Depuis la restriction de l’utilisation du plomb dans l’électronique, les alliages de brasure de type SnPb ont été remplacés majoritairement par des alliages de type SnAgCu (SAC). Des travaux précédents ont révélé un phénomène de vieillissement de ces alliages, caractérisé par une forte variation des propriétés mécaniques et se stabilisant après plusieurs années à température ambiante. L’objectif de ce travail est d’étudier l’influence du vieillissement thermique sur l’endommagement des assemblages électroniques utilisant l’alliage SAC305 sous chargements mécaniques.L’étude s’est d’abord concentrée sur le comportement mécanique du SAC305, puis sur l’endommagement des joints brasés.L’impact du vieillissement sur le comportement mécanique a été évalué à l’échelle massive ainsi qu’à l’échelle d’un joint brasé. L’évolution de la dureté et du comportement mécanique cyclique à température ambiante a été reliée à un phénomène de grossissement de grain. Des essais de compression sur billes en SAC305, représentatives de la structure réelle, ont montré les mêmes évolutions. Deux modèles de comportement viscoplastique ont été développés à l’échelle d’un joint brasé pour l’alliage dans l’état initial et dans l’état vieilli. Des simulations numériques réalisées à l’aide de ces modèles, ont permis de valider cette approche.L’influence du vieillissement sur l’endommagement des joints brasés en SAC305 a été évaluée à l’aide d’essais de torsion cycliques sur cartes assemblées. Les résultats montrent que le vieillissement induit une diminution du nombre de cycles à la défaillance en fatigue oligocyclique, élément très important pour la gestion du risque dans les équipements électroniques / Since the use of the lead was restricted in electronic assemblies, the electronic market turned on lead-free alloys for electronic assemblies. Most of electronic manufacturers chose SnAgCu (SAC) to replace SnPb alloys. For SAC, former results suggest that high temperature thermal ageing causes a significant drop in mechanical properties, which stabilises after several years at room temperature. The aim of this work is to analyse the impact of thermal ageing on the fatigue damage of SAC305 electronic assemblies under mechanical loadings.This study first focused on the mechanical behaviour of SAC305 alloy. Then, the fatigue damage of SAC305 was analysed on solder joints.The impact of thermal ageing on the mechanical behaviour of SAC305 was evaluated at the bulk scale and at the solder joint scale. Changes in the hardness and in the cyclic mechanical behaviour at room temperature were linked to a grain growth phenomenon. Compression tests on SAC305 solder balls, which are representative of real structure, showed the same changes in the mechanical behaviour. Two viscoplastic constitutive models of mechanical behaviour were identified at the solder joint scale for both initial and aged conditions. Numerical simulations were carried out using these models and led to the validation of the proposed approach.The impact of thermal ageing on the fatigue damage of SAC305 alloy was evaluated thanks to torsion tests on assembled boards. The results of these tests show that the thermal ageing decreases the number of cycles to failure in low cycle fatigue. This observation is very important considering the reliability risk for electronic devices

Depuis la restriction de l'utilisation du plomb dans l'électronique, les alliages de brasure de type SnPb ont été remplacés majoritairement par des alliages de type SnAgCu (SAC). Des travaux précédents ont révélé un phénomène de vieillissement de ces alliages, caractérisé par une forte variation des propriétés mécaniques et se stabilisant après plusieurs années à température ambiante. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence du vieillissement thermique sur l'endommagement des assemblages électroniques utilisant l'alliage SAC305 sous chargements mécaniques.L'étude s'est d'abord concentrée sur le comportement mécanique du SAC305, puis sur l'endommagement des joints brasés.L'impact du vieillissement sur le comportement mécanique a été évalué à l'échelle massive ainsi qu'à l'échelle d'un joint brasé. L'évolution de la dureté et du comportement mécanique cyclique à température ambiante a été reliée à un phénomène de grossissement de grain. Des essais de compression sur billes en SAC305, représentatives de la structure réelle, ont montré les mêmes évolutions. Deux modèles de comportement viscoplastique ont été développés à l'échelle d'un joint brasé pour l'alliage dans l'état initial et dans l'état vieilli. Des simulations numériques réalisées à l'aide de ces modèles, ont permis de valider cette approche.L'influence du vieillissement sur l'endommagement des joints brasés en SAC305 a été évaluée à l'aide d'essais de torsion cycliques sur cartes assemblées. Les résultats montrent que le vieillissement induit une diminution du nombre de cycles à la défaillance en fatigue oligocyclique, élément très important pour la gestion du risque dans les équipements électroniques

Electronics, especially, printed circuit boards (PCBs) are a widespread technology. Metal coatings or “surface finishes” are often added to PCB board pads and component leads during manufacturing to improve their performance. Electroplated nickel/gold over copper is a popular surface finish for printed circuit boards and component leads. The presence of gold in solder joints, however, is known to have detrimental effects referred to as gold embrittlement. It is generally understood that tin-lead solder joints with less than 3 weight percent (wt%) of gold will not experience reliability issues. The acceptable level of gold in lead-free solder joints, however, is less well understood, as the technology is younger. The purpose of this study was to investigate the effect of gold content on the microstructural evolution of SnAgCu solder joints. Three integrated circuit packages with various thicknesses of gold coatings were assembled on boards that were made with thin (flash) or thick gold over nickel coatings. The boards were divided into three groups based on the isothermal aging they underwent: 0 days, 30 days, or 56 days of aging at 125 °C. Thirty four of the forty boards then underwent mechanical reliability testing. Components were cross-sectioned and polished. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS/EDX) were used to characterize the morphology and elemental composition of the solder joints and any intermetallic compounds (IMCs) that formed. The growth of bulk and interfacial layer IMCs in each package/board system was studied. In thick gold boards, AuSn4 particles observed in the bulk solder grew larger over time, absorbed Ni, and migrated to the component and board interfaces. (Cu1-p-qAupNiq)6Sn5 and (Au1-xNix)Sn4 IMCs were found at most board and component interfaces after aging. It was observed that most fractures occurred in or along the (Au1-xNix)Sn4 IMCs. Cracks were observed within IMC particles in the bulk solder, along the boardside and component side interfaces, and in the bulk solder traveling toward voids. Components with joint Au contents higher than 10 wt% had unacceptably poor reliability. The conclusion of this work is that gold content of SAC305 solder joints on boards with Au over Ni surface finishes should be kept below 3 wt% to conservatively minimize the risk of creating a microstructure that has poor reliability.

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.