There is great need to understand the mechanical properties of lead-free alloys—an alternative of lead-based alloys—to address the environmental problems associated with the use of lead-based materials in microelectronics. In this work, the microstructures of Bi57In26Sn17 lead-free alloy were examined using Optical Microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy analysis. The micro-indentation technique was used to study the mechanical properties of Bi57In26Sn17 lead-free alloy. The experimental results of the hardness and contact modulus were presented and discussed. Local creep during the indentation was observed from the load-displacement curves. The Vickers hardness (HV) increases with the decrease of the indentation depth, suggesting that the alloy exhibits indentation size effect.

Dans ce travail nous avons élaboré des matériaux ferroélectriques Ba0,9Sr0,1TiO3 (BST) de tailles de plus en plus réduites : céramiques, couches minces et nanoparticules pour des applications en microélectronique. Des matériaux composites constitués de nanoparticules de BST dispersées dans un cristal liquide ont également été réalisés. Le caractère ferroélectrique des films BST a été mis en évidence par des mesures des cycles d'hystérésis électriques. Les meilleures propriétés électriques ont été obtenues avec un recuit à 950 °C pendant 15 mn. Les analyses physico-chimiques sur les nanopoudres BST indiquent que la température optimale de calcination est de 900 °C. La taille des grains obtenue, entre 30 et 100 nm. Les caractérisations par diffraction de rayons X des nanopoudres montrent une structure quadratique à l'ambiante donc la possibilité d'un caractère ferroélectrique de celles-ci. La synthèse de céramiques BST par voie sol-gel et frittées à différentes températures a montré que la taille des grains dépend directement de la température de frittage et s'avère être un paramètre clé influençant la réponse diélectrique du matériau. Les céramiques BST élaborées par la méthode solide-solide permettent d'obtenir une taille de grains supérieure et en conséquence des valeurs de permittivité diélectrique plus élevées. L'étude comparative des propriétés diélectriques du cristal liquide seul et du mélange nanoparticules BST-cristal liquide a confirmé l'influence des nanoparticules BST sur l'orientation des molécules du cristal liquide. La confrontation des résultats expérimentaux aux lois de mélanges a permis l'estimation de la permittivité diélectrique des nanoparticules de BST. / In this work a ferroelectrics Ba0,9Sr0,1TiO3 (BST) ceramics, thin layers and nanoparticles were elaborated in order to obtain suitable materials for microelectronics. A mixture of BST nanoparticles dispersed in a liquid crystal was also performed. The ferrolectric nature of BST films has been demonstrated by measurements of the electrical hysteresis cycles. The best electrical properties were obtained with annealing at 950 °C for 15 min. The physico-chemical analyzes of BST nanapowders indicate that the optimum calcination temperature is at 900 °C. The grain size obtained is between 30 and 100 nm. The characterizations of nanapowders with X-Ray Diffraction show a tetragonal structure at room temperature therefore the possibility of a ferroelectric character. The ceramics synthesized by sol-gel method and sintered at different temperatures showed that the grain size depends directly on the sintering temperature and proves to be a key parameter influencing the dielectric response of the material. The BST ceramics prepared by solid-solid method used to get a size larger grain and consequently a higher value of dielectric permittivity. The comparative study of the dielectric properties of the liquid crystal single and the mixture "BST nanoparticles- liquid crystal" confirmed the influence of nanoparticles on the orientation of liquid crystal molecules. The comparison of experimental results with the mixtures laws allowed the estimation of the dielcectric permittivity of BST nanoparticles.

Les piézoélectriques à haute performance sont des composants clés pour les dispositifs agiles. Il a été démontré récemment que les solutions solides (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 (BCTZ) présentent des propriétés électromécaniques prometteuses. Cependant, les mécanismes microscopiques conduisant à de telles caractéristiques restent à éclaircir, et les investigations théoriques de BCTZ demeurent très limitées à ce jour. En conséquence, cette thèse propose d’étudier les propriétés de différentes compositions de solutions solides (Ba,Ca)TiO3-Ba(Ti,Zr)O3 au moyen de calculs de premiers principes, en mettant l’accent sur la dynamiquedu réseau et sur la compétition entre différentes phases ferroélectriques. Nous nous intéressons d’abord aux quatre composés parents BaTiO3, CaTiO3, BaZrO3 et CaZrO3, afin de comparer leurs propriétés et leurs différentes tendances à la ferroélectricité. Ensuite, le coeur de notre étude est une caractérisation systématique des systèmes binaires (Ba,Ca)TiO3 et Ba(Ti,Zr)O3 en utilisant à la fois l’approximation du cristal virtuel (VCA) et des calculs directs sur supercellules.Lorsqu’on passe continument de BaTiO3 à CaTiO3 dans (Ba,Ca)TiO3, la caractéristique principale est une transformation progressive de la ferroélectricité de type B en type A en raison d’effets stériques, lesquels déterminent en grande partie le comportement du système. En particulier, pour les petites concentrations en calcium, nous avons mis en évidence que laferroélectricité guidée par le site B est globalement affaiblie, conduisant à la disparition de la barrière d’énergie entre différents états polaires et à une polarisation quasi-isotrope. Une amélioration considérable de la réponse piézoélectrique résulte de ces caractéristiques. En passant de BaTiO3 à BaZrO3 dans Ba(Ti,Zr)O3, en revanche, le comportement est dominé parles mouvements coopératifs Zr-Ti et l’électrostatique locale. En particulier, la phase R3m est stabilisée significativement pour les faibles concentrations en zirconium. Sous l’effet d’une augmentation de la concentration en zirconium, le système montre une tendance à la réduction de la distorsion polaire; néanmoins, la ferroélectricité peut être préservée localement dans les régionsriches en titane. Grâce à un modèle électrostatique basé sur un super-réseau BaZrO3/mBaTiO3, nous avons également découvert une activation polaire inattendue pour Zr, en fonction d’un ordre atomique spécifique. Un facteur microscopique expliquant la réponse piézoélectrique exaltée dans BCTZ, pour de faibles concentrations en Ca et Zr, peut donc résider dans l’interaction entre la ferroélectricité affaiblie induite par Ti et la ferroélectricité émergente induite par Ca, interaction produisant une anisotropie minimale pour la polarisation. En outre, notre étude comparative révèle que la physique microscopique spécifique de ces solutions solides limite sévèrement l’applicabilité de l’approximation du cristal virtuel (VCA) à ces systèmes. / High-performance piezoelectrics are key components of various smart devicesand, recently, it has been discovered that (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 (BCTZ) solid solutions show appealingelectromechanical properties. Nevertheless, the microscopic mechanisms leading to suchfeatures are still unclear and theoretical investigations of BCTZ remain very limited. Accordingly,this thesis analyzes the properties of various compositions of (Ba,Ca)TiO3-Ba(Ti,Zr)O3solid solutions by means of first-principles calculations, with a focus on the lattice dynamicsand the competition between different ferroelectric phases. We first analyze the four parentcompounds BaTiO3, CaTiO3, BaZrO3 and CaZrO3 in order to compare their properties andtheir different tendency towards ferroelectricity. Then, the core of our study is a systematiccharacterization of the binary systems (Ba,Ca)TiO3 and Ba(Ti,Zr)O3 within both the virtualcrystal approximation (VCA) and direct supercell calculations. When going from BaTiO3 toCaTiO3 in (Ba,Ca)TiO3, the main feature is a gradual transformation from B-type to A-typeferroelectricity due to steric effects that largely determine the behavior of the system. In particular,for low Ca-concentration we found out an overall weakened B-driven ferroelectricitythat produces the vanishing of the energy barrier between different polar states and resultsin a quasi-isotropic polarization. A sizable enhancement of the piezoelectric response resultsfrom these features. When going from BaTiO3 to BaZrO3 in Ba(Ti,Zr)O3, in contrast, thebehavior is dominated by cooperative Zr-Ti motions and the local electrostatics. In particular,low Zr-concentration produces the further stabilization of the R3m-phase. Then, the systemshows the tendency to globally reduce the polar distortion with increasing Zr-concentration.Nevertheless, ferroelectricity can be locally preserved in Ti-rich regions. We also found out anunexpected polar activation of Zr as a function of specific atomic ordering explained via a basicelectrostatic model based on BaZrO3/mBaTiO3 superlattice. A microscopic factor behind theenhanced piezoelectric response in BCTZ, at low concentration of Ca and Zr, can thus be theinterplay between weakened Ti-driven and emerging Ca-driven ferroelectricity, which producesminimal anisotropy for the polarization. In addition, our comparative study reveals that thespecific microscopic physics of these solid solutions sets severe limits to the applicability of thevirtual crystal approximation (VCA) for these systems.

Intérêt industriel, pression politique : deux raisons majeures pour lesquelles la synthèse de couches minces piézoélectriques sans Plomb performantes est devenue un sujet de recherche important. L’objectif de ces travaux est la synthèse et la caractérisation d’un matériau prometteur : le BNT. L’élaboration de couches minces de BNT par pulvérisation cathodique rf-magnetron a été optimisée. L’étude montre qu’un recuit à 675°C sous Oxygène permet la meilleure cristallisation du BNT. Les caractérisations électriques ont mis en évidence de bonnes propriétés diélectrique, ferroélectrique et piézoélectrique. Les valeurs de polarisation et de déplacement obtenus en appliquant un champ électrique sont remarquables. Cependant, les valeurs rémanentes sont peu élevées. L’étude en température a permis de déterminer les transitions de phase et de démontrer le caractère relaxeur du BNT. Le mélange de BT avec le BNT dans une solution solide doit améliorer les performances électriques. Des courants de fuite ont provoqué l’effet inverse c'est-à-dire une dégradation des propriétés de nos couches minces. / Industrial interest, political pressure: two major reasons for the synthesis of unleaded piezoelectric thin layers with high performances have become an important research topic. The objective of this work is the synthesis and characterization of a promising material: NBT. The development of NBT thin films by rf-magnetron sputtering was optimized. The study shows that annealing at 675°C under oxygen allows better crystallization of NBT. Electrical characterizations showed good dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties. Polarization and displacement values obtained by applying an electric field are remarkable. However, values of remnant polarization are low. The temperature study was used to determine phase transitions and highlighted the relaxor character of NBT. The mixture of BT with the NBT in a solid solution should improve the electrical performances. Leakage currents caused the opposite effect, that is to say, a degradation of the properties of our thin films.

Thesis (M.S.)--State University of New York at Binghamton, Department of Mechanical Engineering, 2005. / Includes bibliographical references (leaves 70-72).

<p>Företag kan behöva förändra sitt sätt att arbeta av flera olika skäl. Marknaden ställer krav på billigare lösningar med bibehållen kvalitet. Myndigheter ställer krav på större miljö­hänsyn. Syftet med den här uppsatsen är att granska tre olika företags förändringsarbete i samband med att RoHS-direktivet föreskrev att bly inte skall användas vid lödning. Ett företag har helt ställt om sin produktion, ett företag kör blandad produktion och ett av företagen endast en liten produktion med blyfritt eftersom dess kunder omfattas av de undantag som finns i direktivet. Undersök­ningen har utförts som kvalitativa intervjuer med miljö- och processansvariga på de olika före­tagen och visar att företagen haft olika strategier för att lyckas med omställningsarbetet. Mina huvudsakliga slutsatser är att förändringsarbetet påverkas av kontakter med olika nätverk samt möjligheten att praktiskt prova en ny process och i betydligt mindre utsträckning av formellt ledningsarbete såsom miljöledningssystem.</p>

Företag kan behöva förändra sitt sätt att arbeta av flera olika skäl. Marknaden ställer krav på billigare lösningar med bibehållen kvalitet. Myndigheter ställer krav på större miljö­hänsyn. Syftet med den här uppsatsen är att granska tre olika företags förändringsarbete i samband med att RoHS-direktivet föreskrev att bly inte skall användas vid lödning. Ett företag har helt ställt om sin produktion, ett företag kör blandad produktion och ett av företagen endast en liten produktion med blyfritt eftersom dess kunder omfattas av de undantag som finns i direktivet. Undersök­ningen har utförts som kvalitativa intervjuer med miljö- och processansvariga på de olika före­tagen och visar att företagen haft olika strategier för att lyckas med omställningsarbetet. Mina huvudsakliga slutsatser är att förändringsarbetet påverkas av kontakter med olika nätverk samt möjligheten att praktiskt prova en ny process och i betydligt mindre utsträckning av formellt ledningsarbete såsom miljöledningssystem.

This research aims to understand the reliability of Sn-Ag-Cu solder interconnects used in plastic ball grid array (PBGA) packages using microstructure evolution, laser moiré interferometry and finite-element modeling. A particle coarsening based microstructure evolution of the solder joint material during thermal excursions was studied for extended periods of time lasting for several months. The microstructure evolution and particle coarsening was quantified, and acceleration factors were determined between benign field-use conditions and accelerated thermal cycling (ATC) conditions for PBGA packages with different form factors and for two different lead-free solder alloys. A new technique using laser moiré interferometry was developed to assess the deformation behavior of Sn-Ag-Cu based solder joints during thermal excursions. This technique can used to estimate the fatigue life of solder joints quickly in a matter of few days instead of months and can be extended to cover a wide range of temperature regimes. Finite-element analysis (FEA) in conjunction with experimental data from the ATC for different lead-free PBGA packages was used to develop a fatigue life model that can be used to predict solder joint fatigue life for any PBGA package. The proposed model will be able to predict the mean number of cycles required for crack initiation and crack growth rate in a solder joint.

Electrically conductive adhesives (ECAs) are one of the lead-free interconnect materials with the advantages of environmental friendliness, mild processing conditions, fewer processing steps, low stress on the substrates, and fine pitch interconnect capability. However, some challenging issues still exist for the currently available ECAs, including lower electrical conductivity, conductivity fatigue in reliability tests, limited current-carrying capability, poor impact strength, etc. The interfacial properties is one of the major considerations when resolving these challenges and developing high performance conductive adhesives. Surface functionalization and interface modification are the major approaches used in this thesis. Fundamental understanding and analysis of the interaction between various types of interface modifiers and ECA materials and substrates are the key for the development of high performance ECA for lead-free interconnects. The results of this thesis provide the guideline for the enhancement of interfacial properties of metal-metal and metal-polymer interactions. Systematic investigation of various types of ECAs contributes to a better understanding of materials requirements for different applications, such as surface mount technology (SMT), flip chip applications, flat panel display modules with high resolution, etc. Improvement of the electrical, thermal and reliability of different ECAs make them a potentially ideal candidate for high power and fine pitch microelectronics packaging option.

Thesis (M.S.)--State University of New York at Binghamton, Thomas J. Watson School of Engineering and Applied Science, Department of Systems Science and Industrial Engineering, 2008. / Includes bibliographical references.