Introduction<br /><br />Un diagramme d'équilibres de phases est la représentation la plus synthétique du comportement d'un système d'alliages en fonction de la concentration et de la température. La construction de tels diagrammes est donc très importante, tant pour les chercheurs que pour les industriels. Ce travail avait pour but de clarifier les relations de phases dans quelques alliages impliqués dans le processus de remplacement des brasures étain plomb utilisées en particulier dans l'électronique.<br />L'étude a été menée aussi bien expérimentalement que par optimisation numérique.<br /><br />Du point de vue expérimental, , la calorimétrie à moyennes (calorimètre Calvet Sétaram) et hautes températures (calorimètre Gachon) a été utilisée pour déterminer des enthalpies de formation de composés, des enthalpies de mélange, de dissolution ou encore des enthalpies partielles. Les transformations allotropiques ont été détectées et caractérisées thermiquement par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Des techniques complémentaires : diffraction des rayons X, analyse à la microsonde électronique de Castaing et microscope électronique à balayage ont permis de vérifier l'état structural et la composition chimique des produits formés.<br /><br />L'optimisation numérique a fait appel à la méthode « CALPHAD » et au logiciel « Thermocalc ». Le but est de réaliser, à partir d'une description numérique des enthalpies libres de formation de l'ensemble des phases impliquées, une modélisation du diagramme d'équilibres de phases afin de vérifier la cohérence de toutes les données collectées, d'interpoler suivant des modèles physiquement plausibles entre les zones étudiées et ainsi de fournir la « meilleure » approximation du diagramme réel, tout en limitant le travail expérimental. Ce dernier point est particulièrement important dans les ternaires et les systèmes à plus de trois composants.<br /><br />Chapitre 1<br /><br />Le premier chapitre traite des techniques expérimentales et numériques. les calorimètres Calvet, Gachon et différentiel à balayage, leurs emplois et les divers types de manipulations réalisés sont décrits. La méthode Calphad est présentée. Aucune des techniques présentées n'est originale, mais elles sont toutes éprouvées et leur juxtaposition mène à des résultats nombreux et fiables.<br /><br />Chapitre 2<br /><br />Le second chapitre décrit le travail expérimental qui a été réalisé sur les binaires Co-Sn, Ni-Sn (Bi-Sn étant suffisamment connu) et sur le ternaire Bi-Ni-Sn.<br /><br /><br />Co-Sn<br /><br />Une étude bibliographique préalable a montré que si les grandes lignes du systèmes étaient claires, il restait des interrogations qu'il convenait de lever. Tous les domaines de phases n'étaient pas totalement déterminés et le nombre de composés intermédiaires pas encore certain. Des expériences de calorimétrie de dissolution de Co dans Sn liquide, à 991 et 1020 K et de mesure, par calorimétrie de réaction directe, des enthalpies de formation des composés solides à 1287, 1033, 629 et 605 K respectivement ont fourni des données originales. Les transitions allotropiques du Co pur et de Co3Sn2 ont fait l'objet d'une caractérisation par DSC afin de vérifier et compléter les résultats existants. Finalement, l'optimisation numérique a été réalisée, à l'aide du logiciel Thermocalc et le nouveau diagramme de phases tracé. Il prend en compte l'ensemble des composés intermédiaires et des transformations allotropiques.<br /><br />Ni Sn<br /><br />La même procédure de travail a été suivie. Les expériences de calorimétrie de réaction directe à 728, 846, 943, 1332 et 1389 K ont fourni les enthalpies de formation de Ni3Sn2, Ni3Sn et Ni3Sn4. La DSC a permis de déterminer l'enthalpie de transition allotropique de Ni3Sn2.<br /><br />Bi-Ni-Sn<br /><br />Là encore, une étude bibliographique a précédé le travail expérimental. Par rapport aux systèmes binaires, les ternaires sont, très généralement beaucoup plus mal connus, autant en fonction de la composition que de la température. Avant de commencer les expériences de calorimétrie, il s'est révélé nécessaire d'entreprendre une exploration du domaine ternaire à 733, 773, 903 et 1273 K. La DSC a ensuite précisé les points tels qu' invariants et liquidus. Un composé ternaire non encore signalé, Ni7Sn2Bi, a été découvert, ainsi qu'un eutectique ternaire entre Bi, Sn et Ni3Sn4. Les phases solides et le liquide ont été soumis à la calorimétrie afin d'obtenir le matériel nécessaire à une future modélisation du ternaire.<br /><br />Conclusion<br /><br />L'étude présentée s'inscrit dans l'effort de recherche européen qui fait suite à la décision de supprimer ou tout au moins limiter au plus juste la présence de plomb dans les alliages de brasure (programme COST 531). Dans ce cadre, les alliages à bas points de fusion à base d'étain et de bismuth sont intéressants et leurs interactions avec les matériaux rencontrés dans la fabrication des circuits électroniques, tels le nickel et le cobalt, doivent être étudiées. La base de telles études est l'établissement des diagrammes d'équilibres de phases. Les systèmes binaires ne sont pas encore parfaitement connus et ce travail a répondu à quelques questions qui se posaient encore dans Co-Sn et Ni-Sn. Les ternaires, eux, du fait de la largeur du spectre de variation possible des variables de composition, sont à peu près totalement ignorés et la contribution apportée ici permet d'éclairer par des résultats bien établis, le comportement de Bi-Ni-Sn. La connaissance de ce système n'est pas encore parfaite, mais ce qui est apporté est une première base particulièrement solide, dans la mesure où trois coupes isothermes ont été établies dans un système auparavant totalement inconnu et des données enthalpiques mesurées.

De nos jours, une des stratégies pour améliorer les propriétés des brasures sans plomb est d'introduire en petites quantités certains éléments d'alliage. Dans notre étude, deux nouveaux types de brasures, dénommés Innolot et SAC-Bi et dont l'utilisation dans diverses applications électroniques augmente, sont caractérisées. En particulier, l'effet des éléments Ni, Sb et Bi sur les propriétés mécaniques est analysé. L'étude vise également à évaluer l'influence des facteurs de sollicitation, du vieillissement en température sur la réponse des matériaux et leurs évolutions microstructurales. A cet effet, une machine permettant de réaliser des essais de micro-traction sur éprouvettes miniatures a été conçue et fabriquée. Les sollicitations qu'elle permet d'appliquer sont multiples (traction, cisaillement et cyclage) et des conditions en température et en vitesse de déformation peuvent être imposées lors de l'essai. La fabrication des éprouvettes nécessaires aux essais a également été entreprise dans cette étude afin d'avoir un matériau similaire à celui issu du process industriel et de disposer d'une géométrie adaptée au type de caractérisation souhaitée (éprouvettes massives, à simple recouvrement, etc.).Après ces étapes préparatoires, des tests ont été réalisés sous sollicitations de traction, cisaillement, fluage et fatigue en faisant varier les conditions d'essais. Le premier objectif a été l'identification du comportement des brasures, y compris en prenant en compte l'effet du vieillissement. Ces données ont permis ensuite de réaliser des simulations thermo-mécaniques sur les matériaux utilisés sous forme de joints de brasure dans un module de puissance sous cyclage thermique. Les analyses de microstructure (SEM/EDS et EPMA) faites par la suite ont montré le rôle des éléments d'alliage (Ni, Sb et Bi) sur les performances mécaniques des brasures en termes de résistance, limite élastique et rigidité. Le rôle des facteurs d'essai, comme la température, la vitesse de sollicitation et la durée de vieillissement, a également été mis en évidence au niveau des propriétés obtenues et des changements dans la microstructure. Il a été établi que l'élément Sb permet de favoriser le durcissement par écrouissage des brasures, tandis que l'ajout des éléments Ni et Bi permettent un raffinement de la microstructure. Les essais ont aussi permis d'identifier les 9 paramètres de la loi d'Anand par une procédure numérique s'appuyant sur les données de traction et de cisaillement, permettant ainsi de réaliser des simulations par éléments finis. Ces dernières suggèrent un meilleur comportement à la fatigue pour la brasure Innolot qui bénéficie est effets favorables des additifs. / Nowadays, one of the strategies to improve the reliability of lead-free solder joints is to add minor alloying elements to solders. In this study, new lead-free solders, namely InnoLot and SAC387-Bi, which have begun to come into use in the electronic packaging, were considered to study the effect of Ni, Sb and Bi, as well as that of the testing conditions and isothermal aging, on the mechanical properties and microstructure evolution. A new micro-tensile machine are designed and fabricated, which can do tensile, compressive and cyclic tests with variation of speeds and temperatures, for testing miniature joint and bulk specimens. Additionally, the procedure to fabricate appropriate lap-shear joint and bulk specimens are described in this research. The tests, including shear, tensile, creep and fatigue tests, were conducted by micro-tensile and Instron machine at different test conditions. The first study is to characterize, experimentally, the mechanical behaviors and life time of solder joints submitted to isothermal aging and mechanical tests. The second goal of the project is to perform thermo-mechanical simulations of IGBT under thermal cycling. The experimental results indicate that, with addition of Ni, Sb and Bi in to SAC solder, the stress levels (UTS, yield stress) are improved. Moreover, testing conditions, such as temperature, strain rate, amplitude, aging time, may have substantial effects on the mechanical behavior and the microstructure features of the solder alloys. The enhanced strength and life time of the solders is attribute to the solid hardening effects of Sb in the Sn matrix and the refinement of the microstructure with the addition of Ni and Bi. The nine Anand material parameters are identified by using the data from shear and tensile tests. And then, the obtained values were utilized to analyze the stress-strain response of an IGBT under thermal cycling. The results of simulations represent that the response to thermal cycling of the new solders is better than the reference solder, suggesting that additions of minor elements can enhance the fatigue life of the solder joints. Finally, the SEM/EDS and EPMA analysis of as-cast, as-reflowed as well as fractured specimens were done to observe the effects of these above factors on the microstructure of the solder alloys.