L’analyse de la durée de vie des joints brasés est un challenge pour les industries du spatiale, de l’aéronautique et de la défense qui ont besoin d’équipements très fiables pour des environnements sévères et de longues durées de vie. L’évolution des technologies de boitier électronique, principalement conduite par les marchés civils, introduit de nouvelles architectures et de nouveaux matériaux dont la fiabilité doit être étudiée pour les exigences de ces marchés critiques. Un des éléments critiques d’une carte électronique est l’interconnexion effectué par le joint brasé. Dans ce contexte, les connaissances des propriétés de fatigue des matériaux utilisés pour le joint brasé sont nécessaires pour développer des cartes électroniques, définir les essais accélérés de qualification ou pour réaliser des simulations de durée de vie.Les lois utilisées communément dans l’industrie sont généralement des critères simplifiés comme les lois de Coffin-Manson, basée sur la déformation inélastique, ou Morrow, basée sur l’énergie dissipée. Les déformations plastique et visqueuse sont dans ces lois indissociées et appelées déformation inélastique, supposant que les contributions au dommage des déformations plastique et visqueuse sont similaires. Cependant, la pertinence de ces lois dans le cas du matériau joint brasé et les profils de mission des marchés critiques doit être étudiée. En effet, le joint brasé possède une température de fusion faible qui entraine un comportement visqueux même à température ambiante. Celle-ci est nécessaire à l’étape d’assemblage des boitiers. Ainsi, d’importantes déformations visqueuses sont développées notamment pour les environnements sévères et les longues phases de maintien de ces marchés critiques. Dans ce contexte, il est important de prendre en compte l’interaction fatigue-fluage dans les matériaux joint brasé pour atteindre les exigences de ces applications.Les limitations de la littérature sont le manque de données expérimentales précises dissociant les déformations plastique et visqueuse en essai de fatigue. La représentativité des éprouvettes massiques par rapport à l’application finales est en effet discutable au vue de la microstructure très spécifique du joint brasé. De plus, il n’existe pas de consensus réel sur les modèles matériaux à utiliser. Dans ce contexte, un banc de mesure a été développé dans le but de réaliser des essais de fatigue en cisaillement sur des boitiers électroniques assemblés.Le temps de maintien, la température et la force appliquée ont un impact sur le nombre de cycles à défaillance. La combinaison d’une augmentation de la température avec l’ajout du temps de maintien réduit jusqu’à un facteur dix le nombre de cycles à rupture. Les courbes d’hystérésis du boitier ont été converties en contrainte et déformations plastique et visqueuse dans le joint brasé dans le but de calibrer un modèle matériau et une loi de fatigue. Les résultats montrent que l’intérêt des lois de fatigue utilisées communément est limité. Des résultats utilisant différents dispositifs expérimentaux de la littérature ont été ajoutés pour compléter ceux trouvés. Une loi de fatigue modifiée en fréquence a été testée et montre de meilleures prédictions dans le cas d’essais réalisés à différentes fréquences car elle permet de prendre des effets liés au temps comme la viscosité. Cependant, des limites avec cette loi ont été trouvées dans le cas de sollicitation avec temps de maintien. Une loi de fatigue prenant en compte l’interaction fatigue fluage a ensuite été proposée avec de bonnes prédictions notamment pour des températures plus élevées. L’évolution de la microstructure a montré que le dommage détruit la structure dendritique du joint et la remplace par des joints de tailles plus petites dans la zone proche de la fissure. La coalescence d’éléments a également été observée. Cependant, plus d’investigations sont nécessaires pour définir les marqueurs spécifiques des dommages plastique et visqueux. / Solder joints reliability analysis represents a challenge for the aerospace and defense industries, which are in need of trustworthy equipment with a long lifetime in harsh environments. The evolution of electronic packages, driven by consumer civil applications, introduces new architectures and materials for which reliability needs to be qualified for the constraints of the aerospace and defense applications. One of the most critical elements of an electronic assembly is the solder joint interconnection. In this context, the knowledge of fatigue properties of solder material is required to design the assemblies, to define accelerated tests or to perform lifetime simulations.Fatigue laws used commonly in the industry are generally simplified criteria such as Coffin-Manson relation, based on inelastic deformation, or Morrow relation, based on dissipated energy per cycle. Cyclic creep and plastic strains are mingled and formulated as a unique inelastic strain in these relationships. The underlying assumption is that damage contributions of creep and plasticity phenomena are equivalent. The relevance of these laws in the case of solder joint and the mission profiles of aerospace and defense industries can be discussed. In fact, solder joint materials have low melting temperatures which are required by the assembly manufacturing process, inducing viscous strains even at room temperature. In this context, important viscous strains are developed due to the harsh environment with high temperatures and the long maintain phases of space, defense and avionics industries. Creep-fatigue interaction must be taken into account for solder joint material in order to address these applications requirements.Limitations of the literature are the lack of clear experimental data separating plastic and creep strains during fatigue tests. Representativeness of experimental tests based on bulk samples can be discussed because of the complex microstructure of solder joints. No consensus exists on the mechanical model and the parameters. In this context, an innovative test bench has been developed to perform shear fatigue tests with assembled electronic packages in order to study creep-fatigue interaction in solder joints.Dwell time, temperature and force have an impact on the number of cycles to failure. Combined increase of temperature and dwell time reduces the number of cycles to failure until a factor of 10. The hysteresis response of the package is converted in stress and plastic and viscous strains in order to calibrate a viscoplastic model and a fatigue law. Results show limitations of classic Coffin-Manson fatigue law. Experimental results from the literature have been used to complete our test plan. A frequency modified fatigue model shows increased prediction accuracy for fatigue tests performed at different frequencies. In fact, time-dependent viscous damage is included in the law by the frequency factor. However, limitations of this law have been found in particular for long dwell time configuration. A creep-fatigue model is proposed to dissociate damages from plastic and viscous strains. This fatigue law increases prediction accuracy in the case of high temperature and long dwell time configuration. Microstructure evolutions indicate the destruction of the dendritic structure and replaced by small grains recrystallization in the area close to the fracture. Coalescence of different precipitates is also observed in the damaged area. More investigations on this topic are required in order to evaluate the specific markers of plastic and viscous damages.

Les produits mécatroniques sont complexes et multidisciplinaires par nature. Les exigences pour les concevoir sont souvent contradictoires et doivent être validées par les différentes équipes d'ingénierie disciplinaire (ID). Pour répondre à cette complexité et réduire le temps de conception, les ingénieurs disciplinaires ont besoin de collaborer dynamiquement, de résoudre les conflits interdisciplinaires et de réutiliser les connaissances de projets antérieurs. De plus, ils ont besoin de collaborer en permanence avec l’équipe d’ingénierie systèmes (IS) pour avoir un accès direct aux exigences et l’équipe d’optimisation multidisciplinaire (OMD) pour valider le système dans sa globalité.Nous proposons d'utiliser des techniques de gestion des connaissances pour structurer les connaissances générées lors des activités de collaboration afin d'harmoniser le cycle de conception. Notre principale contribution est une approche d'unification qui explique comment IS, ID et OMD se complètent et peuvent être utilisés en synergie pour un cycle de conception intégré et continu. Notre méthodologie permet de centraliser les connaissances nécessaires à la collaboration et au suivi des exigences. Elle assure également la traçabilité des échanges entre les ingénieurs grâce à la théorie des graphes. Cette connaissance formalisée du processus de collaboration permet de définir automatiquement un problème OMD. / Mechatronic products are complex and multidisciplinary in nature. The requirements to design them are often contradictory and must be validated by the various disciplinary engineering (DE) teams. To address this complexity and reduce design time, disciplinary engineers need to collaborate dynamically, resolve interdisciplinary conflicts, and reuse knowledge from previous projects. In addition, they need to work seamlessly with the Systems Engineering (SE) team to have direct access to requirements and the Multidisciplinary Design Optimization (MDO) team for global validation. We propose to use Knowledge Management techniques to structure the knowledge generated during collaboration activities and harmonize the overall design cycle. Our primary contribution is a unification approach, elaborating how SE, DE, and MDO complement each-other and can be used in synergy for an integrated and continuous design cycle. Our methodology centralizes the product knowledge necessary for collaboration. It ensures traceability of the exchange between disciplinary engineers using graph theory. This formalized process knowledge facilitates MDO problem definition.

Le développement des radars automobiles, à la bande de fréquences 76-77 GHz, a connu une croissance importante au cours de la dernière décennie. Les développements en cours doivent faire face à deux grands défis. Le premier défi est la réduction du coût pour équiper plus de catégories de voitures avec ces radars. Le deuxième défi est l'amélioration des performances du radar afin de satisfaire les demandes croissantes des autorités de sécurité routière et d'équiper la voiture autonome. L'émetteur-récepteur radar automobile constitue le cœur du système. Par conséquent, une pression importante est exercée sur les fournisseurs de semi-conducteurs pour développer des radars de nouvelle génération avec des performances supérieures et à un coût inférieur par rapport aux générations précédentes. Améliorer les performances de l'émetteur-récepteur passe par par l'amélioration de ces quatre paramètres : le facteur de bruit, le niveau de puissance de l'émetteur, le bruit de phase et la dissipation thermique. La réduction de coût peut être obtenue en réduisant le temps de test, les tailles de la puce et du PCB et le coût du boitier. Dans ce travail, nous proposons une réduction du coût du boitier et de la taille du PCB, en plus de l'amélioration de la dissipation thermique grâce à une encapsulation intégré au niveau plaquette (FI-WLP pour Fan-In Wafer Level Package). Le boitier WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package), le plus connu FI-WLP, a été choisi pour cette application. C'est la première fois dans l'histoire des semi-conducteurs que le FI-WLP est utilisé pour du Silicium à des fréquences aussi élevées. Le premier chapitre décrit le système radar et ses principaux composants. Il met l'accent sur la contribution de l'émetteur-récepteur, puis le boitier, sur les performances du radar. Le deuxième chapitre fournit une méthodologie pour la modélisation électromagnétiques et la validation expérimentale de ces modèles, appliquée à des structures passives sur puce. Des innovations, améliorant significativement les performances électriques du boitier WLCSP, sont révélées dans le troisième chapitre. La caractérisation du WLCSP est en soi un défi. De nouvelles méthodologies de caractérisation de ce boitier sont alors proposées dans le même chapitre. Par la suite, un nouveau mélangeur encapsulé en WLCSP est conçu et présenté dans le quatrième chapitre. Le facteur de bruit obtenu est à l'état de l'art, malgré l'utilisation du très contraignant boitier FI-WLP. Tous les résultats de simulation de la transition WLCSP et du mélangeur sont validés par des mesures. Cette caractérisation confirme les excellentes performances attendues du boitier et du circuit conçus. / The development of automotive radars, at the frequency band 76-77 GHz, has experienced a significant growth over the last decade. Ongoing developments have to cope with two main challenges. The first challenge is reducing the cost to equip more car categories with these radars. The second challenge is to improve radar performance in order to satisfy the increasing demands of the road safety authorities and to equip the autonomous car. The automotive radar transceiver is the masterpiece of the system. Therefore, significant pressure is exerted on the semiconductor suppliers to develop next generation radars with superior performances and at lower cost than previous generations. Improving the radar transceiver performances requires improving these four main parameters: Noise Figure (NF), Power Amplifier (PA) power, Phase Noise (PN) and heat dissipation. Lowering the cost can be achieved by reducing test time, chip and PCB sizes, and wafers and package costs. We propose, in this work, a reduction of package cost and PCB size and improvement of heat dissipation by using a FI-WLP. The Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP), the best known FI-WLP, was chosen for this application. It is the first time, in Silicon semiconductors history, that a FI-WLP is used at such high frequencies. The first chapter describes the radar system in general and its main components. It focuses on the contribution of the transceiver then the package to the radar performances. The second chapter provides a methodology for EM models validation based on the modeling and experimental validation of passive structures on-chip. Innovations, significantly improving the WLCSP electrical performances, are revealed in the third chapter. The characterization of WLP is, itself, a challenge and novel methodologies to perform it are proposed in the same chapter. Thereafter, a new WLCSP packaged mixer, where block core and RF input matching are co-optimized, is designed and presented in the fourth chapter. The obtained NF is at the state-of-the-art, whereas the very constraining FI-WLP is used. All WLCSP transition and mixer simulation results are validated through measurement. This characterization confirms the excellent performances expected from this novel package and circuit designs.

Ce projet de thèse se situe dans le cadre de l'étude de la fiabilité prédictive de nouveaux concepts d'assemblages microélectroniques de type " system in package " SiP. L'objectif est de développer une méthodologie de fiabilité prédictive adaptée aux nouveaux concepts d'assemblage qui permet d'optimiser et de prédire les performances dès la phase de conception. Elle est ensuite appliquée sur des projets concrets. Cette méthodologie de fiabilité prédictive fait intervenir des études expérimentales, des simulations thermomécaniques et des analyses statistiques pour traiter les données et évaluer la fiabilité et les risques de défaillance. L'utilisation d'outils de simulation des composants électroniques est bien adaptée pour aider à l'évaluation des zones les plus fragiles, la mise en place des règles de conception et la détermination des paramètres les plus influents avec une réduction du temps de mise en marché d'un produit fiable et une optimisation des performances. Les études réalisées sur le silicium avec deux tests : bille sur anneau et test trois points montrent que le rodage et l'épaisseur ont une influence sur la variation de la contrainte et la déflexion du silicium à la rupture. Avec le test trois points, le déclenchement des fissures est lié à la qualité de sciage et de rodage. Cependant avec le test bille sur anneau, seule la qualité de surface influence le déclenchement des fissures. Le test bille sur anneau est bien adapté pour évaluer la qualité de surface du silicium. Avec les techniques chimiques de réduction de contraintes, comme la gravure humide et plasma, la résistance à la rupture a été considérablement améliorée. Ces tests de rupture sur le silicium ont permis de caractériser la rupture du silicium sous une contrainte de flexion et de compléter les résultats de simulation. Ces travaux démontrent, le besoin et l'utilité du prototypage virtuel des composants électroniques et de l'utilisation d'une méthodologie prédictive dans l'évaluation de la fiabilité en l'appliquant sur des composants réels.

Ce projet de thèse se situe dans le cadre de l'étude de la fiabilité prédictive de nouveaux concepts d'assemblages microélectroniques de type « system in package » SiP. L'objectif est de développer une méthodologie de fiabilité prédictive adaptée aux nouveaux concepts d'assemblage qui permet d'optimiser et de prédire les performances dès la phase de conception. Elle est ensuite appliquée sur des projets concrets. Cette méthodologie de fiabilité prédictive fait intervenir des études expérimentales, des simulations thermomécaniques et des analyses statistiques pour traiter les données et évaluer la fiabilité et les risques de défaillance. L'utilisation d'outils de simulation des composants électroniques est bien adaptée pour aider à l'évaluation des zones les plus fragiles, la mise en place des règles de conception et la détermination des paramètres les plus influents avec une réduction du temps de mise en marché d'un produit fiable et une optimisation des performances. Les études réalisées sur le silicium avec deux tests : bille sur anneau et test trois points montrent que le rodage et l'épaisseur ont une influence sur la variation de la contrainte et la déflexion du silicium à la rupture. Avec le test trois points, le déclenchement des fissures est lié à la qualité de sciage et de rodage. Cependant avec le test bille sur anneau, seule la qualité de surface influence le déclenchement des fissures. Le test bille sur anneau est bien adapté pour évaluer la qualité de surface du silicium. Avec les techniques chimiques de réduction de contraintes, comme la gravure humide et plasma, la résistance à la rupture a été considérablement améliorée. Ces tests de rupture sur le silicium ont permis de caractériser la rupture du silicium sous une contrainte de flexion et de compléter les résultats de simulation. Ces travaux démontrent, le besoin et l'utilité du prototypage virtuel des composants électroniques et de l'utilisation d'une méthodologie prédictive dans l'évaluation de la fiabilité en l’appliquant sur des composants réels. / This thesis project is a study of the predictive reliability of new microelectronic package concepts such as "system in package" SiP. The objective is to develop a reliable predictive methodology adapted to the new assembly concepts to optimize and to predict the performance at the design phase. Then, the methodology is applied to concrete projects. This methodology of predictive reliability involves the use of experimental studies, thermomechanical simulations and statistical analysis to process the data and assess the reliability and risks of failure. The use of simulation tools for electronic components is well suited to assist in the evaluation of the most fragile areas, the setting up of design rules and the determination of the most influential parameters with a reduction in the setup time market for a reliable and optimized performance. Studies on silicon strength are conducted with two tests: ball on ring test and on three-point bend test show that the grinding and the thickness influence the variation of the stress and deflection of the silicon at break. With the three points bend test, the onset of crack is linked to defects in sawing and grinding zone. However, with the ball on ring test, only the surface quality influences the initiation of cracks. The ball on ring test is well suited for evaluating the quality of the silicon surface. Chemical techniques of stress release, such as wet etching and plasma etching, improve significantly the strength of silicon samples. These tests on silicon dies are used to characterize the breakdown of silicon under bending test and to complete the simulation results. We have demonstrated in this work, the need and the usefulness of the virtual prototyping of electronic components and the use of a predictive methodology in assessing reliability.