Fiabilité des Circuits Imprimés avec des Composants Enfouis sous Chargement Thermique intense

Reliability of Printed Circuit Boards with Embedded Components under Intense Thermal Loading

• Auteur / Autrice : Paul Perin
• Direction : Sébastien Mercier, Marion Martiny
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 13/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Circuit Imprimé

Modélisation par éléments finis

Rupture par fatigue

Composant enfoui

Transferts thermiques

Printed Circuit Board

Finite Element Modelling

Fatigue Lifetime

Embedded component

Heat transfer

Résumé

Un circuit imprimé est un assemblage multi-matériaux. Du fait des différences de coefficient d'expansion thermique entre ceux-ci, de fortes contraintes thermiques vont être générées par les variations de température subies en fonctionnement. Avant sa mise en service, son design est vérifié à l'aide de tests de qualification afin de s'assurer qu'une éventuelle défaillance n'arrivera qu'après un nombre suffisant de cycles. Pour réduire le nombre d'essais à effectuer, des simulations numériques sont de plus en plus utilisées pendant la phase de conception. Cette thèse a pour but l'étude de deux de ces tests : le cyclage thermique en enceinte climatique et l'essai de flottaison sur bain d'étain-plomb. Afin d'obtenir des simulations fiables, une attention a tout d'abord été portée sur la caractérisation et la définition du comportement des matériaux constituant le circuit imprimé. En particulier, le comportement thermo-élastique orthotrope des substrats a été caractérisé par une méthode mixte numérique/expérimentale. Le rétreint apparaissant lors de la réticulation de la résine qui s'y trouve a également été évalué afin de modéliser le procédé d'encapsulation du composant et d'étudier son impact sur la fiabilité. L'essai de cyclage d'un circuit classique a déjà été analysé dans la littérature, sans toutefois avoir toujours bien caractérisé l'ensemble des comportements matériau dans la gamme de sollicitation. L'objectif de la thèse est toutefois d'étudier la fiabilité d'une nouvelle génération de circuits imprimés qui contiennent des composants enfouis. Cette nouvelle approche permettant de gagner en densité d'interconnexion est une voie prometteuse pour les applications de mobilité électrique (voiture électrique, électronique de puissance). En particulier, cette thèse s'intéresse à un composant enfoui et brasé à l'aide de barres de SAC305. L'ajout de ce matériau au comportement non-linéaire affecte la fiabilité du circuit lors du cyclage thermique. En effet, les simulations montrent que que les brasures vont concentrer la déformation plastique, bien plus que le cuivre pour le design étudié. L'influence du procédé de fabrication a également été analysée dans cette thèse. Lors de l'essai de flottaison sur bain d'étain-plomb, un échantillon est placé à la surface d'un creuset contenant de l'étain-plomb liquide à 288°C. Un protocole expérimental a été développé dans cette thèse afin d'évaluer le coefficient d'échange par convection entre le bain de brasure et le véhicule de test. En effet, des simulations thermo-mécaniques couplées doivent être effectuées pour simuler le solder float test (le champ de température dans l'échantillon est très hétérogène lors de celui-ci). Cela a permis de mettre en évidence l'origine de défaillances observées lors d'essais réels et qui n'auraient pas pu être détectées numériquement en supposant la température uniforme. Ce résultat met également l'accent sur l'importance d'une bonne définition des conditions aux limites thermiques pour l'étude numérique de la fiabilité d'un circuit imprimé. Remerciements : Cette thèse a été possible grâce à un cofinancement de CIMULEC et La Région Grand-Est dans le programme régional de transition industrielle. Les travaux expérimentaux, dont une partie s'inscrit dans le projet EMICI ANR-21-CE08-0007, ont été effectués au sein de la plateforme MécaRhéo du LEM3.

A printed circuit board is a multi-material assembly. Because of the coefficient of thermal expansion mismatch between those, intense thermal stresses are induced by the changes in temperature the circuit undergoes in its life. Before being put in service, its design is validated via qualification tests in order to ensure that no failure will happen before a sufficient amount of cycles. To reduce the number of tests to perform, numerical simulations are more and more used during the design stage. The goal of this thesis is to study two of these tests: the thermal cycling in climate chamber and the solder float test. To get reliable simulations, a particular attention has been first laid on the characterization and definition of the behavior of the constitutive materials of the printed circuit board. In particular, the orthotropic thermo-elastic behavior of the substrates has been characterized by a combined numerical/experimental method. The shrinkage appearing during the curing of the resin inside of them has also been evaluated. The goal was to model the embedding process of the component and to study the impact of this phase on the reliability. Despite the thermal cycling test of a regular circuit having already been studied in the literature, all the material behaviors are not always properly characterized in the concerned range of temperature. This thesis aims however at studying the reliability of a new generation of printed circuit boards. The latter contain embedded components. This new approach improving the interconnection density in promising for the electrical mobility (electrical cars, power electronics). In particular, this work focuses on an embedded component connected with SAC305 solder bars. The addition of this material, which presents a non-linear behavior, impacts the reliability of the printed circuit board during thermal cycling. The simulations show indeed that the solder joints will accumulate plastic strain, even more than copper for the studied design. The influence of the fabrication process has also been analyzed during this thesis. During the solder float test, a sample is placed on a solder pot containing liquid tin-lead at 288°C. An experimental protocol has been developed during this thesis to evaluate the convective heat transfer coefficient between the solder bath and the test vehicle. Indeed, coupled thermo-mechanical simulations must be performed to simulate the solder float test (the temperature field inside the sample is very heterogeneous during this test). With these simulations, the origin of failures observed during actual tests has been highlighted. Theses failures could not have been numerically detected under uniform temperature assumption. This result also emphases the importance of a proper definition of the thermal boundary conditions when numerically studying the reliability of a printed circuit board. Acknowledgments: This thesis has been co-funded by CIMULEC and Région Grand-Est during a regional program for industrial transitioning. The experimental work, some of which is part of the ANR-21-CE08-0007 EMICI project, has been performed in the MécaRého platform from LEM3.