Life-time prediction of solder joints used in surface mount assemblies during thermo-mechanical and isothermal aging

par Mickaël Pocheron

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Hélène Fremont et de Alexandrine Guédon-Gracia.

Le président du jury était Eric Woirgard.

Le jury était composé de Timma Anael.

Les rapporteurs étaient Peter Borgesen, Roland Fortunier.

  • Titre traduit

    Prédiction de la durée de vie des joints de brasure de composants montés en surface (CMS) sur substrat céramique soumis à des vieillissements isothermes et thermomécaniques


  • Résumé

    Les directives ROHS et WEEE banniront, dans les années qui viennent, le plomb de l’industrie électronique. Seulement, les assemblages électroniques de Schlumberger destinés à des applications hautes températures, tels que les ceux faisant intervenir des composants montés en surface, font intervenir des brasures à forte teneur en plomb. C’est pourquoi, Schlumberger investit énormément afin de trouver de nouvelles brasures sans plomb pour les remplacer. Ce projet, qui s’inscrit dans ce cadre, a pour objectif de prédire la durée de vie d’assemblages utilisant ces nouvelles brasures avec un substrat et des composants en céramique. Cette prédiction se fait en deux étapes. La première est expérimentale. Les assemblages sont soumis à des vieillissements accélérés thermomécaniques et isothermes. En plus de la durée de vie, ces tests apportent des connaissances sur les effets du vieillissement, sur les mécanismes et les zones de défaillances, sur l’interaction de ces brasures avec les finitions du substrat et des composants et enfin sur l’évolution de la microstructure et des phases d’intermétalliques créées lors du vieillissement.La seconde étape est la modélisation de ces assemblages afin de comprendre leur comportement sous sollicitations thermomécaniques. Les simulations aident à comprendre les phénomènes locaux qui apparaissent dans l’assemblage et à extraire des paramètres de fatigue pour diverses conditions thermomécaniques. Enfin, une corrélation entre les résultats de défaillance expérimentaux et la fatigue calculée grâce à la simulation va permettre d’estimer la durée de vie des assemblages pour différentes sollicitations thermomécaniques. Les simulations permettent donc de diminuer le nombre d’essais expérimentaux souvent chers et longs. Seulement, pour faire des simulations fiables, il est nécessaire de connaitre les paramètres mécaniques de tous les matériaux. Pour la brasure, cela veut dire le comportement élastique, plastique et en fluage. Donc, un bénéfice supplémentaire pour Schlumberger est la détermination de ses paramètres pour les nouvelles brasures.


  • Résumé

    Because of ROHS or WEEE directives, in a close future, lead materials will be banned from electronicindustry. Unfortunately, Schlumberger is using high-lead content solders for surface mount devices forhigh temperature applications. Considering this issue, Schlumberger puts in place high amount of investments to replace these solders by lead-free solders. The topic of the work is to study lead free candidates destined to support Schlumberger high temperature mission profiles. The device under test chosen for this project is a surface mount device composed of a passive component connected to a ceramic substrate by solder joints. The predictive study of reliability of these new assemblies for high temperature applications needs two complementary analyses. The first study is to characterize, experimentally, the life time of surface mount assemblies using these new lead free solders submitted to accelerated thermomechanical and isothermal aging tests. Hence, the first benefits for Schlumberger are knowledge on thecompatibility of these new alloys with their current finishes with the microstructure and intermetallic compounds evolution. More over, the main effects due to aging are investigated like failure sites and mechanisms. The second goal of the project is to perform thermo-mechanical simulations of surface mount assembly under thermal cycling. Simulations help to understand local phenomena and estimatefatigue parameters under other thermal conditions. Then, a correlation between experimental results about failure and calculated fatigue leads to an estimation of the life time of the assemblies. Thus, simulations have the advantage to reduce the number of time-consuming and expensive thermo-mechanical agingtests. To perform a simulation, the physical parameters of each solder material are needed like elastic,plastic and creep data. Additional benefits for Schlumberger involve mechanical properties which are, at the moment, unknown for these new high temperature lead free materials.



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