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.

Ce projet de thèse se situe dans le cadre de l'étude de la fiabilité prédictive de nouveaux concepts d'assemblages microélectroniques de type " system in package " SiP. L'objectif est de développer une méthodologie de fiabilité prédictive adaptée aux nouveaux concepts d'assemblage qui permet d'optimiser et de prédire les performances dès la phase de conception. Elle est ensuite appliquée sur des projets concrets. Cette méthodologie de fiabilité prédictive fait intervenir des études expérimentales, des simulations thermomécaniques et des analyses statistiques pour traiter les données et évaluer la fiabilité et les risques de défaillance. L'utilisation d'outils de simulation des composants électroniques est bien adaptée pour aider à l'évaluation des zones les plus fragiles, la mise en place des règles de conception et la détermination des paramètres les plus influents avec une réduction du temps de mise en marché d'un produit fiable et une optimisation des performances. Les études réalisées sur le silicium avec deux tests : bille sur anneau et test trois points montrent que le rodage et l'épaisseur ont une influence sur la variation de la contrainte et la déflexion du silicium à la rupture. Avec le test trois points, le déclenchement des fissures est lié à la qualité de sciage et de rodage. Cependant avec le test bille sur anneau, seule la qualité de surface influence le déclenchement des fissures. Le test bille sur anneau est bien adapté pour évaluer la qualité de surface du silicium. Avec les techniques chimiques de réduction de contraintes, comme la gravure humide et plasma, la résistance à la rupture a été considérablement améliorée. Ces tests de rupture sur le silicium ont permis de caractériser la rupture du silicium sous une contrainte de flexion et de compléter les résultats de simulation. Ces travaux démontrent, le besoin et l'utilité du prototypage virtuel des composants électroniques et de l'utilisation d'une méthodologie prédictive dans l'évaluation de la fiabilité en l'appliquant sur des composants réels.

Ce projet de thèse se situe dans le cadre de l'étude de la fiabilité prédictive de nouveaux concepts d'assemblages microélectroniques de type « system in package » SiP. L'objectif est de développer une méthodologie de fiabilité prédictive adaptée aux nouveaux concepts d'assemblage qui permet d'optimiser et de prédire les performances dès la phase de conception. Elle est ensuite appliquée sur des projets concrets. Cette méthodologie de fiabilité prédictive fait intervenir des études expérimentales, des simulations thermomécaniques et des analyses statistiques pour traiter les données et évaluer la fiabilité et les risques de défaillance. L'utilisation d'outils de simulation des composants électroniques est bien adaptée pour aider à l'évaluation des zones les plus fragiles, la mise en place des règles de conception et la détermination des paramètres les plus influents avec une réduction du temps de mise en marché d'un produit fiable et une optimisation des performances. Les études réalisées sur le silicium avec deux tests : bille sur anneau et test trois points montrent que le rodage et l'épaisseur ont une influence sur la variation de la contrainte et la déflexion du silicium à la rupture. Avec le test trois points, le déclenchement des fissures est lié à la qualité de sciage et de rodage. Cependant avec le test bille sur anneau, seule la qualité de surface influence le déclenchement des fissures. Le test bille sur anneau est bien adapté pour évaluer la qualité de surface du silicium. Avec les techniques chimiques de réduction de contraintes, comme la gravure humide et plasma, la résistance à la rupture a été considérablement améliorée. Ces tests de rupture sur le silicium ont permis de caractériser la rupture du silicium sous une contrainte de flexion et de compléter les résultats de simulation. Ces travaux démontrent, le besoin et l'utilité du prototypage virtuel des composants électroniques et de l'utilisation d'une méthodologie prédictive dans l'évaluation de la fiabilité en l’appliquant sur des composants réels. / This thesis project is a study of the predictive reliability of new microelectronic package concepts such as "system in package" SiP. The objective is to develop a reliable predictive methodology adapted to the new assembly concepts to optimize and to predict the performance at the design phase. Then, the methodology is applied to concrete projects. This methodology of predictive reliability involves the use of experimental studies, thermomechanical simulations and statistical analysis to process the data and assess the reliability and risks of failure. The use of simulation tools for electronic components is well suited to assist in the evaluation of the most fragile areas, the setting up of design rules and the determination of the most influential parameters with a reduction in the setup time market for a reliable and optimized performance. Studies on silicon strength are conducted with two tests: ball on ring test and on three-point bend test show that the grinding and the thickness influence the variation of the stress and deflection of the silicon at break. With the three points bend test, the onset of crack is linked to defects in sawing and grinding zone. However, with the ball on ring test, only the surface quality influences the initiation of cracks. The ball on ring test is well suited for evaluating the quality of the silicon surface. Chemical techniques of stress release, such as wet etching and plasma etching, improve significantly the strength of silicon samples. These tests on silicon dies are used to characterize the breakdown of silicon under bending test and to complete the simulation results. We have demonstrated in this work, the need and the usefulness of the virtual prototyping of electronic components and the use of a predictive methodology in assessing reliability.