La fatigue des joints brasés de composants électroniques est étudiée dans le cas des environnements sévères rencontrés dans les applications aéronautiques, spatiales et militaires. L'objectif de la thèse est de proposer un modèle de fatigue générique adapté aux joints brasés de type Sn-Ag-Cu soumis à des chargements thermomécaniques et vibratoires. Une étude bibliographique critique la pertinence des modèles et principalement des procédures expérimentales d'identification des paramètres des modèles en loi puissance. La modélisation continue de l'endommagement est également abordée car elle est plus performante lorsqu'elle est appliquée à des chargements complexes combinés. La microstructure triphasée des alliages Sn-Ag-Cu est présentée ainsi que ses différents paramètres microstructuraux assez dispersés selon le mode d'assemblage et la composition des alliages. Le deuxième chapitre présente une étude expérimentale et numérique sur la fatigue oligocyclique de l'alliage Sn- 3,0Ag-0,5Cu en cisaillement. Une loi de comportement viscoplastique à écrouissage est établie ainsi qu'un modèle d'endommagement continu isotherme. Des résultats en fatigue à 25 °C et à 75 °C mettent en évidence l'influence de la tempéra ture sur le comportement et la fatigue de l'alliage. Une étude du comportement en fatigue vibratoire des assemblages est ensuite menée au moyen de cartes de test. Les temps à défaillance des assemblages donnent des tendances en fatigue pour des composants de différentes technologies (BGA, PLCC...). Les modes de rupture des brasures sans plomb semblent similaires à ceux des alliages standards Sn-Pb. Enfin une méthodologie de simulation par éléments finis des cartes et assemblages électroniques en vibration est proposée. Celle-ci permet sur un exemple concret de calculer un indicateur du dommage accumulé dans les joints lors d'un chargement vibratoire aléatoire de la carte. Les deux approches, en fatigue oligocyclique et en vibration, permettent d'initier la proposition d'un modèle générique adapté aux sollicitations combinées pour les joints brasés.

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.

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.

L’échographie haute résolution est une technique d’imagerie médicale permettant une observation du corps de très bonne définition, à faible profondeur (quelques micromètres). Pour réaliser cela, des ondes ultrasonores sont utilisées (quelques dizaines de mégahertz), produites par l’élément actif de la sonde: un film piézoélectrique. Pour atteindre de telles fréquences, cet élément doit être d’une épaisseur déterminée: de l’ordre de la dizaine de micromètres. Aujourd’hui, le PZT, zirconotitanate de plomb, est le matériau piézoélectrique démontrant les meilleures propriétés pour de telles applications. Mais des évolutions législatives sont en cours pour restreindre son utilisation, du fait des risques que représente le plomb pour la santé et l’environnement. Le défi actuel dans le domaine des matériaux piézoélectriques est de trouver un matériau de substitution. C’est l’objectif de cette étude. Un matériau piézoélectrique sans-plomb choisi dans la littérature, le BHT, ou titanate de baryum dopé à l’hafnium, est étudié, dans le but de remplacer le PZT dans les appareils échographiques. Le procédé sol-gel composite est ensuite utilisé pour sa mise en œuvre sous forme de films épais piézoélectriques. / Ultrasonography is a medical imaging technique that allows exploring, with high resolution, a body in a few micrometers depth. For this purpose, ultrasonic waves , produced with a piezoelectric film, are used. This film must have a thickness of at least few micrometers to yield megahertz waves. Nowadays , PZT , lead zirconate titanate, is the key material for such applications. But since recently, a change has come in lead exploitation. It is recommended by the authorities to use another material when it is possible, which became a big challenge in piezoelectric material researches . Therefore, the aim of this study is to investigate a lead-free piezoelectric material in the purpose to use it in ultrasound echography. The selected material is BHT, barium hafnate titanate, and it is shaped as a thick film using sol-gel composite proceed.

La tendance actuelle vers l’encapsulation d’un assemblage comportant plusieurs puces favorise l’incorporation d’un procédé de réusinage compatible avec l’enlèvement et le remplacement d’une puce défectueuse. La vérification électrique est un procédé inhérent au réusinage qui identifie facilement les puces défectueuses sans en compromettre leur intégrité. Malheureusement, l’aspect qui optimise l’intégrité mécanique et électrique des dispositifs, soit l’encapsulant (underfill), rend les étapes subséquentes d’enlèvement des puces extrêmement difficile. Il devient alors souhaitable d’évaluer le comportement de certaines puces sans underfill qui sont sujettes aux conditions de vérifications électriques souhaitées afin de déterminer s’il existe une zone de test favorable à la qualité et la fiabilité du produit. Ceci est d’autant plus vrai en considérant le peu de données publiées concernant un chargement en compression qu’une puce sans underfill et sans capot peut supporter. Ce projet de recherche présente une étude du comportement des puces renversées sans capot, utilisant un alliage SAC, qui est sans plomb, pour les interconnexions, face à une charge compressive appliquée directement. Les puces sont assemblées sur un substrat organique sans underfill dans une configuration à plusieurs puces. Pour différentes tailles de puces, une série de compressions ont été observées afin de couvrir une vaste étendue de forces potentiellement utilisées pour assurer le contact électrique du laminé non planaire. Les chargements ont été faits à température ambiante et élevée ainsi qu’à angle normal et incliné. La caractérisation par l’analyse des courbes de chargement, la coplanarité, la mesure des hauteurs des interconnections et la tomographie par rayon X a démontré qu’un angle normal ne provoquait qu’une légère déformation qui était relativement indépendante de la température ou de la force dans l’étendu testé. Bien que les données de fluage semblent entrer dans le cadre des modèles précédemment publiés et un nouveau modèle plus juste a été créé avec l’aide de test de nanoindentation. L’inclinaison du chargement a démontré produire des déformations significatives qui, durant un test électrique typique de 20 minutes, étaient similaire pour un faible ou un grand chargement. Par contre, ces déformations avaient tendance à être plus importantes pour une température élevée et pour une petite taille de puce. De telles déformations ont démontrés induire une recristallisation des grains en une taille plus fine sans retrouver leur forme après un recuit. De plus, les déformations sévères ont démontrées une présence de fissurations à température ambiante et d’espace réduit à température élevée pouvant nuire à l’intégrité de l’assemblage. Un cyclage thermique de 1000 cycles n’a pas induit de défaillance électrique pour le nombre d’échantillons testés, mais des tests avec un plus grand échantillonnage sont recommandés. En somme, cette étude conclue qu’une vérification électrique dans des conditions normales d’une puce sans capot ne va pas endommager l’intégrité des interconnections sans plomb. Toutefois, un contrôle des procédés robustes est nécessaire afin d’éviter des conditions anormales résultant en une inclinaison de la charge qui pourrait compromettre l’intégrité des assemblages.

Les composés à base du plomb sont très utilisés dans l'industrie microélectronique en raison de leurs propriétés ferroélectriques et piézoélectriques. Cependant, en raison de la toxicité du plomb, la recherche est dirigée vers le développement des matériaux piézoélectriques « écologiques » (sans plomb). L’objectif de ce travail consiste donc à synthétiser par procédé sol-gel un matériau piézoélectrique écologique : le Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT). Les films minces ont été déposés à l’aide d’une tournette sur des substrats de Pt/TiOx/SiO2/Si. Une étape de séchage sur plaque est appliquée à 100ºC après chaque dépôt. L’utilisation du procédé thermique rapide (RTP) permet la densification et la cristallisation de BNT. Ainsi une pyrolyse est appliquée après le séchage pour densifier le film ; la température a été fixée à 200ºC. Enfin un recuit à 700ºC a permis la cristallisation des films dans la structure pérovskite. Les résultats de caractérisations électriques macroscopiques ainsi que les caractérisations à l’échelle locale ont mis en évidence des performances diélectrique, ferroélectrique et piézoélectrique encourageantes. / Lead based materials are widely used in microelectronic industry due to their ferroelectric and piezoelectric properties. However, due to lead toxicity, it has recently desired to develop lead-free piezoelectric materials for environmental protection. The aim of this work is to synthesize a lead-free piezoelectric material by sol-gel method: Bi0.5Na0.5TiO3. BNT films were deposited by spin coating on Pt/TiOx/SiO2/Si substrate. The films were dried at 100ºC on a hot-plate after each layer deposition. Rapid thermal process (RTP) was used for the densification and crystallization of BNT films. Thus a pyrolysis step is applied to densify the dried film; the temperature was set at 200ºC. The film annealed at 700ºC is well crystallized in the perovskite phase. Macroscopic and local electrical characterizations showed promising dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties.

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.

L’assemblage et le conditionnement en électronique représentent un enjeu de création de nouveaux systèmes électroniques hybrides rassemblant sur un même substrat des éléments électroniques, optiques, mécaniques… La technologie Flip-chip , introduite par IBM et baptisée C4 (Control Collapse Chip Connection), garantit une plus grande densité d’intégration tout en gardant les mêmes dimensions de puce. Au coeur de cette technologie, le « Bumping » est un procédé qui consiste en l’introduction d’une microbille conductrice entre deux plots de connexion des puces afin de réaliser une liaison électrique et mécanique avec le niveau de packaging suivant. La technique de dépôt par sérigraphie de pâte à braser est récemment devenue pratique en raison de son adaptation aux alliages sans plomb. Cette méthode présente l'avantage d'un faible coût et d'une possible production à grande échelle. Nous avons donc choisi de développer cette technique afin d’obtenir des matrices de connexions électriques de dimensions comprises entre 50 μm et 100 μm, pour une pâte à braser de type Sn3.0Ag0.5Cu. Nous avons déterminé les paramètres de sérigraphie afin d’obtenir un minimum d’étalement de pâte pour un remplissage maximum des ouvertures du masque choisi en Ni-électroformé d’épaisseur 50μm : une vitesse de racle de 20mm/s et une vitesse de démoulage de 4mm/s sont par exemple à retenir pour une pâte de type 5. L’étude du masque de sérigraphie a conduit au choix d’ouvertures circulaires. Des formes de billes circulaires ont été obtenues pour des UBM (Under Bump Metallurgy) également circulaires, de diamètre ¼ et ½ le diamètre de l’ouverture du masque. L’optimisation du profil de refusion a permis de déterminer qu’un palier à 180°C, un TAL de 90s ou plus et une température maximale à 250°C favorisaient l’obtention de billes circulaires avec absence de vides. Pour une pâte de type 6, des billes de 60à 70μm de diamètre ont été obtenues pour des ouvertures de masque de 100μm. Une étude de fiabilité de ces billes à partir de tests de cisaillement et de l’analyse des IMC (composés intermétalliques) formés après refusion a permis de montrer que des UBM en Cr-Cu-Au, de diamètre égal à la moitié de l’ouverture du masque, permettaient d’assurer un meilleur maintien mécanique des billes / The semiconductor industry has continuously improved its products by increasing the density of integration resulting in an increasing of the I/Os, always with a low cost requirement. To obtain high-density and high-speed packaging, the Flip-Chip interconnection technology was introduced by IBM also called C4 (Control Collapse Chip Connection). Solder bumps have been widely used in electronic industry and were generally based on the Sn-Pb alloy, for its low melting point and good wetting property. Containing highly toxic element (Pb), Pb-Sn solder alloy has been banned. The ternary alloy Sn-Ag-Cu seems to be the best compromise, in fact it as physical and chemical characteristics equivalent to that of Sn-Pb.In this study we are interested to optimize stencil printing process and adjust it with the flip-chip technology, in order to obtain solder bumps which height is between 50µm and 100µm associated to pitches less than or equal to 200µm, using Sn-3.0Ag-0.5Cu solder paste. We have optimized the stencil printing parameters machine, the stencil apertures shape and size (circular shape and 50µm height, for a Ni-electroformed stencil). Spherical solder balls have been achieved with circular UBM (Under Bump Metallurgy), which diameter is ¼ and ½ the diameter of the stencil aperture. The reflow thermal profile is the key to the formation of a reliable solder bump. It must allow a homogeneous reflow for all particles of the metallic solder paste. We define a thermal profile with a Time above liquidus (TAL) of 90s, a temperature in soaking zone (Ts) of 180°C and a maximum temperature (Tmax) of 250°C. For type 6 solder pastes, balls of 60-70µm diameter have been obtained for 100µm stencil apertures.The quality of a solder joint is directly related to the adhesion of the solder ball to the substrate. Among the various methods of mechanical testing, shear testing is the most widely used to assess the strength of the attachment of beads to the substrate and determine the fragility of the ball at the interface caused by the intermetallic layer compounds (IMC) formed after the reflow step. We have shown that Cr-Cu-Au UBM, with a diameter equal to the half of the stencil aperture, ensure the mechanical adhesion of the balls

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.

L’étude de ce mémoire concerne l’élaboration d'un alliage alternatif sans plomb pour l’électronique de puissance, celui-ci sera utilisé à des fins de brasures. Les brasures actuelles sont composées d’alliages comportant du plombet sont peu résistantes en cas de travail à haute température. Ces systèmes seront progressivement éliminés, ils ne respectent plus la Directive Européenne sur l’environnement (RoHS) et les normes de santé publique en raison de la toxicité du plomb (cancérogène, mutagène, accumulation dans l’environnement …). Le travail a été réalisé avec l’alliage Ag-Sn, l’objectif principal de cette thèse a été d’élaborer le composé Ag3Sn, en raison de sa grande résistance thermique (température de fusion élevée de 480°C). Ses meilleures performances sont avantageuses pour les brasures situées dans des environnements difficiles comme l’aéronautique ou l’automobile. La première partie de ce manuscrit détaille la synthèse du composé Ag3Sn réalisée via la méthode polyol, une voie de chimie douce. Il s’agit d’une technique différente des techniques classiques, comme la voie métallurgique. La synthèse a été réalisée en plusieurs étapes et une méthode d’approches successives a été utilisée afin de déterminer les paramètres de synthèse optimums.Deux protocoles particuliers se détachent et ils permettent d’élaborer des phases résistantes à haute température. Lepremier permet d’élaborer une phase pure d' Ag3Sn, tandis que le second permet d’élaborer deux phases de solutionssolides. Les composés ont été caractérisés par DRX, par imagerie MEB-FEG et MET et par analyse thermogravimétrique.La seconde partie de ce travail est la consolidation de ce composé Ag3Sn par une technique de frittage particulière :le die-bonding, afin de réaliser la connexion entre la puce électronique et un susbtrat de cuivre recouvert d'argent.Une étape de dépôt des poudres sur le substrat a été nécessaire avant de réaliser la consolidation, elle a été réalisée selon différentes techniques : le spin-coating ou le dépôt par sérigraphie. Puis, les paramètres de frittage par die-bonding ont été affinés selon les techniques de dépôt. Enfin, des essais de cisaillement ont été réalisés sur certains échantillons. / The study of this memoir concerns the development of an alternative lead-free alloy for power electronics, which will be used for solders. Nowadays, current solders are composed of alloys containing lead, and aren't resistant at high work temperature. These systems will be phased out, because they no longer comply with the European RoHS Directive and public health standards due to the toxicity of lead (carcinogenic, mutagenic, accumulation in the environment, etc.). This work was carried out with the Ag-Sn alloy, and the main objective was to develop the elaboration of the Ag3Sn compound, due to its high thermal resistance (high melting point of 480°C). Its best performance is an advantage for solders located in difficult work environments such as aeronautics or automobile. First part of this thesis describes the synthesis of Ag3Sn compound with the polyol process, a soft-chemistry routine. It is different from the conventional techniques, like the metallurgical way. Polyol synthesis was realized by following several steps. A method of successive approaches wasdetermine optimum synthesis parameters. Two specific protocols stand out, and they allow the development of high-temperature resistant phases. The first one allows the elaboration of an Ag3Sn pure phase, an the second one allows the development of two compounds of solid solutions. The compounds were characterized by XRD, FEG-SEM, TEM and thermogravimetric analysis. The second part of this work is the consolidation of the Ag3Sn compound with a special sintering technique : the die-bonding, in order to realize the connexion between the electronic chip and the copper substrate coated silver. A first step of depositing powder on the substrate was necessary before carrying out the implementation. It was carried out with various techniques : spin-coating orthe serigraphy deposition. Then, sintering parameters were refined according to the deposition techniques. Finally, shear tests were performed on different samples