Elaboration de films de cuivre nanoporeux et thermocompression pour l'assemblage en électronique de puissance

Processing of nanoporous copper films and thermocompression for assembly in power electronics

• Auteur / Autrice : Lucas Chachay
• Direction : Jean-Michel Missiaen, Rémi Daudin, Didier Bouvard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 26/01/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Hihn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Dezellus, Joël Alexis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Cuivre

Mots clés libres

Dissolution sélective

Nanoporeux

Thermocompression

Cuivre

Electronique de puissance

Nanoporous

Dealloying

Thermocompression

Copper

Power electronics

Résumé

Afin de diminuer l’émission de gaz à effet de serre dans le domaine de l’aéronautique, les constructeurs cherchent à électrifier les différentes motorisations utilisées dans les avions, et notamment dans un premier temps les motorisations secondaires (train d’atterrissage, …). Cet objectif nécessite d’augmenter les performances des modules électroniques de puissance, en particulier en améliorant la qualité des assemblages entres les différents composants et substrats.C'est dans ce contexte que se situent ces travaux de thèse. Nous proposons une technique d'assemblage innovante avec des connexions entièrement en cuivre, pour de meilleures performances électriques, thermiques et mécaniques. Cette technique consiste à interposer un film de Cu nanoporeux de quelques dizaines de µm entre les composants électroniques et les substrats puis à réaliser une thermocompression à une température voisine de 300°C. Cette étude explore à la fois l'élaboration des films de Cu poreux par dissolution sélective d'alliages binaires ou par électrodéposition sous bullage d'hydrogène et l'assemblage par thermocompression. Concernant la dissolution sélective, les films élaborés à partir d’alliages Mn-Cu ont donné les meilleurs résultats. Après optimisation de l’élaboration des films poreux, les analyses thermiques et mécaniques ainsi que l’observation microstructurale des assemblages par thermocompression ont mis en évidence une meilleure adhésion des films électrodéposés. Des résistances aux cisaillements jusqu'à 25 MPa ont pu être atteintes. Nous avons montré que cette différence était due à la différence de microstructure entre les films obtenus par dissolution, qui présentent des tailles de grains de l’ordre de 100 nm et les films électrodéposés qui présentent des tailles de grains de l’ordre de 1 µm. Dans les conditions de thermocompression étudiées, la déformation des films est régie par le fluage par mouvement de dislocations. La densification et la formation des contacts avec les films électrodéposés à gros grains sont de ce fait facilitées.

In order to reduce greenhouse gas emissions in the aerospace industry, manufacturers are looking to electrify the various engines used in aircraft, starting with the secondary engines (landing gear, etc.). To achieve this objective, the performance of power electronics modules must be improved, in particular by improving the quality of the assembly between the various components and substrates.This is the background to this thesis. We propose an innovative all-copper interconnection assembly technique to improve electrical, thermal and mechanical performance. The technique involves interposing a nanoporous Cu film of a few tens of µm between the electronic components and the substrates, followed by thermocompression at a temperature close to 300°C. In this study, both the preparation of the porous Cu films by dealloying of binary alloys or by electrodeposition under hydrogen bubbles and the assembly by thermocompression are investigated. In terms of dealloying, films made from Mn-Cu alloys gave the best results. After optimising the processing of porous films, thermal and mechanical analyses and microstructural observation of thermocompression assemblies revealed better adhesion of electrodeposited films. Shear strengths up to 25 MPa were achieved. We have shown that this difference is due to the difference in microstructure between the films obtained by dissolution, which have grain sizes in the order of 100 nm, and the electrodeposited films, which have grain sizes in the order of 1 µm. Under the thermocompression conditions studied, film deformation is governed by dislocation creep. This facilitates densification and contact formation with coarse grained electrodeposited films.