Fatigue thermomécanique des joints de brasure
Durabilité thermomécanique des assemblages électroniques sans plomb

1 - L'assemblage électronique

• 1.1 - Le composant électronique
  Figure 2 - Exemples de boîtiers utilisés pour les circuits intégrés : structure interne et principaux matériaux (liste non exhaustive) Figure 3 - Représentation schématique de l’évolution des technologies de boîtiers (ou packaging)
• 1.2 - Le circuit imprimé
  Figure 4 - Exemple d’empilement de circuit imprimé à 6 couches de cuivre avec ses différents vias et matériaux Figure 5 - Schématisation d’un stratifié/préimprégné constitué de résine époxyde renforcée par un tissu de verre Figure 6 - Images au microscope optique de différents tissus de verre [1] Figure 7 - Exemple d’empilement de circuit imprimé à six couches de cuivre internes avec des préimprégnés et stratifiés constitués de différents tissus de verre (le pourcentage massique de résine correspondant est également indiqué) [2] Tableau 1 Tableau 2
• 1.3 - L'alliage de brasure
  Figure 8 - Identification des interconnexions de 1er et 2d niveau Tableau 3
• 1.4 - Procédé d’assemblage par refusion
  Figure 9 - Exemple de profil de brasage par refusion pour l’alliage SAC305 : le composant est déposé sur la pâte à braser avec le mélange constitué de microbilles d’alliage et du flux décapant avant refusion (schéma de gauche) et un joint brasé est obtenu après refusion (schéma de droite)

2 - Fatigue thermomécanique des joints de brasure

• 2.1 - Comportement des assemblages électroniques lors de cycles thermiques
  Figure 10 - Régimes de fatigue rencontrés dans le cas des défaillances des assemblages électroniques. (Les valeurs de l'axe des ordonnées n'ont pas de signification physique ici ; il s'agit d'une courbe fictive à vocation illustrative) Figure 11 - Représentation schématique unidirectionnelle du comportement thermomécanique d’un assemblage électronique au cours d’un cycle thermique et courbes d’hystérésis contrainte-déformation en cisaillement correspondant à l’alliage SAC305 [4] (le paramètre S désigne la surface à travers laquelle se propage la fissure de fatigue au cours des cycles thermiques)
• 2.2 - Description de la méthodologie d’évaluation de la durée de vie thermomécanique des brasures
  Figure 12 - Représentation schématique d’un cycle thermique avec ses principales caractéristiques Figure 13 - Méthodologie permettant de développer un modèle de fatigue pour l’évaluation de la durée de vie thermomécanique de joints brasés

3 - Données d’entrée pour le calcul de la durée de vie thermomécanique des brasures

• 3.1 - Propriétés matériaux du circuit imprimé et des composants électroniques
  Figure 14 - Définition de l’EVR à partir de la structure du composite tissé Figure 15 - Définition d’un EVR simplifié Figure 16 - (a) Représentation 3D de l’EVR simplifié et (b) exemple de coupe micrographique présentant des couches isolantes constituées de tissus 7628 Figure 17 - Évolution du module d’Young en fonction de la température de différents stratifiés avec des tissus distincts (exemple avec une résine fictive dont le module d’Young varie de 2 500 MPa à − 55 °C, jusqu’à 1 600 MPa à 125 °C) Figure 18 - Exemple d’un empilement fictif à 6 couches de cuivre avec ses couches de cuivre représentatives (CCR) associées (tr : taux de remplissage en cuivre) Figure 19 - Évolution du coefficient d’expansion thermique moyenné dans les directions chaîne et trame des circuits imprimés en fonction de la température et du nombre de couches de cuivre Figure 20 - Construction des composants avec leurs principaux matériaux Figure 21 - Coefficient d’expansion thermique de l’alumine en fonction de la température [7] Figure 22 - Dimensions des éléments constitutifs d’un composant BGA et position des joints de brasure critiques Figure 23 - (gauche) Cisaillement local du substrat PCB dû à l’effet de retenue de la puce au cours des cycles thermiques et (droite) évolution du CTE du plan de base du BGA en fonction de l’épaisseur du substrat PCB, avec et sans cisaillement
• 3.2 - Lois de comportement inélastique de l’alliage de brasure
  Tableau 4 Tableau 5 Tableau 6 Tableau 7
• 3.3 - Profil de vie de l’assemblage électronique
  Tableau 8

4 - Microstructure de l’alliage de brasure SAC305

• 4.1 - Microstructure après assemblage par refusion
  Figure 24 - Microstructure de l’alliage SAC305 après assemblage par refusion Figure 25 - Billes de BGA en alliage SAC305 observées en lumière polarisée
• 4.2 - Évolution de la microstructure au cours des cycles thermiques
  Figure 26 - Mécanismes d’endommagement mis en jeu lors de la fatigue thermomécanique des brasures SAC305 Figure 27 - Observation du phénomène de recristallisation Figure 28 - Évolution de la texture cristallographique des interconnexions SAC305 après cyclage thermique. Cartographies EBSD et figures de pôle associées correspondant aux joints de brasure SAC305

5 - Modèles de durée de vie thermomécanique

• 5.1 - Analyse statistique des données en durée de vie par la loi de Weibull à deux paramètres
  Figure 29 - Exemples de fonctions de répartitions pour différentes valeurs de η et β Figure 30 - Exemples de droites de Weibull décrivant la distribution des temps à défaillance pour des composants WLP et résistifs [31]
• 5.2 - Modèles de fatigue analytiques
  Figure 31 - Courbes de relaxation de contraintes en cisaillement pour l’alliage SAC305 à différentes températures Figure 32 - Illustration du comportement thermomécanique unidirectionnel d’un assemblage électronique, prenant en compte l’effet de retenue du composant et du circuit imprimé, ainsi que la flexion Figure 33 - Modélisation éléments finis permettant de mettre en évidence l’effet de la matrice de bille d’un WLP sur l’angle de cisaillement de la bille de brasure critique en coin de composant (entourée en rouge et vert sur les images) Figure 34 - Modélisation réelle du joint de brasure (exemple d’une bille de BGA) Figure 35 - Modèle de fatigue thermomécanique correspondant à l’alliage SAC305 Figure 36 - Validation du modèle de fatigue thermomécanique à partir de données issues de la littérature : CLCC [43], WLP et BGA [44-46] et résistances [47] Tableau 9 Tableau 10
• 5.3 - Modèles de fatigue numériques par simulations éléments finis
  Figure 37 - Modélisations simplifiées d’un assemblage électronique composé d’un composant BGA carré Figure 38 - Exemple de modélisation submodeling pour un assemblage BGA [48] Figure 39 - (a) Coupe micrographique d’une bille de brasure montrant le site d’initiation de la fissure. (b) Cartographie des déformations calculées par simulations éléments finis Figure 40 - (a) Image EBSD permettant d’évaluer le volume de brasure recristallisée (l’échelle colorée correspond à la taille des grains d’étain en µm). (b) Cartographie de la densité d’énergie de déformation inélastique élémentaire calculée par simulation éléments finis Figure 41 - Courbe de fatigue thermomécanique correspondant à l’alliage SAC305 Tableau 11
• 5.4 - Exemple de fonction de répartition d’une carte électronique
  Figure 42 - Fonctions de répartition correspondant aux différents composants brasés sur la carte : influence du nombre de composants Figure 43 - Fonction de répartition de la carte fictive (notée « PCBA » dans la légende) Tableau 12 Tableau 13

6 - Conclusion

7 - Sigles, notations et symboles