.