Fiabilité des systèmes électroniques multiphysiques en environnement critique : application à l'optimisation des composants BGA

Reliability of multiphysical electronic systems in critical environments : application to BGA component optimization

• Auteur / Autrice : Sinda Ghenam
• Direction : Abdelkhalak El Hami, Ali Akrout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• Etablissement(s) : Normandie en cotutelle avec École nationale d'ingénieurs de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1993-....) - Laboratoire de recherche de Mécanique, Modélisation et Production (Sfax, Tunisie)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Choley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkhalak El Hami, Ali Akrout, Mohamed Ichchou, Elhem Ghorbel, Mohamed Haddar, Abdelghani Saouab, Lassâad Walha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Ichchou, Elhem Ghorbel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Optimisation des structures

Fiabilité

Systèmes électroniques

Multiphysique

Soudures -- Fatigue

Mots clés libres

Composant BGA

Joints de soudures

Optimisation fiabiliste

Optimisation déterministe

BGA component

Solder joints

Multi-physics study

Reliability and lifespan

Fatigue analysis

Deterministic optimization

Reliability-based optimization

Résumé

L'électronique occupe une place prépondérante dans notre société moderne, jouant un rôle essentiel dans les domaines des communications, de l'informatique et de l'industrie. La fiabilité des composants électroniques est primordiale pour garantir des performances durables et un fonctionnement optimal des appareils électroniques. Parmi les nombreux composants des systèmes électroniques, les joints de soudure, en particulier ceux utilisés dans les composants Ball Grid Array (BGA), jouent un rôle crucial dans la connexion fiable des composants. Cette recherche s'inscrit dans une approche rigoureuse et méthodique visant à étudier en détail la fiabilité et à optimiser la conception des joints de soudure pour les composants BGA. Pour atteindre ces objectifs, des outils de modélisation numérique tels que ANSYS Workbench et APDL ont été utilisés pour simuler et analyser le comportement des joints de soudure. De plus, l'utilisation de MATLAB en conjonction avec ANSYS a permis d'optimiser les paramètres de conception des joints de soudure. L'étude se concentre sur l'identification des principaux facteurs de défaillance des joints de soudure, en tenant compte de variables telles que la géométrie, les matériaux, les conditions de refusion et les contraintes thermomécaniques. Une attention particulière a été accordée au couplage électro-thermomécanique des joints de soudure, afin de comprendre son impact sur la fiabilité des composants BGA. Dans le cadre de cette recherche, trois générations principales d'alliages de joints de soudure ont été étudiées. Une analyse de fatigue a été réalisée pour évaluer la performance et la fiabilité de ces alliages, ce qui a permis de sélectionner l'alliage le plus fiable parmi les trois. Des simulations avancées ont été effectuées pour analyser le comportement des joints de soudure dans différentes conditions de charge, évaluant ainsi leurs performances mécaniques et leur fiabilité. L'optimisation déterministe (DDO) a été utilisée pour améliorer la conception des joints de soudure et optimiser leurs performances mécaniques. De plus, une approche d'optimisation de la fiabilité (RBDO) a été développée pour prendre en compte les incertitudes liées aux matériaux, aux conditions de charge et au vieillissement des joints de soudure. Cette approche permet d'améliorer la prise de décision en matière de conception en prenant en considération les aspects de fiabilité. Cette thèse présente une approche approfondie et complète, combinant des outils de modélisation numérique tels que ANSYS Workbench, APDL et MATLAB, pour optimiser les joints de soudure des composants BGA. Les principaux objectifs de cette recherche sont d'identifier les facteurs de défaillance, d'étudier le couplage électro-thermomécanique des joints de soudure, de sélectionner l'alliage le plus fiable parmi les trois générations étudiées, et enfin, d'améliorer la conception des joints de soudure par l'optimisation déterministe (DDO). Le but ultime de cette étude est d'augmenter la fiabilité et l'efficacité des joints de soudure dans les composants BGA en utilisant une approche intégrée de modélisation numérique et d'optimisation, tout en prenant en compte les aspects de couplage électro-thermomécanique et les incertitudes liées aux matériaux, aux conditions de charge et au vieillissement.

Electronics play a crucial role in our modern society, encompassing areas such as communications, computing, and industry. The reliability of electronic components is essential to ensure sustainable performance and optimal operation of electronic devices. Among the various components in electronic systems, solder joints, particularly those used in Ball Grid Array (BGA) components, play a critical role in reliable component interconnection. This research follows a rigorous and systematic approach aimed at studying the reliability and optimizing the design of solder joints for BGA components. To achieve these objectives, advanced numerical modeling tools such as ANSYS Workbench and APDL were employed to simulate and analyze the behavior of solder joints. Additionally, the utilization of MATLAB in conjunction with ANSYS facilitated the optimization of solder joint design parameters. The study primarily focuses on identifying the key failure factors associated with solder joints, taking into consideration various variables such as geometry, materials, reflow conditions, and thermomechanical stresses. Special attention has been given to studying the electro-thermo-mechanical coupling effects of solder joints to understand their impact on the reliability of BGA components. Within this research framework, three main generations of solder alloy compositions have been investigated. Fatigue analysis was conducted to evaluate the performance and reliability of these alloys, leading to the selection of the most reliable alloy among the three. Advanced simulations were carried out to analyze the behavior of solder joints under different loading conditions, thus assessing their mechanical performance and reliability. Deterministic Design Optimization (DDO) techniques were employed to enhance solder joint design and optimize their mechanical performance. Furthermore, a Reliability-Based Design Optimization (RBDO) approach was developed to account for uncertainties associated with materials, loading conditions, and solder joint aging. This approach enhances the decision-making process in design by considering reliability aspects. This thesis presents a comprehensive and thorough approach, integrating numerical modeling tools such as ANSYS Workbench, APDL, and MATLAB, to optimize solder joints in BGA components. The main objectives of this research are to identify failure factors, study the electro-thermo-mechanical coupling effects of solder joints, select the most reliable alloy among the studied generations, and ultimately improve solder joint design through Deterministic Design Optimization (DDO). The ultimate goal of this study is to enhance the reliability and efficiency of solder joints in BGA components, utilizing an integrated approach of numerical modeling and optimization while considering the aspects of electro-thermo-mechanical coupling and uncertainties associated with materials, loading conditions, and aging.