Interaction fatigue-fluage dans les alliages de joint brasé de boitiers électroniques

Creep Fatigue Interaction in Solder Joint Alloys of Electronic Packages

• Auteur / Autrice : Stéphane Zanella
• Direction : Andrei Constantinescu, Éric Charkaluk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• 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 : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique des Solides (Palaiseau ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Aude Simar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrei Constantinescu, Éric Charkaluk, Aude Simar, Hélène Fremont, Jean-Yves Buffière, Véronique Doquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hélène Fremont, Jean-Yves Buffière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Joints brasés

Métaux -- Fatigue

Équipement électronique

Mécanique

Mots clés libres

Fatigue

Joint brasé

Banc expérimental innovant

Interaction fatigue-Fluage

Boitier électronique

Durée de vie

Fatigue

Solder joint

Innovative test bench

Creep fatigue interaction

Electronic Packages

Lifetime

Résumé

L’analyse de la durée de vie des joints brasés est un challenge pour les industries du spatiale, de l’aéronautique et de la défense qui ont besoin d’équipements très fiables pour des environnements sévères et de longues durées de vie. L’évolution des technologies de boitier électronique, principalement conduite par les marchés civils, introduit de nouvelles architectures et de nouveaux matériaux dont la fiabilité doit être étudiée pour les exigences de ces marchés critiques. Un des éléments critiques d’une carte électronique est l’interconnexion effectué par le joint brasé. Dans ce contexte, les connaissances des propriétés de fatigue des matériaux utilisés pour le joint brasé sont nécessaires pour développer des cartes électroniques, définir les essais accélérés de qualification ou pour réaliser des simulations de durée de vie.Les lois utilisées communément dans l’industrie sont généralement des critères simplifiés comme les lois de Coffin-Manson, basée sur la déformation inélastique, ou Morrow, basée sur l’énergie dissipée. Les déformations plastique et visqueuse sont dans ces lois indissociées et appelées déformation inélastique, supposant que les contributions au dommage des déformations plastique et visqueuse sont similaires. Cependant, la pertinence de ces lois dans le cas du matériau joint brasé et les profils de mission des marchés critiques doit être étudiée. En effet, le joint brasé possède une température de fusion faible qui entraine un comportement visqueux même à température ambiante. Celle-ci est nécessaire à l’étape d’assemblage des boitiers. Ainsi, d’importantes déformations visqueuses sont développées notamment pour les environnements sévères et les longues phases de maintien de ces marchés critiques. Dans ce contexte, il est important de prendre en compte l’interaction fatigue-fluage dans les matériaux joint brasé pour atteindre les exigences de ces applications.Les limitations de la littérature sont le manque de données expérimentales précises dissociant les déformations plastique et visqueuse en essai de fatigue. La représentativité des éprouvettes massiques par rapport à l’application finales est en effet discutable au vue de la microstructure très spécifique du joint brasé. De plus, il n’existe pas de consensus réel sur les modèles matériaux à utiliser. Dans ce contexte, un banc de mesure a été développé dans le but de réaliser des essais de fatigue en cisaillement sur des boitiers électroniques assemblés.Le temps de maintien, la température et la force appliquée ont un impact sur le nombre de cycles à défaillance. La combinaison d’une augmentation de la température avec l’ajout du temps de maintien réduit jusqu’à un facteur dix le nombre de cycles à rupture. Les courbes d’hystérésis du boitier ont été converties en contrainte et déformations plastique et visqueuse dans le joint brasé dans le but de calibrer un modèle matériau et une loi de fatigue. Les résultats montrent que l’intérêt des lois de fatigue utilisées communément est limité. Des résultats utilisant différents dispositifs expérimentaux de la littérature ont été ajoutés pour compléter ceux trouvés. Une loi de fatigue modifiée en fréquence a été testée et montre de meilleures prédictions dans le cas d’essais réalisés à différentes fréquences car elle permet de prendre des effets liés au temps comme la viscosité. Cependant, des limites avec cette loi ont été trouvées dans le cas de sollicitation avec temps de maintien. Une loi de fatigue prenant en compte l’interaction fatigue fluage a ensuite été proposée avec de bonnes prédictions notamment pour des températures plus élevées. L’évolution de la microstructure a montré que le dommage détruit la structure dendritique du joint et la remplace par des joints de tailles plus petites dans la zone proche de la fissure. La coalescence d’éléments a également été observée. Cependant, plus d’investigations sont nécessaires pour définir les marqueurs spécifiques des dommages plastique et visqueux.

Solder joints reliability analysis represents a challenge for the aerospace and defense industries, which are in need of trustworthy equipment with a long lifetime in harsh environments. The evolution of electronic packages, driven by consumer civil applications, introduces new architectures and materials for which reliability needs to be qualified for the constraints of the aerospace and defense applications. One of the most critical elements of an electronic assembly is the solder joint interconnection. In this context, the knowledge of fatigue properties of solder material is required to design the assemblies, to define accelerated tests or to perform lifetime simulations.Fatigue laws used commonly in the industry are generally simplified criteria such as Coffin-Manson relation, based on inelastic deformation, or Morrow relation, based on dissipated energy per cycle. Cyclic creep and plastic strains are mingled and formulated as a unique inelastic strain in these relationships. The underlying assumption is that damage contributions of creep and plasticity phenomena are equivalent. The relevance of these laws in the case of solder joint and the mission profiles of aerospace and defense industries can be discussed. In fact, solder joint materials have low melting temperatures which are required by the assembly manufacturing process, inducing viscous strains even at room temperature. In this context, important viscous strains are developed due to the harsh environment with high temperatures and the long maintain phases of space, defense and avionics industries. Creep-fatigue interaction must be taken into account for solder joint material in order to address these applications requirements.Limitations of the literature are the lack of clear experimental data separating plastic and creep strains during fatigue tests. Representativeness of experimental tests based on bulk samples can be discussed because of the complex microstructure of solder joints. No consensus exists on the mechanical model and the parameters. In this context, an innovative test bench has been developed to perform shear fatigue tests with assembled electronic packages in order to study creep-fatigue interaction in solder joints.Dwell time, temperature and force have an impact on the number of cycles to failure. Combined increase of temperature and dwell time reduces the number of cycles to failure until a factor of 10. The hysteresis response of the package is converted in stress and plastic and viscous strains in order to calibrate a viscoplastic model and a fatigue law. Results show limitations of classic Coffin-Manson fatigue law. Experimental results from the literature have been used to complete our test plan. A frequency modified fatigue model shows increased prediction accuracy for fatigue tests performed at different frequencies. In fact, time-dependent viscous damage is included in the law by the frequency factor. However, limitations of this law have been found in particular for long dwell time configuration. A creep-fatigue model is proposed to dissociate damages from plastic and viscous strains. This fatigue law increases prediction accuracy in the case of high temperature and long dwell time configuration. Microstructure evolutions indicate the destruction of the dendritic structure and replaced by small grains recrystallization in the area close to the fracture. Coalescence of different precipitates is also observed in the damaged area. More investigations on this topic are required in order to evaluate the specific markers of plastic and viscous damages.