Vieillissement et fiabilité métallurgique de microfils copper-clad aluminium employés comme substitut au cuivre polycristallin dans l'industrie électrique et électronique

Aging and metallurgical reliability of copper-clad aluminum microwires used as a substitute of polycrystalline copper in the electrical and electronical industry

• Auteur / Autrice : Antoine Gueydan
• Direction : Eric Hug, Bernadette Domengès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des structures et des matériaux
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Hug, Bernadette Domengès, Eric Andrieu, Franck Tancret, Guillaume Kermouche, Marie-Noëlle Avettand-Fenoël, Karine Danilo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Tancret, Guillaume Kermouche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Transfert de chaleur

Fils électriques

Microstructure (physique)

Fluage

Alliages aluminium-cuivre

Aluminium

Cuivre -- Métallurgie

Résumé

Du fait de la hausse des prix des matières premières et notamment du cuivre, beaucoup d’entreprises s’intéressent aux solutions alternatives au cuivre. Dans la communauté du câble, des fils et microfils, une solution semble émerger : le copper-clad aluminium (ou CCA). Ce bimétal combine l’excellente conductivité électrique du cuivre avec la légèreté de l’aluminium pour un coût bien inférieur à celui du cuivre. Cependant, lors de la mise en œuvre du produit composite, des problèmes tels que la formation d'intermétalliques, influençant fortement les propriétés mécaniques et électriques du bimétal. L’objectif de ce travail fut donc de comprendre les mécanismes de diffusion d’interface dans ce microsystème cuivre-aluminium sous forme de microfils électriques (300 µm) afin de mieux appréhender les problèmes d’élaboration et de vieillissement métallurgique de ces structures. Tout d’abord, cette étude à débuté par un état de l’art concernant les couples Cu-Al rencontrés dans la littérature, pour en dégager les principaux phénomènes observés. La partie suivante expose les résultats en fluage obtenus sur les fils CCA. L'analyse des différents états métallurgiques des fils avant et après traitement thermique a permis de montrer le rôle joué par la microstructure sur leur comportement en température au cours du fluage. Ensuite, les observations microstructurales à la fois par microscopie optique et diffraction électronique, mais aussi par analyse de composition à l’interface ont permis de déterminer les mécanismes de croissances interfaciales au sein des fils. Une comparaison a été établie avec des couples Cu-Al modèles. Enfin, une synthèse des résultats a été réalisée, suivie d'un complément sur l'étude thermocinétique, basé à la fois sur un modèle et des essais expérimentaux. Ceux-ci ont pu alimenter la discussion autour des mécanismes de vieillissement des fils CCA.

Due to the rising prices of raw materials especially copper, many companies are interested in alternatives to copper. In the community of cables, wires and microwires, a solution seems to emerge: the copper-clad aluminum (CCA). This bimetal combines the excellent conductivity of copper with the lightness of aluminum for a lower cost than copper. However, during the implementation of the composite product, problems such as intermetallics formation strongly influence the mechanical and electrical properties of the bimetal. The aim of this study was therefore to understand the diffusion mechanisms of the interface in this copper-aluminum microsystem as electrical microwires (300 µm) to better understand the manufacturing problems and metallurgical aging of these structures. First, this study began with a state of the art for Cu-Al couples encountered in literature to identify key phenomena. The next section presents the results obtained on creep CCA wires. Analysis of the various metallurgical state of wires before and after heat treatment showed the role of microstructure on the temperature behavior during creep. Then microstructural observations by both light microscopy and electron diffraction, but also by compositional analysis at the interface were used to determine the mechanisms of interfacial growth in the wires. A comparison was made with Cu-Al couples models. Finally, a summary of the results was performed, followed by an addition on the thermo-kinetic study, based on a model and experimental testing.