Méthodologie d'évaluation de la durée de vie des assemblages électroniques sans plomb en environnements thermique et vibratoire

Fatigue life prediction methodologies of SAC305 assemblies subjected to thermal and vibrational loadings

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Libot
• Direction : Olivier Dalverny, Joël Alexis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 21/06/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Deschaux-Beaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Dalverny, Joël Alexis, Alexandrine Guédon-Gracia, Philippe Milesi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Deschaux-Beaume, Zoubir Khatir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Contraintes thermiques

Alliages -- Fatigue

Matériaux -- Fatigue

Joints brasés

Mots clés libres

Brasure

Sans plomb

Température

Vibration

Fatigue

Microstructure

Solder

Lead-free

Temperature

Vibration

Fatigue

Microstructure

Résumé

Depuis l’entrée en vigueur de la directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive) interdisant l’utilisation du plomb, les industriels des secteurs aéronautique et militaire se doivent de comprendre le comportement en fatigue des nouveaux alliages sans plomb afin de pouvoir estimer leur durabilité en conditions réelles d’utilisation. En se basant sur les résultats d’essais accélérés et les modélisations éléments-finis associées, les modèles de fatigue mécanique et thermomécanique correspondant aux brasures SAC305 sont développés. Le 1er chapitre traite de la caractérisation mécanique et optique de cet alliage sans plomb. Après une étude bibliographique poussée, les propriétés élastiques et viscoplastiques de l’alliage SAC305 sont établies à partir d’essais d’écrouissage, de traction et de nanoindentation. La courbe d’hystérésis contrainte - déformation en cisaillement est en outre tracée via l’utilisation de jauges de déformation. Des analyses EBSD sont finalement réalisées afin d’identifier les caractéristiques microstructurales des joints de brasure SAC305 après refusion. Le chapitre 2 a pour objectif d’évaluer la durabilité des interconnexions SAC305 soumises à des chargements en vibrations et en chocs. L’hypothèse élastique est retenue et les paramètres matériaux du modèle de Basquin sont déterminés. À partir de l’algorithme de comptage rainflow et de la loi de Miner, une méthode d’évaluation de la durabilité en vibration aléatoire est donnée. La tenue mécanique en chocs des brasures SAC305 est enfin discutée et comparée à l’alliage SnPb63Ag2. Le dernier chapitre porte sur l’étude de la fatigue thermomécanique des joints brasés SAC305. En utilisant le modèle viscoplastique unifié d’Anand, la loi de fatigue énergétique correspondant est développée. Le phénomène de recristallisation caractéristique de l’endommagement thermomécanique des brasures SAC305 est finalement investigué à partir d’analyses EBSD.

Temperature and vibration-induced solder joint fatigue are main reliability concerns for aeronautic and military industries whose electronic equipment used in the field is required to remain functional under harsh loadings. Due to the RoHS directive which eventually will prevent lead from being utilized in electronic systems, there is a need for a better understanding of lead-free solder behavior used in thermal en vibrational environments. This study reports fatigue life prediction methodologies developed to assess the durability of SAC305 solder joints subjected to temperature variations and vibration loadings. Based on accelerated tests and finite element analysis, solder joint fatigue models corresponding to each environment are developed. Chapter 1 discusses SAC305 solder mechanical characterization and its microstructural features. An indepth literature review is conducted and SAC305 solder elastic and viscoplastic properties are determined through tensile, creep and nanoindentation tests. An approach never considered for lead-free solder joints is also applied to plot the SAC305 shear strain - stress hysteresis loop. EBSD analysis is finally performed in order to identify the microstructural “finger print” of asreflowed SAC305 solder joints. Chapter 2 aims to determine the polycyclic fatigue curve corresponding to SAC305 interconnects damage under harmonic vibrations. Considering the rainflow counting algorithm along with the Miner’s linear damage rule, the corresponding Basquin’s model is used as an input data for assessing SAC305 durability under random vibrations. SAC305 endurance under shock loading is finally discussed and compared with SnPb36Ag2 assemblies. The final chapter deals with the thermomechanical fatigue assessment of SAC305 solder joints. An energy-based model is developed using Anand unified viscoplastic law. EBSD analysis is finally conducted to assess the SAC305 microstructure evolution throughout thermal cycling characterized by -Sn grains recrystallization.