Vieillissement thermique de la structure nanoporeuse de l’Ag fritté pour le report de puces des modules d’électronique de puissance : nanotomographie in situ, rôle d’une interface et simulation du comportement mécanique

Thermal Aging Of The Nanoporous Structure Of Sintered Ag Used As Bonding Material In Electronic Modules : In Situ Nanotomography, Influence of an Interface, and Simulation of the Mechanical Behavior

• Auteur / Autrice : Kokouvi Happy N'Tsouaglo
• Direction : Xavier Milhet, Loïc Signor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 20/07/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Lefebvre, Sophie Dartois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Limodin, Caroline Richard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Nanopores

Modules de puissance (électronique)

Microstructure (physique)

Porosité

Conductivité thermique

Propriétés thermiques

Frittage d'argent

Durée de vie (ingénierie)

Éléments finis, Méthode des

Élasticité

Mots clés libres

Nanotomographie in situ

Caractérisation 3D/4D

Interface

In -situ nanotomography

3D/4D characterization

Interface

Résumé

Les progrès rapides de l’électronique de puissance sont intimement liés à la nécessité d’amélioration des performances et de la fiabilité des nouveaux moyens de transports tout en permettant la réduction des émissions de gaz responsables de l’effet de serre. Les modules de puissance de dernière génération s’appuient sur des nouvelles puces en SiC ou GaN. Celles-ci, permettent des performances très supérieures à celles obtenues avec les puces classiques en Si en contrepartie d’une augmentation significative de la température de fonctionnement. Les modules de puissance étant un assemblage complexe de différents matériaux, une réévaluation fine des évolutions microstructurales et de la durabilité de chacun des matériaux et des interfaces est nécessaire, compte tenu du niveau de température et de contraintes thermiques induites dans le temps. En particulier, le matériau de report de la puce dans le module est un élément clé de sa fiabilité, car il doit assurer une bonne cohésion mécanique tout en étant un très bon conducteur thermique et électrique. Par rapport aux solutions classiques de report de puce Si (alliage SAC), ne répondant plus aux contraintes imposées par le fonctionnement des modules de dernière génération, il est question d’étudier de nouvelles solutions technologiques pour réaliser le report des nouvelles puces. Parmi toutes les solutions émergentes, le frittage de pâte d’argent (Ag) apparait comme une excellente technologie de report car l’Ag possède les meilleures conductivités thermique et électrique ainsi qu’une température de fusion très élevée par rapport aux matériaux classiquement utilisés. Cependant, les conditions d’élaboration du joint d'Ag conduisent à une microstructure nanoporeuse, connue pour altérer les propriétés du matériau, dont l’évolution au cours du vieillissement thermique est assez mal connue. Dans ces travaux, l'évolution temporelle (4D) de la microstructure nanoporeuse de l'Ag fritté au cours du vieillissement thermique dans la gamme de 200°C à 350°C a été suivie par nanotomographie à rayons X in-situ. En particulier, l’effet de la présence d’une interface argent/cuivre (Ag/Cu) sur l’évolution de la structure poreuse a aussi été investiguée. Des différences drastiques d'évolution microstructurale ont été observées entre les échantillons composés uniquement d'Ag fritté (échantillons nus) et les échantillons présentant un revêtement de cuivre (échantillons Ag/Cu). Des simulations numériques en champs complets par la méthode des éléments finis sont proposées pour étudier l’influence de la structure poreuse sur les propriétés mécaniques de l'Ag fritté. Dans la gamme de microstructures étudiées, le comportement élastique effectif de l’Ag fritté est quasiment isotrope et ne dépend que de la fraction volumique de pores (ou porosité), tandis que la morphologie et l'arrangement spatial des pores n'ont pas d'influence notable.

The rapid evolution of power electronics is closely linked to the need to improve the performance and the reliability of greener transportation systems (cars, planes, etc.). The latest generation of power modules is based on SiC or GaN chips, which provide higher performance than traditional Si chips, but with a significant increase in operating temperature. As power modules are a complex assembly of different materials, all of them having different coefficients of thermal expansion, a fine re-evaluation of the evolution of the microstructures and properties over time for each material and interfaces is necessary. This is a critical issue since the systems work now at a much higher temperature. In particular, the die-attached bonding layer is a key point for the entire module reliability, as it must ensure good mechanical cohesion while being a very good thermal and electrical conductor. As the traditional bonding solutions are no longer usable for the most advanced modules, new bonding solutions need to be investigated. Among all the emerging solutions, silver (Ag) paste sintering appears to be an excellent die-attach technology because Ag has the best thermal and electrical conductivity as well as a very high melting temperature compared to other commonly used materials. However, the conditions of elaboration of the sintered Ag lead to a nanoporous microstructure, known to alter the properties of the material. Furthermore, the evolution of the nanoporous structure and properties during thermal aging is only poorly known and very often only based on 2D investigations. In this work, time resolved evolution (4D) of the nanoporous microstructure of sintered Ag during thermal aging in the range of 200°C to 350°C was monitored using in-situ X-ray nanotomography. In particular, the effect of a copper substrate (Ag/Cu) on the porosity evolution was investigated. Drastic differences in microstructural evolution were observed between pure sintered Ag samples and samples with a copper interface. Full-field numerical simulations by the finite element method have been proposed to determine the mechanical properties of sintered Ag. It appears that sintered Ag has an almost perfectly isotropic behavior with elastic properties depending mainly on the porosity. The morphology and spatial arrangement of the pores do not have a significant influence on the elastic properties.