Le frittage des poudres submicroniques du composé Ag3Sn, une alternative au brasage par fusion : synthèse de la phase en milieu polyol et premiers essais

Sintering of submicronic powders of Ag3Sn powders, an alternative to fusion brazing : synthesis of the phase with the polyol method and tests

• Auteur / Autrice : Pauline Canaud
• Direction : Fadila Maroteaux, Noureddine Jouini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 21/06/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Lafond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yasser Alayli, Frédéric Schoenstein
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Viau, Fabien Giovannelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étain -- Alliages

Argent -- Alliages

Brasage

Microélectronique

Frittage (métallurgie)

Synthèse (chimie)

Polyols

Mots clés libres

Alliage sans plomb

Frittage par die-bonding

Procédé polyol

Lead-free solder alloy,

Die-bonding sintering

Polyol process

Résumé

L’étude de ce mémoire concerne l’élaboration d'un alliage alternatif sans plomb pour l’électronique de puissance, celui-ci sera utilisé à des fins de brasures. Les brasures actuelles sont composées d’alliages comportant du plombet sont peu résistantes en cas de travail à haute température. Ces systèmes seront progressivement éliminés, ils ne respectent plus la Directive Européenne sur l’environnement (RoHS) et les normes de santé publique en raison de la toxicité du plomb (cancérogène, mutagène, accumulation dans l’environnement …). Le travail a été réalisé avec l’alliage Ag-Sn, l’objectif principal de cette thèse a été d’élaborer le composé Ag3Sn, en raison de sa grande résistance thermique (température de fusion élevée de 480°C). Ses meilleures performances sont avantageuses pour les brasures situées dans des environnements difficiles comme l’aéronautique ou l’automobile. La première partie de ce manuscrit détaille la synthèse du composé Ag3Sn réalisée via la méthode polyol, une voie de chimie douce. Il s’agit d’une technique différente des techniques classiques, comme la voie métallurgique. La synthèse a été réalisée en plusieurs étapes et une méthode d’approches successives a été utilisée afin de déterminer les paramètres de synthèse optimums.Deux protocoles particuliers se détachent et ils permettent d’élaborer des phases résistantes à haute température. Lepremier permet d’élaborer une phase pure d' Ag3Sn, tandis que le second permet d’élaborer deux phases de solutionssolides. Les composés ont été caractérisés par DRX, par imagerie MEB-FEG et MET et par analyse thermogravimétrique.La seconde partie de ce travail est la consolidation de ce composé Ag3Sn par une technique de frittage particulière :le die-bonding, afin de réaliser la connexion entre la puce électronique et un susbtrat de cuivre recouvert d'argent.Une étape de dépôt des poudres sur le substrat a été nécessaire avant de réaliser la consolidation, elle a été réalisée selon différentes techniques : le spin-coating ou le dépôt par sérigraphie. Puis, les paramètres de frittage par die-bonding ont été affinés selon les techniques de dépôt. Enfin, des essais de cisaillement ont été réalisés sur certains échantillons.

The study of this memoir concerns the development of an alternative lead-free alloy for power electronics, which will be used for solders. Nowadays, current solders are composed of alloys containing lead, and aren't resistant at high work temperature. These systems will be phased out, because they no longer comply with the European RoHS Directive and public health standards due to the toxicity of lead (carcinogenic, mutagenic, accumulation in the environment, etc.). This work was carried out with the Ag-Sn alloy, and the main objective was to develop the elaboration of the Ag3Sn compound, due to its high thermal resistance (high melting point of 480°C). Its best performance is an advantage for solders located in difficult work environments such as aeronautics or automobile. First part of this thesis describes the synthesis of Ag3Sn compound with the polyol process, a soft-chemistry routine. It is different from the conventional techniques, like the metallurgical way. Polyol synthesis was realized by following several steps. A method of successive approaches wasdetermine optimum synthesis parameters. Two specific protocols stand out, and they allow the development of high-temperature resistant phases. The first one allows the elaboration of an Ag3Sn pure phase, an the second one allows the development of two compounds of solid solutions. The compounds were characterized by XRD, FEG-SEM, TEM and thermogravimetric analysis. The second part of this work is the consolidation of the Ag3Sn compound with a special sintering technique : the die-bonding, in order to realize the connexion between the electronic chip and the copper substrate coated silver. A first step of depositing powder on the substrate was necessary before carrying out the implementation. It was carried out with various techniques : spin-coating orthe serigraphy deposition. Then, sintering parameters were refined according to the deposition techniques. Finally, shear tests were performed on different samples