Optimisation d'un procédé de soudage par difusion à l'état solide pour réaliser des circuits imprimés : Application au système Au-Cu-Sn

Optimization of a solid-state diffusion bonding process for Printed Circuit Board : Application to the Au-Cu-Sn system

• Auteur / Autrice : Louis Cornet
• Direction : Véronique Aubin, Marie-Laurence Giorgi, Jean-Hubert Schmitt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 01/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Bernard Vogt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Aubin, Dominique Mangelinck, Éric Charkaluk, Fiqiri Hodaj
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dominique Mangelinck, Éric Charkaluk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits imprimés

Kirkendall, Effet

Composés intermétalliques

Mots clés libres

Au-Cu-Sn

Diffusion

Composés intermétalliques

Vides de Kirkendall

Essais in situ

Au-Cu-Sn

Diffusion bonding

Intermetallic compound (IMC)

Kirkendall voids

In situ experiment

Résumé

Une technologie de soudage par diffusion à l'état solide, dite par thermodiffusion, a été développée pour miniaturiser les circuits imprimés. Une configuration prometteuse dans laquelle des dépôts d'or et d'étain sont respectivement déposé sur chacune des deux couches de cuivre à assembler a été retenue. La thermodffusion conduit à la formation de composés intermétalliques formant le joint. La microstructure du joint dépend des épaisseurs respectives des métaux d'apport et du chargement thermique (temps - température). La microstructure obtenue en fin de procédé contrôle la tenue mécanique du joint. L'objectif de ce travail est de comprendre l'évolution de la microstructure au cours du cycle thermique et son influence sur la tenue mécanique afin de garantir une fiabilité des interconnexions.Les évolutions de microstructure ont été caractérisées le long de cycles thermiques à 200 et 240°C à partir d'une structure dite optimisée de 1,5 µm d'or et 3 µm d'étain. Les différents composés intermétalliques présents dans les joints ont été identifiés, ainsi que les différentes étapes de diffusion et leurs cinétiques. Lors du maintien en température, des composés binaires se forment rapidement, puis sont remplacés progressivement par un composé ternaire nommé phase B ; dans une dernière étape, la phase B commence à être consommée par des composés binaires riches en cuivre (Cu3Sn, AuCu3 ou AuCu). Un essai in situ sous MET a permis d'observer une diminution des vides de Kirkendall lors de la consommation de la phase B par les composés binaires.Des essais de nanoindentation ont été réalisés pour mesurer les propriétés mécaniques des différentes composés intermétalliques, dont la phase B (avec un module d'Young de l'ordre de 130 GPa et une dureté de 8 GPa). Des essais de cisaillement et de pelage associées à aux analyses des faciès de rupture et à un essai de traction in situ sous MEB a permis d'identifier les mécanismes de rupture. L'interface entre le cuivre et la phase B peut être fragilisée par la présence de cavités et d'intermétalliques nanométriques, ce qui en fait une zone critique.

A solid-state diffusion bonding technology, called thermodiffusion, has been developed to miniaturizePCB. A promising configuration where thin layers of gold and tin are coated on the two copper layers to be joined has been chosen. The thermodiffusion leads to the formation of intermetallic compounds forming the joint. The microstructure of the joint depends on the respective thicknesses of the filler metals and the thermal loading (time - temperature). The latter controls the mechanical strength of the joint. This work aims to understand the evolution of the joint's microstructure and its influence on the mechanical reliability of interconnections.The microstructure evolution was characterized along thermal cycles at 200 and 240°C from a so-called optimized structure of 1.5 µm gold and 3 µm tin. The different intermetallic compounds present in the joints were identified, as well as the different diffusion steps and their kinetics. During annealing time, binary compounds are rapidly formed, then progressively replaced by a ternary compound called phase B ; in a last step, the B phase starts to be consumed by copper-rich binary compounds (Cu3Sn, AuCu3 or AuCu). An in situ TEM experiment showed that Kirkendall voids are re-capped when the binary compounds consume the B phase.Nanoindentation tests were performed to measure the mechanical properties of the different intermetallic compounds, including the phase B (with a Young's modulus of about 130 GPa and a hardness of 8 GPa). Shear and peel tests with fracture surface analysis and in situ tensile testing under SEM allowed the identification of the fracture mechanisms. The B phase and copper interface can be weakened by cavities and nanometric intermetallics, making it a critical zone.