Les directives ROHS et WEEE banniront, dans les années qui viennent, le plomb de l’industrie électronique. Seulement, les assemblages électroniques de Schlumberger destinés à des applications hautes températures, tels que les ceux faisant intervenir des composants montés en surface, font intervenir des brasures à forte teneur en plomb. C’est pourquoi, Schlumberger investit énormément afin de trouver de nouvelles brasures sans plomb pour les remplacer. Ce projet, qui s’inscrit dans ce cadre, a pour objectif de prédire la durée de vie d’assemblages utilisant ces nouvelles brasures avec un substrat et des composants en céramique. Cette prédiction se fait en deux étapes. La première est expérimentale. Les assemblages sont soumis à des vieillissements accélérés thermomécaniques et isothermes. En plus de la durée de vie, ces tests apportent des connaissances sur les effets du vieillissement, sur les mécanismes et les zones de défaillances, sur l’interaction de ces brasures avec les finitions du substrat et des composants et enfin sur l’évolution de la microstructure et des phases d’intermétalliques créées lors du vieillissement.La seconde étape est la modélisation de ces assemblages afin de comprendre leur comportement sous sollicitations thermomécaniques. Les simulations aident à comprendre les phénomènes locaux qui apparaissent dans l’assemblage et à extraire des paramètres de fatigue pour diverses conditions thermomécaniques. Enfin, une corrélation entre les résultats de défaillance expérimentaux et la fatigue calculée grâce à la simulation va permettre d’estimer la durée de vie des assemblages pour différentes sollicitations thermomécaniques. Les simulations permettent donc de diminuer le nombre d’essais expérimentaux souvent chers et longs. Seulement, pour faire des simulations fiables, il est nécessaire de connaitre les paramètres mécaniques de tous les matériaux. Pour la brasure, cela veut dire le comportement élastique, plastique et en fluage. Donc, un bénéfice supplémentaire pour Schlumberger est la détermination de ses paramètres pour les nouvelles brasures. / Because of ROHS or WEEE directives, in a close future, lead materials will be banned from electronicindustry. Unfortunately, Schlumberger is using high-lead content solders for surface mount devices forhigh temperature applications. Considering this issue, Schlumberger puts in place high amount of investments to replace these solders by lead-free solders. The topic of the work is to study lead free candidates destined to support Schlumberger high temperature mission profiles. The device under test chosen for this project is a surface mount device composed of a passive component connected to a ceramic substrate by solder joints. The predictive study of reliability of these new assemblies for high temperature applications needs two complementary analyses. The first study is to characterize, experimentally, the life time of surface mount assemblies using these new lead free solders submitted to accelerated thermomechanical and isothermal aging tests. Hence, the first benefits for Schlumberger are knowledge on thecompatibility of these new alloys with their current finishes with the microstructure and intermetallic compounds evolution. More over, the main effects due to aging are investigated like failure sites and mechanisms. The second goal of the project is to perform thermo-mechanical simulations of surface mount assembly under thermal cycling. Simulations help to understand local phenomena and estimatefatigue parameters under other thermal conditions. Then, a correlation between experimental results about failure and calculated fatigue leads to an estimation of the life time of the assemblies. Thus, simulations have the advantage to reduce the number of time-consuming and expensive thermo-mechanical agingtests. To perform a simulation, the physical parameters of each solder material are needed like elastic,plastic and creep data. Additional benefits for Schlumberger involve mechanical properties which are, at the moment, unknown for these new high temperature lead free materials.

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. / More electric aircaft projects lead to the increasing use of power electronic systems including in high temperature areas. Classical power modules must be adapted to this harsh environment: SiC devices are now commercially available but the packaging of the dies must be completely changed. This thesis focus on alternative die-backside attaches aand particularly on sintering and Transient Liquid Phase Bonding (TLPB) which are classified as Low Temperature Joining Techniques. In the first part, importance of power electronic systems for high temperature applications is given. Theoretical considerations about physical mechanisms (diffusion, wetting) involved in sintering and TLPB are described precisely. The purpose of the second part of this thesis is to establish a realiable protocole of die-attach using commercial silver nanopaste.the method has been optimized for different sizes of devices. Caracterization was provided using optical pictures and shear-test results. The third chapter of this work is about the realization of die-attaches using TLPB method. A description of surfaces preparation is given and diffusion results are discussed using SEM and optical pictures. This work is very experimental because sintering classical procedure must be adapted and optimized for each kind of devices. This thesis has clealy shown the difficulties for surfaces preparation.

Les modules électroniques de puissance (dizaines de kW) sont des composants essentiels pour le développement des véhicules électriques et hybrides. Ces modules sont des assemblages de composants électroniques en silicium (transistor et diode) sur un substrat généralement en cuivre par brasage tendre. Le substrat assure le maintien mécanique et le transfert de la chaleur pour obtenir une température de fonctionnement convenable (<175°C) du silicium. En fonctionnement, une partie de la puissance est dissipée sous forme d'un flux de chaleur à cause de la résistance interne des semi-conducteurs. Ce flux diffuse de la face supérieure des composants électroniques vers le substrat et engendre l'échauffement de l'assemblage. Du fait que cet assemblage comprend divers matériaux, les dilatations thermiques différentes génèrent des contraintes de cisaillement dans la zone de liaison (brasure) en provoquant l'endommagement des modules électroniques. Pour résoudre ce problème, le substrat doit présenter un compromis entre des caractéristiques électriques et thermiques proches de celles du substrat actuel (Cu) et un coefficient de dilatation linéique proche de celui du semiconducteur (Si). Une des solutions alternatives consiste à développer un matériau composite architecturé. Nous proposons d'atténuer les effets mécaniques de la dilatation différentielle à l'aide d'un substrat architecturé. Le substrat proposé est un matériau composite métallique dont les paramètres de forme ont été optimisés par simulation numérique et validés expérimentalement afin d'accroître au mieux la conductivité du substrat et d'en réduire la dilatation macroscopique. La fabrication à l'échelle du laboratoire est abordée et les variantes du colaminage sont comparées pour réaliser l'architecture interne proposée. En outre, les alliages sans plomb utilisés à ce jour pour le brasage souffrent d'une faible résistance au vieillissement thermique. Sous l'effet de la chaleur, la microstructure initiale de la brasure peut évoluer en donnant naissance à des intermétalliques. Les plaquettes aciculaires (aiguilles) constituent des sites de concentration de contraintes. Cette étude vise également à développer une brasure sans plomb mais relativement réfractaire présentant des conductivités thermique et électrique élevées, associées à une dilatabilité la plus proche possible de celle du silicium. L'architecture de la brasure devrait limiter la croissance des intermétalliques lors du vieillissement.

Le développement de composants de puissance à base de carbure de silicium (SiC) permet la réalisation d’interrupteurs pouvant fonctionner au-delà de 200°C. Le silicium présente plus de limitations au niveau physique du matériau qu’au niveau des technologies d’assemblages. Le SiC est un matériau semi-conducteur grand gap ce qui permet d’obtenir des courants de fuite inverse qui restent faibles à haute température ; d’où un fort intérêt pour des applications haute température. Mise à part son utilisation à des températures pouvant dépasser les 300°C, c’est un matériau qui permet aussi d’augmenter les fréquences de commutation ainsi que la densité de puissance par rapport à des composants à technologie silicium. Ceci en fait un candidat idéal pour des applications forte puissance dans le domaine de la traction, des protections de réseaux électriques ou de la transmission et de la distribution d’énergie. L’utilisation du SiC pour une application haute température pose le problème de son packaging, des choix de matériaux et de sa configuration. Cette thèse a pour but d’effectuer une étude de fiabilité et de durée de vie des briques technologiques d’assemblage et de connexions nécessaires à la réalisation d’un cœur de puissance haute température à base de JFET SiC. Une étude des différentes technologies d’assemblages de convertisseurs de puissance haute température est effectuée afin de définir différentes briques technologiques constitutives de ces systèmes. Cette première étude nous permet de procéder à une sélection de certaines technologies d’assemblages comme le frittage de pâtes d’argent pour la technologie de report de puces. Ces briques technologiques feront l’objet d’études plus approfondies allant de la réalisation de véhicules tests jusqu’à la mise au point des essais de cyclages associés aux techniques d’analyse nécessaires à l’étude de leur défaillance.Les études expérimentales concernent des essais de cyclage passif et de stockage thermique, l’apparition de délaminages en cours de cyclage thermique (scan acoustique, RX), le report par frittage de pâtes d’argent nano et microscopiques et la caractérisation électrique et thermique (Rth, I[V]). / The development of power components based on silicon carbide (SiC) allows for the design of power converter operating at high temperature (above 200 or 300°C). SiC is a semiconductor material with a large band gap that not only can operate in temperatures exceeding 300°C but also offers fast switching speed, high voltage blocking capability and higher thermal conductivity compared to silicon technology components. The classical die attach technology uses high temperature solder alloys which melt at around 300°C. However, even a soldered die attach with such high melting point can only operate up to a much lower temperature. Alternative die attach solutions have recently been proposed: Transient Liquid Phase Bonding, soldering with higher melting point alloys such as ZnSn, or silver sintering.Silver sintering is a very interesting technology, as silver offers very good thermal conductivity (429W/m.K, better than copper), relatively inexpensive (compared to alternative solutions which often use gold), and has a very high melting point (961°C).The implementation of two silver-sintering processes is made: one based on micrometer-scale silver particles, and one on nano-meter-scale particles. Two substrate technologies are investigated: Al2O3 DBC and Si3N4 AMB. After the process optimization, tests vehicles are assembled using nano and micro silver particles paste and a more classical high-temperature die attach technology: AuGe soldering. Multiple analyses are performed, such as thermal resistance measurement, shear tests and micro-sections to follow the evolution of the joint during thermal cycling and high-temperature storage ageing.

De nos jours, la durée de vie des modules d’électronique de puissance est désormais limitée par les technologies standards de conditionnement, telles que le câblage par fils et le brasage. Ainsi une optimisation des technologies actuellement employées n’est pas suffisante pour satisfaire les futures exigences de fiabilité. Pour dépasser ces limites, un nouveau module de puissance remplaçant les fils de connexion par des clips en cuivre a été développé. Ce design innovant vise à améliorer la fiabilité du module puisqu’il empêche la dégradation des fils de connexion, constituant bien souvent la principale source de défaillance. La contrepartie de ce gain de fiabilité réside dans la complexification de la structure interne du module. En effet, l’emploi d’un clip en cuivre nécessite une brasure supplémentaire fixant le clip à la puce. Ainsi, le comportement thermomécanique et les différents modes de rupture auxquels le composant est soumis lors de son utilisation doivent être caractérisés. Cette étude utilise la simulation numérique pour analyser avec précision le comportement de chaque couche de matériaux lors des cycles actifs de puissance. De plus, une étude de sensibilité à la fois expérimentale et numérique concernant les paramètres de tests est réalisée. Les zones critiques du module ainsi que les combinaisons critiques des paramètres de tests pour les différents modes de rupture sont mis en évidence. Par ailleurs, une analyse en mécanique de la rupture est conduite et la propagation des fissures à différentes zones clés est analysée en fonction des différents paramètres de tests. Les résultats obtenus permettent la définition de modèles de prédiction de durée de vie. / Today a point has been reached where safe operation areas and lifetimes of power modules are limited by the standard packaging technologies, such as wire bonding and soft soldering. As a result, further optimization of used technologies will no longer be sufficient to meet future reliability requirements. To surpass these limits, a new power module was designed using Cu clips as interconnects instead of Al wire bonds. This new design should improve the reliability of the module as it avoids wire bond fatigue failures, often the root cause of device failures. The counterpart for an improved reliability is a quite complicated internal structure. Indeed, the use of a Cu clip implies an additional solder layer in order to fix the clip to the die. The thermo-mechanical behavior and failure mechanisms of such a package under application have to be characterized. The present study takes advantage of numerical simulations to precisely analyze the behavior of each material layer under power cycling. Furthermore an experimental and numerical sensitivity study on tests parameters is conducted. Critical regions of the module are pointed out and critical combinations of tests parameters for different failure mechanisms are highlighted. Then a fracture mechanics analysis is performed and the crack growth at different locations is analyzed in function of different tests parameters. Results obtained enable the definition of lifetime prediction models.