Thèse soutenue

Approche microstructurale pour l'évaluation de la fiabilité des assemblages électroniques en fatigue thermomécanique
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Auteur / Autrice : Emna Ben Romdhane
Direction : Hélène FremontAlexandrine Guédon-Gracia
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique
Date : Soutenance le 05/12/2022
Etablissement(s) : Bordeaux
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Buffière
Examinateurs / Examinatrices : Pierre Roumanille, Wilson Carlos Maia Filho, Manoubi Auguste Bahi
Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Dalverny, David Danovitch

Résumé

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Avec l'interdiction d'utilisation de certaines substances dangereuses par la directive européenne RoHS, comme le plomb dans une série de produits électriques, l'eutectique SnPb, qui était l'alliage de brasure le plus utilisé dans les assemblages électroniques, est remplacé par des alliages SnAgCu (SAC). Malgré l'apparition précoce de ces matériaux, leur insertion dans l'industrie est freinée par l’observation de défaillances précoces des brasures par fatigue thermomécanique. Ces alliages présentent une microstructure complexe et variable qui influence de façon importante leur comportement.Le principal objectif de ce travail est d’améliorer la prédiction de la durée de vie des interconnections SAC en développant un critère d’endommagement générique, basé sur l’évolution microstructurale de l’alliage et pouvant être implémenté dans un modèle de fatigue. Ce travail consiste aussi à étudier les différents facteurs pouvant affecter le vieillissement des brasures SAC en fatigue thermomécanique.La microstructure initiale de l’alliage SAC et son évolution due à la fatigue thermomécanique ont été examinées en se basant sur des essais accélérés et sur l'investigation microstructurale par analyses EBSD. La recristallisation des grains β-SN et la coalescence des intermétalliques Ag3Sn apparaissent bien comme les précurseurs à la fissuration intergranulaire des différentes brasures étudiées (BGA, R1206 et QFN). Le boitier QFN révèle une autre dynamique mixte où l’on observe une compétition entre la fissuration intergranulaire et la rupture interfaciale qui se produit le long de la couche d’intermétalliques, sans évolution microstructurale de l’alliage SAC.L’analyse des indicateurs d’endommagement microstructural est abordée avec la caractérisation quantitative de la recristallisation et de la coalescence des particules Ag3Sn. La taille des grains recristallisés varie de 1 à 30 µm indépendamment de la géométrie de brasure. C’est une caractéristique de l’alliage SAC. Un faible degré de recristallisation semble suffisant pour déclencher la propagation des fissures dans les joints BGA et R1206 (respectivement 8 % et 10 %). Un degré de recristallisation plus élevé est requis pour la propagation des fissures dans les joints QFN (27 %). Cela peut être dû au mode de fissuration mixte observé sur cette géométrie. Concernant la coalescence des intermétalliques, les particules ayant un diamètre supérieur à 2 µm semblent favoriser la recristallisation. Il serait intéressant de pouvoir implémenter ces indicateurs d’endommagement dans les modèles de prédiction.L’étude des différents paramètres influençant les performances thermomécaniques des brasures SAC montre que le vieillissement isotherme, la localisation de la brasure et la microstructure initiale ont un effet sur le comportement thermomécanique des joints brasés SAC. Ils sont des facteurs primordiaux à prendre en compte lors de développement du modèle de fatigue thermomécanique.