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.

La modélisation, l'élaboration et la caractérisation de nouvelles brasures composites sans plomb à propriétés adaptatives est encouragée par les menaces d'interdiction du plomb dans l'industrie électronique ainsi que par la demande incessante de fiabilité accrue. Dans ce contexte, des joints de brasure composite à matrice Sn-3,8Ag-0,7Cu et renfort particulaire en alliage à mémoire de forme NiTi sont développés. Une caractérisation microstructurale et mécanique de la matrice sans plomb est effectuée. Les évolutions de la chimie et de la microstructure de la surface des particules de NiTi au cours des différentes étapes du procédé de dépôt d'un agent mouillant sur leur surface sont étudiées. Finalement la tenue à la fatigue thermomécanique de ces nouveaux matériaux est évaluée et met en évidence l'influence du renfort en alliage à mémoire de forme.

Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x≈ 0.32) à l'aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l'énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains.

Le mémoire porte sur l'étude de la fiabilité des assemblages utilisant des alliages de brasure sans-plomb en environnement sévère pour des applications électroniques. Une méthode de préparation métallographique fiable et reproductible en vue de l'analyse microstructurale est présentée. L'effet du vieillissement thermique statique sur l'évolution microstructurale de billes de brasure en SAC, la tenue à la fatigue mécanique des assemblages brasés et l'étude de l'endommagement thermomécanique sont développés. Le seul effet notable constaté après vieillissement thermique est l'augmentation des épaisseurs des intermétalliques de contact. A la suite de sollicitations mécaniques, les ruptures sont plus souvent observées dans les pistes que dans les brasures, et ne permettent pas d'incriminer des éléments de la microstructure brasée comme facteurs déterminant de propagation des fissures. Les sollicitations thermomécaniques conduisent à une recristallisation, et les fissures se propagent alors le long des joints de grains recristallisés.

Ces travaux s'intègrent dans la recherche de solutions alternatives aux alliages de brasure pour les assemblages de puissance. De par les propriétés intrinsèques de l'argent et les premiers travaux publiés, le frittage de pâte d'argent a été sélectionné comme technique d'assemblage pour être étudiée et évaluée. Après avoir effectué un état de l'art sur la structure d'un module de puissance, sur les différentes techniques d'assemblage, la fiabilité des assemblages et le frittage, différents essais ont été menés en partenariat avec les projets FIDEA et ASPEEC. Ils nous ont permis de définir des procédés d'assemblages, de caractériser thermiquement et mécaniquement les assemblages frittés et d'évaluer la fiabilité de ces assemblages par des essais expérimentaux et des simulations numériques. Ces travaux nous ont permis au final de réaliser un prototype d'assemblage double face fonctionnel aux propriétés thermomécaniques supérieures à celles d'un assemblage brasé.

L'assemblage tridimensionnel des circuits microélectroniques et leur utilisation dansdes conditions environnementales extrêmement sévères nécessitent ledéveloppement d’alternatives plus robustes pour les contacts électriques. Unetechnique prometteuse est la transformation des contacts de brasure conventionnelleen composés intermétalliques (IMC). Ce processus est appelé « Transient LiquidPhase Soldering » (TLPS).Dans ce contexte, des tests accélérés permettant la formation d’IMC parélectromigration et thermomigration ont été effectués sur des structures « Packageon Package ». L'objectif principal est le développement d'un modèle généralpermettant de décrire la formation des IMC dans les joints de brasure. Combiné avecune analyse par éléments finis ce modèle pourra être utilisé pour prédire la formationdes IMC dans les joints de brasure pour des structures et des profils de missiondifférents. Le modèle de formation des IMC pourra être utilisé pour optimiser unprocessus TLPS. / A further miniaturization of microelectronic components by three dimensionalpackaging, as well as the use of microelectronic devices under harsh environmentconditions, requires the development of more robust alternatives to the existing Snbased solder joints. One promising technique is the diffusion and migration driventransformation of conventional solder bumps into intermetallic compound (IMC)connections. The related process is called transient liquid phase soldering (TLPS).Against this background an investigation of the IMC formation under consideration ofelectromigration and thermomigration was performed. For the stress tests Packageon Package structures are used. The final result is a general model for the IMCformation in solder joints. Combined with a Finite Element Analysis (FEA) this modelis used to predict the IMC formation in solder joints for a broad range of boundaryconditions. In future the model of the IMC formation can be used to optimize a TLPSprocess.

Ce travail a pour objectif d’élaborer de manière contrôlée différentes microstructures de (K0,5Na0,5)NbO3 non dopées par différentes mises en forme, bien caractérisées structuralement et microstructuralement, afin d’étudier et d’éclaircir l’influence de la densification et de la taille des grains sur les propriétés piézoélectriques. Il s’agit pour cela de produire des microstructures, avec une composition maitrisée, ayant d’abord des grains de taille micrométrique, ensuite millimétrique et enfin si possible des grains centimétriques de KNN et d’atteindre des densifications allant de 80 % à plus de 95 %. Au-delà de l’ingénierie des microstructures de KNN, l’obtention de monocristaux du composé (K0,5Na0,5)NbO3 de plusieurs mm3, de bonne qualité cristalline et bien caractérisés structuralement et microstructuralement permettrait de caractériser l’ensemble des tenseurs élastiques, diélectriques et piézoélectriques ainsi que de valider des méthodes de caractérisation originales développées au sein du laboratoire GREMAN. / The purpose of this work is to elaborate different controlled microstructures of undoped (K0,5Na0,5)NbO3 by different methods, with full structural and microstructural characterization in order to study and to elucidate the influence of the densification and grain size effect on the piezoelectric properties. For this, it is necessary to produce KNN microstructures with controlled composition, starting with micrometer grain size, then millimeter and if possible centimeter grain size and to attain densification ranging from 80 % up to 95 % of the theoretical one. Beyond the KNN microstructure engineering, the growth of large (K0,5Na0,5)NbO3 single crystals about several mm3 with good crystallinity and full structural and microstructural characterization would enable the elastic, dielectric and piezoelectric tensors to be fully characterized as well as to validate the original characterization methods developed within the GREMAN laboratory.

Le besoin pressant de substitution du plomb dans les alliages de soudure a conduit à une introduction très rapide de nouveaux alliages sans plomb dont la connaissance en termes de comportement n'est pas assez approfondie. En effet, d'autres problématiques sont apparues (l'augmentation de la température du procédé de soudage, trop grand choix disponible dans les alliages alternatifs) alors que les problèmes relatifs aux alliages actuels sont restés sans réponse (le changement incessant de la microstructure des alliages de soudure, la méthodologie empirique prédisant la durée de vie). Tous les paramètres cités ci-dessus modifient la stabilité et la fiabilité des performances spécifiques de l'alliage de soudure et par conséquence, de tout le module électronique.De plus, avec la miniaturisation de l'électronique et les conditions d'environnement de plus en plus sévères, ces obstacles deviennent critiques et les solutions actuelles ne sont plus compatibles. Les demandes de ce marché deviennent donc de plus en plus strictes en termes de prédiction de durée de vie et de contrôle de fiabilité.L'objectif de ce projet est de comprendre et de concevoir une nouvelle formulation d'alliage sans plomb afin de développer une alternative à l'alliage plombé haute température et un alliage pour les applications haute fiabilité et en accord avec les directives gouvernementales. Des approches expérimentales avancées comme la nano-indentation, le suivi de l'évolution de la microstructure par SEM et par EDS mapping, l'étude des effets du vieillissement thermique sur la croissance de la taille des grains avec de la lumière croisée polarisée de microscopie optique etc seront utilisées pour développer un alliage sans plomb qui convienne aux exigences des applications automobile et pipeline / The urgent need for removing lead from solder alloys led to the very fast introduction of lead-free solder alloys without a deep knowledge of their behaviour. As a consequence, additional issues raised (increased thermally induced problems during soldering process, a too wide range of possible available alternative alloy formulations), while problems related to current solder alloys remained unsolved (the constant change of the solder alloy microstructure, empirical predicting lifetime methodology). All the above mentioned issues alter stability and reliability of the application specific performances of the solder alloy, and subsequently of the whole electronic module. These problems become critical and are no longer compatible, as the market goes towards miniaturization and harsh environment conditions. These market trends now require stricter life time prediction and reliability control. Objective of this project is to understand and design a novel lead-free solder formulation to develop a potential alternative to lead-based high temperature melting point solder for high reliability requirements and in accordance with governmental directives. An advanced experimental approach like nanoindentation, microstructure evolution with SEM and EDS mapping, thermal aging effects on continuous grain size growth with cross polarized light of optical microscopy etc. would be implemented to develop doped-SAC lead-free solders for the best-fit to requirements in automotives and pipelines applications