Dans le domaine de la microélectronique, les préoccupations environnementales et sanitaires et l'évolution de la législation ont contraint l'industrie à limiter son utilisation du plomb. Les matériaux (à base d'étain, d'argent, de cuivre, de bismuth...) destinés au brasage de composants électroniques font l'objet de nombreux développements pour être conformes aux exigences réglementaires et techniques. Le potentiel des carboxylates de métaux en électronique a déjà été démontré dans le cadre du développement de procédés de décomposition métal-organique. La décomposition thermique sous atmosphère contrôlée de tels précurseurs mène à la création de nanoparticules métalliques avec une réactivité accrue par rapport à celle de particules de taille micronique. L'utilisation de nanomatériaux est une des voies explorées pour mettre au point des procédés d'assemblage à basse température pour l'électronique. Elle s'appuie sur le fait que les températures de fusion et de frittage de nanomatériaux diminuent avec la taille des particules. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les travaux de cette thèse, qui présente l'étude de la décomposition contrôlée de précurseurs métal-organiques destinés à être intégrés à un procédé d'assemblage sans plomb à basse température. Le comportement en température de différents précurseurs métal-organiques d'étain et de bismuth et l'influence de l'atmosphère de décomposition ont été étudiés. La relation entre la taille des particules métalliques et leur point de fusion a été soulignée, ainsi que l'influence majeure de l'oxydation sur l'évolution de la taille des particules et leur capacité à former des assemblages. / Due to environmental and health concerns, new regulations led to a restriction in the use of lead in electronic equipment. Joining materials (based on tin, silver, copper, bismuth ...) for surface-mount technology are subject to many development work in order to comply with regulatory and technical requirements. The potential of metal carboxylates in electronics has already been demonstrated in the development of metal-organic decomposition processes. The thermal decomposition under controlled atmosphere of such precursors leads to the creation of metal nanoparticles with an increased reactivity compared to that of micron sized particles. The use of nanomaterials is a seriously considered way for developing low temperature joining processes for electronics. It is based on the well-known decrease of melting and sintering temperatures of nanomaterials with particle size. In this context, this work of thesis presents the study of the controlled decomposition of metal-organic precursors intended to be integrated into a low-temperature lead-free joining process. The thermal behavior of several metal-organic precursors of tin and bismuth, as well as the influence of the decomposition atmosphere, were studied. The relationship between the metal particles size and their melting point has been emphasized, as well as the major influence of oxidation on the evolution of particles size and their ability to make reliable joints.

L'objectif principal de cette thèse est l'étude de la fiabilité des cartes électroniques. Ces cartes sont utilisées dans plusieurs domaines, tels que l’industrie automobile, l’aéronautique, les télécommunications, le secteur médical, ..., etc. Elles assurent toutes les fonctions nécessaires au bon fonctionnement d’un système électronique. Les cartes électroniques subissent diverses sollicitations (mécaniques, électriques et thermiques) durant la manipulation et la mise en service. Ces sollicitations sont dues aux chutes, aux vibrations et aux variations de température. Elles peuvent causer la rupture des joints de brasage des composants électroniques. Cette rupture entraine la défaillance du système électronique complet. Les objectifs de ce travail sont: - Développer un modèle numérique pour la simulation du drop-test d’une carte électronique ; - Prédire la durée de vie en fatigue des joints de brasure en tenant compte des incertitudes des diverses variables ; - Développer une méthode d’optimisation fiabiliste pour déterminer la géométrie optimale qui assure un niveau cible de fiabilité d’une carte électronique ; - Application d’une nouvelle méthode hybride d’optimisation pour déterminer la géométrie optimale d’une carte électronique et d’un joint de brasure. Cette thèse a donné lieu à deux publications dans une revue indexée, et deux projets de publication et quatre communications dans des manifestations internationales. / The main objective of this thesis is to study the electronics’ cards reliability. These cards are used in many fields, such as automotive, aerospace, telecommunications, medical. They provide all necessary electronic functions for well functioning of an electronic system. Electronic cards are undergoing various extreme stresses (mechanical, electrical, and thermal) when handling and commissioning. These stresses are due to drops, vibration and temperature variations. They may cause solder joints failures’ of electronic components. This may causes the failure of the entire electronic system. The objectives of this work are: To develop a numerical model to simulate the drop test of an electronic card; To predict the fatigue life of solder joints in uncertain environment of the variables; To develop a reliability-optimization method to determine the optimal geometry providing a targeted reliability level of an electronic card; To apply a new hybrid optimization method in order to determine the optimal geometry both of an electronic card and a solder joint.

L'objectif principal de cette thèse est l'étude de la fiabilité des cartes électroniques. Ces cartes sont utilisées dans plusieurs domaines, tels que l'industrie automobile, l'aéronautique, les télécommunications, le secteur médical, ..., etc. Elles assurent toutes les fonctions nécessaires au bon fonctionnement d'un système électronique. Les cartes électroniques subissent diverses sollicitations (mécaniques, électriques et thermiques) durant la manipulation et la mise en service. Ces sollicitations sont dues aux chutes, aux vibrations et aux variations de température. Elles peuvent causer la rupture des joints de brasage des composants électroniques. Cette rupture entraine la défaillance du système électronique complet. Les objectifs de ce travail sont: - Développer un modèle numérique pour la simulation du drop-test d'une carte électronique ; - Prédire la durée de vie en fatigue des joints de brasure en tenant compte des incertitudes des diverses variables ; - Développer une méthode d'optimisation fiabiliste pour déterminer la géométrie optimale qui assure un niveau cible de fiabilité d'une carte électronique ; - Application d'une nouvelle méthode hybride d'optimisation pour déterminer la géométrie optimale d'une carte électronique et d'un joint de brasure. Cette thèse a donné lieu à deux publications dans une revue indexée, et deux projets de publication et quatre communications dans des manifestations internationales.

Depuis l’entrée en vigueur de la directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive) interdisant l’utilisation du plomb, les industriels des secteurs aéronautique et militaire se doivent de comprendre le comportement en fatigue des nouveaux alliages sans plomb afin de pouvoir estimer leur durabilité en conditions réelles d’utilisation. En se basant sur les résultats d’essais accélérés et les modélisations éléments-finis associées, les modèles de fatigue mécanique et thermomécanique correspondant aux brasures SAC305 sont développés. Le 1er chapitre traite de la caractérisation mécanique et optique de cet alliage sans plomb. Après une étude bibliographique poussée, les propriétés élastiques et viscoplastiques de l’alliage SAC305 sont établies à partir d’essais d’écrouissage, de traction et de nanoindentation. La courbe d’hystérésis contrainte - déformation en cisaillement est en outre tracée via l’utilisation de jauges de déformation. Des analyses EBSD sont finalement réalisées afin d’identifier les caractéristiques microstructurales des joints de brasure SAC305 après refusion. Le chapitre 2 a pour objectif d’évaluer la durabilité des interconnexions SAC305 soumises à des chargements en vibrations et en chocs. L’hypothèse élastique est retenue et les paramètres matériaux du modèle de Basquin sont déterminés. À partir de l’algorithme de comptage rainflow et de la loi de Miner, une méthode d’évaluation de la durabilité en vibration aléatoire est donnée. La tenue mécanique en chocs des brasures SAC305 est enfin discutée et comparée à l’alliage SnPb63Ag2. Le dernier chapitre porte sur l’étude de la fatigue thermomécanique des joints brasés SAC305. En utilisant le modèle viscoplastique unifié d’Anand, la loi de fatigue énergétique correspondant est développée. Le phénomène de recristallisation caractéristique de l’endommagement thermomécanique des brasures SAC305 est finalement investigué à partir d’analyses EBSD. / Temperature and vibration-induced solder joint fatigue are main reliability concerns for aeronautic and military industries whose electronic equipment used in the field is required to remain functional under harsh loadings. Due to the RoHS directive which eventually will prevent lead from being utilized in electronic systems, there is a need for a better understanding of lead-free solder behavior used in thermal en vibrational environments. This study reports fatigue life prediction methodologies developed to assess the durability of SAC305 solder joints subjected to temperature variations and vibration loadings. Based on accelerated tests and finite element analysis, solder joint fatigue models corresponding to each environment are developed. Chapter 1 discusses SAC305 solder mechanical characterization and its microstructural features. An indepth literature review is conducted and SAC305 solder elastic and viscoplastic properties are determined through tensile, creep and nanoindentation tests. An approach never considered for lead-free solder joints is also applied to plot the SAC305 shear strain - stress hysteresis loop. EBSD analysis is finally performed in order to identify the microstructural “finger print” of asreflowed SAC305 solder joints. Chapter 2 aims to determine the polycyclic fatigue curve corresponding to SAC305 interconnects damage under harmonic vibrations. Considering the rainflow counting algorithm along with the Miner’s linear damage rule, the corresponding Basquin’s model is used as an input data for assessing SAC305 durability under random vibrations. SAC305 endurance under shock loading is finally discussed and compared with SnPb36Ag2 assemblies. The final chapter deals with the thermomechanical fatigue assessment of SAC305 solder joints. An energy-based model is developed using Anand unified viscoplastic law. EBSD analysis is finally conducted to assess the SAC305 microstructure evolution throughout thermal cycling characterized by -Sn grains recrystallization.

Les contraintes environnementales imposent de trouver des solutions pour limiter les émissions gazeuses (gaz à effet de serre) ainsi que d’éliminer les matériaux nocifs dans les produits de consommation. L’étude de solutions alternatives devient donc un point clé au développement des produits futurs. Dans ce contexte, les véhicules électriques et hybrides sont en forte progression sur le marché mais leur développement commercial reste fortement lié à leur fiabilité, plus particulièrement à celle des organes contrôlés par l’électronique de puissance. Notre étude s’inscrit dans ce cadre et se focalise sur la pâte d’argent micrométrique, matériau candidat au remplacement des solutions à base de plomb pour le report des puces. Si la pâte d’argent est assez bien caractérisée pour ses propriétés électriques, peu de données sont reportées dans littérature quant à ses propriétés mécaniques, pourtant indispensables pour appréhender la durée de vie des assemblages complets. Dans la thèse, une méthode originale d’élaboration des échantillons a été développée. Basée sur les recommandations d’utilisation donnée par le fournisseur, elle a été adaptée afin de d’obtenir des échantillons massifs dont la microstructure brute et après vieillissement en température est identique à celle des brasures réelles. Après élaboration, le taux porosité, compris entre 15 % et 20 %, n’évolue pas au cours de vieillissements représentatifs des conditions d’utilisation réelles. Seule la morphologie des pores évolue, pour laquelle un grossissement, respectant les cinétiques du mûrissement d’Ostwald, et une évolution de la distribution spatiale est observée. Les propriétés mécaniques sont une fonction de la densité à l’état brut. Après vieillissement des échantillons massifs, si les propriétés élastiques ne varient pas (à densité constante), la dispersion des propriétés plastiques sont reliées à la modification de la distribution spatiale des pores. L’évolution des propriétés élastiques sur les échantillons représentatifs des brasures est attribuée aux mécanismes de relaxation des contraintes d’élaboration. Une fois celles-ci relaxées, les propriétés sont identiques pour les deux états (massif et couche mince) et sont donc intrinsèques au matériau. / The requirement for reducing the use of harmful materials in convenience goods hasprompted investigation into alternative solutions. Along with the need to drastically limit theemission of greenhouse gases, the increase of electric or hybrid vehicles in the market reliesmostly on their dependability with a specific focus on reliability of the embedded powerelectronics. The study of alternative materials to lead (Pb) or Pb-based alloys for die bondingis a critical step towards realising an environmentally friendly solution. Micrometric silverpaste was chosen as a candidate because of its excellent electrical properties. However, fewdata are available in the literature concerning its mechanical properties, mandatory to modelthe entire electronic system for service life assessment. The processing route, based on thesintering of micrometric powder, provides a material with significant porosity that is knownto alter the mechanical properties when compared to the dense material. In this thesis, anoriginal processing route was developed in order to obtain bulk samples with the samemicrostructure of real solder joints either before or after ageing. The mechanical properties vsdensity was established prior to or after aging. After aging, the elastic properties do not varywhile the dispersion observed for the plastic properties is connected with the microstructureevolution. The evolution of the elastic properties on the representative samples of solder jointsafter aging is attributed to the mechanisms of stress relaxation. Once these relaxed, theproperties are identical for both states (bulk and thin layer) and are thus intrinsic in thematerial.

Les convertisseurs électroniques de puissance sont voués à fonctionner sous des conditions applicatives de plus en plus sévères tout en respectant les impératifs d’efficacité énergétique et de fiabilité. Or, les besoins industriels tendent vers un plus haut niveau d’intégration fonctionnelle tout en améliorant le rapport qualité-prix. Dès lors, la solution utilisée pour le report des puces semi-conductrices est le siège de densités de courant importantes et d’un flux thermique élevé. La présence de défauts dans cette couche d’interconnexion peut conduire à la dégradation de ses performances et au vieillissement prématuré du composant. L’objectif de nos recherches est d’évaluer la pertinence d’une méthodologie basée sur la confrontation de simulations numériques et de campagnes expérimentales. L’objectif est d’améliorer la compréhension du comportement électrothermique en régime de conduction d’un transistor MOSFET en présence d’un void dans sa brasure. Dans cette manuscrite, nous présenterons la construction d’un modèle intégrant le couplage électrothermique de la partie active qui sera confronté à la réponse de résultats expérimentaux. Puis, une étude numérique basée sur la théorie des plans fractionnaires, qui minimise le nombre de simulations, sera exploitée afin de quantifier l’impact de la taille et de la position du défaut sur la réponse électrothermique du composant et de ses liaisons électriques. Les détails de la mise en place d’une étude expérimentale analogue permettront de mettre en perspective la complémentarité de cette approche. / Power converters nowadays are required to function under harsh conditions in meeting energy efficiency and reliability requirement. Whereas, industrial specifications tend toward a higher level of power integration in respect to the cost constraint. As a result, the die attach is one of the key elements in power module packaging because of high current densities and high heat flow which are transported through. Void formation in the die attach may lead to performance degradation and premature aging of the component. This study introduces a methodology based on the comparison of numerical simulations and experimental campaigns. The obtained results help to improve our understanding on the electro-thermal behaviour of MOSFETs with solder voids. In this thesis, we depict a finite element model in which electro-thermal coupling of a MOSFET active layer is taken in to account. Simulation results will be correlated to the experimental responses. Later on, a parametric numerical study based on the response surface method (RSM) which minimizes the number of simulations and future tests will be exploited to quantify the impact of void position and size on several selective performance criteria. A future serial experimental study in respect to the same RSM design is expected in prospect, in order to fulfil the complementarity for this approach.

Le développement de dispositif de puissance haute température est un véritable challenge pour la recherche fondamentale et industrielle. La chaleur, provenant de l'échauffement des composants ou des conditions environnementales, représente l'une des contraintes majeures auquel est confronté un module de puissance. Le sujet de l’étude menée dans le cadre de cette thèse, financée par la société HCM (Groupe SERMA) vise à élaborer un module de puissance complet et fiable à haute température. La première partie de l’étude concerne la réalisation d’attaches de puces par différentes techniques : brasage eutectique, frittage de nanopoudre d’argent et le brasage en phase liquide transitoire. Le report de puce a mis en évidence les différents problèmes engendrés par l’utilisation d’une métallisation standard du substrat céramique pour une application haute température. Suite à ce constat, des solutions alternatives au niveau de la métallisation du substrat céramique ont été proposées. Afin d’obtenir la meilleure solution d’assemblage à envisager pour un fonctionnement à 300°C, l’élaboration d’un plan d’expériences Fisher-Taguchi a permis de hiérarchiser l’influence de chaque niveau d’intégration sur la tenue mécanique du joint. Les résultats ont permis de proposer une solution qui répond aux exigences. Dans la deuxième partie, le comportement mécanique des joints sous différents niveaux de contraintes thermiques a été étudié. Des essais de fluage ont également été réalisés sur les brasures eutectiques afin de modéliser la réponse du module aux sollicitations thermomécaniques. Les paramètres caractéristiques au fluage ont été déterminés expérimentalement. La troisième partie présen / The development of power electronic devices operating under high temperature environments is a great challenge for microelectronic industry. The objective of this thesis, supported by the HCM society (SERMA Group) is to propose a complete assemblage able to operate under high temperature. The first part of this study presents the different die attach techniques: eutectic solder alloys, sintered nanosilver and the TLPB method. The implementation for techniques was optimized via the variation of various experimental parameters by using a Fisher-Taguchi method. The as-proposed protocol corresponds to values of maximal shear stress. Moreover, an alternative solution to the substrate metallization was proposed to suppress any diffusion between the different elements deposited on the ceramic substrate.In the second part the mechanical behavior of joints under various levels of thermal and mechanical stress was studied. Creep experiments were carried out on the eutectic solders to describe the thermo-mechanical behavior of the complete module. The parameters characteristic of creep were experimentally determined. Finally, in the last part of this study the growth of Ti3SiC2 MAX phases were studied onto α-SiC substrates differently oriented by thermal annealing of TiAl layers deposited by magnetron sputtering. The Ti3SiC2 phase of low contact resistivity is proposed as new ohmic contact materials in dual n and p-type SiC-based devices. A step flow mechanism was proposed to explain that Ti3SiC2 grow, preferentially along the SiC basal planes, from a heterogeneous surface nucleation.

La modélisation, l'élaboration et la caractérisation de nouvelles brasures composites sans plomb à propriétés adaptatives est encouragée par les menaces d'interdiction du plomb dans l'industrie électronique ainsi que par la demande incessante de fiabilité accrue. Dans ce contexte, des joints de brasure composite à matrice Sn-3,8Ag-0,7Cu et renfort particulaire en alliage à mémoire de forme NiTi sont développés. Une caractérisation microstructurale et mécanique de la matrice sans plomb est effectuée. Les évolutions de la chimie et de la microstructure de la surface des particules de NiTi au cours des différentes étapes du procédé de dépôt d'un agent mouillant sur leur surface sont étudiées. Finalement la tenue à la fatigue thermomécanique de ces nouveaux matériaux est évaluée et met en évidence l'influence du renfort en alliage à mémoire de forme.

L'objectif d'un avion plus électrique conduit à l'utilisation croissante de systèmes d'électronique y compris dans des zones de haute température. Les modules de puissance classiques doivent être adaptés à cet environnement: les composants en SiC sont commercialement disponibles mais l'environnement de la puce est à modifier. Cette thèse s'intéresse aux techniques d'attaches de puces basses température que sont le frittage d'argent et la brasure en phase liquide transitoire (TLPB) or-étain. Dans une première partie, les enjeux de l'électronique de puissance et plus particulièrement des applications haute température est donnée. Les mécanismes physique (mouillage, diffusion)qui régissent le frittage et le TLPB (Transient liquid Phase Bonding) sont ensuite décrits avec précision. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à la mise en oeuvre d'un protocole fiable d'attache de puce par frittage d'une nanopoudre d'argent commerciale. Une fois établie, la méthode a ensuite été optimisée pour différentes tailles de composants. La caractérisation de l'attache a été réalisée en shear-test et par des images en microscopie optique. La troisième et dernière partie de ce travail a pour objet la réalisation d'attaches de puces par TLPB or-étain. Ce chapitre traite de la mise en oeuvre expérimentale de la technique, depuis la métallisation des wafers jusqu'à la caractérisation des attaches en microscopie (optique et MEB). Ce travail de thèse est très expérimental car même si un protocole de mise en oeuvre existe (pour le frittage), il est indispensable de l'adapter aux conditions expérimentales pour l'optimiser. Ce travail a aussi mis en évidence certaines difficultés techniques de préparation des surfaces.

L'assemblage tridimensionnel des circuits microélectroniques et leur utilisation dansdes conditions environnementales extrêmement sévères nécessitent ledéveloppement d’alternatives plus robustes pour les contacts électriques. Unetechnique prometteuse est la transformation des contacts de brasure conventionnelleen composés intermétalliques (IMC). Ce processus est appelé « Transient LiquidPhase Soldering » (TLPS).Dans ce contexte, des tests accélérés permettant la formation d’IMC parélectromigration et thermomigration ont été effectués sur des structures « Packageon Package ». L'objectif principal est le développement d'un modèle généralpermettant de décrire la formation des IMC dans les joints de brasure. Combiné avecune analyse par éléments finis ce modèle pourra être utilisé pour prédire la formationdes IMC dans les joints de brasure pour des structures et des profils de missiondifférents. Le modèle de formation des IMC pourra être utilisé pour optimiser unprocessus TLPS. / A further miniaturization of microelectronic components by three dimensionalpackaging, as well as the use of microelectronic devices under harsh environmentconditions, requires the development of more robust alternatives to the existing Snbased solder joints. One promising technique is the diffusion and migration driventransformation of conventional solder bumps into intermetallic compound (IMC)connections. The related process is called transient liquid phase soldering (TLPS).Against this background an investigation of the IMC formation under consideration ofelectromigration and thermomigration was performed. For the stress tests Packageon Package structures are used. The final result is a general model for the IMCformation in solder joints. Combined with a Finite Element Analysis (FEA) this modelis used to predict the IMC formation in solder joints for a broad range of boundaryconditions. In future the model of the IMC formation can be used to optimize a TLPSprocess.