Alternatives à la micro-section mécanique

Par conséquent, j’ai dû développer une nouvelle approche, évitant le polissage mécanique. La seule méthode pour obtenir une micro-section sans polissage mécanique est la gravure ionique.

La plupart des laboratoires d’analyse de défaillance sont aujourd’hui équipés de FIB. Comme il a été dit dans le chapitre 1, cette méthode est lente et très localisée. Elle permet d’analyser de petites surfaces en coupe de l’ordre en moyenne de 20µm de large pour 10µm de profondeur. Or, ces dimensions ne sont pas compatibles avec celles du TO-220 qui a une épaisseur de 4,5 mm et une largeur de 10mm.

Une première étape de préparation s’est donc avérée nécessaire pour réduire

l’épaisseur du composant et s’affranchir de la limite de profondeur de la coupe

FIB. L’objectif étant d’observer la brasure, l’amincissement du composant a consisté à se rapprocher au plus près de la brasure.

L’attaque chimique humide de la résine du boitier et ensuite du dissipateur en cuivre a été considérée comme la solution la plus adaptée. Ces deux attaques sont sélectives et permettent d’atteindre avec facilité la face arrière de la brasure en la gardant intègre. La solution utilisée pour le retrait de la résine du boitier (acide nitrique fumant et acide sulfurique) et l’attaque du cuivre (acide nitrique fumant à température ambiante avec quelques gouttes d’eau) préservent la brasure et la céramique.

La figure 74 permet de voir l’état du composant aux différentes étapes de cette première préparation.

A. B.

Figure 74: A. Vue de la face avant du composant après retrait de la résine

(après découpe d’un quart du boitier)

B. Vue de la face arrière de la brasure située entre la céramique et le dissipateur (le dissipateur ayant été retiré)

Les lignes horizontales observées sur la figure 74 B., correspondent à des dômes de brasure liés à la présence de rainures sur le dissipateur en cuivre. Ces rainures ont pour but d’ancrer la brasure dans le dissipateur, pour éviter une rotation involontaire de la céramique et pour évacuer le flux (et donc minimiser les manques de brasure).

Grâce à cette première préparation, la coupe FIB peut être aisément réalisée sur l’épaisseur de la brasure avec une profondeur de coupe de l’ordre de 30µm.

La seconde limite du FIB est sa largeur de coupe. Il n’est pas possible par cette technique de réaliser une coupe sur toute la largeur de la brasure. Cependant, en

choisissant les zones de coupe en fonction de l’image acoustique et des dégradés de gris, il a été possible de valider la différence de structure des différentes zones.

En effet, comme le montre la figure 75, il a été possible de corréler la

présence de fissures avec l’hétérogénéité des images acoustiques. Cette figure

montre une coupe réalisée à la limite d’une zone suspectée fissurée et d’une zone suspectée non fissurée en lien avec l’image acoustique. Il apparait que des fissures sont bien détectées dans les zones claires de l’image acoustique et qu’aucune fissure n’est présente dans les zones grises de l’image. Ces résultats confirment donc la présence de fissures dans l’étage de brasure le plus contraint et valident donc le

mécanisme de défaillance. Les images acoustiques révèlent bien la présence de fissures.

A. B.

C.

Figure 75: Coupe FIB à la limite d’une zone fissurée et d’une non fissurée dans le joint de soudure en lien avec l’image SAM

A. Image acoustique avant retrait du boitier et du dissipateur (sur un quart du boitier)

B. Observation MEB de la brasure après retrait du boitier et du dissipateur et localisation de la coupe FIB (sur un quart du boitier)

C. Observation de la fissure

Nous avons validé cette corrélation entre image acoustique et fissures sur une dizaine de pièces. Nous confirmons que pour l’ensemble des tests, les images

acoustiques peuvent être utilisées directement pour déterminer une surface de brasure fissurée et la lier à la mesure de résistance thermique Rthj-c réalisée en amont de l’analyse. La figure 76 représente ce résultat pour ∆Tcase = 60°C.

Figure 76: Pourcentage de surface fissurée en fonction de la variation de Rth(j-c)

pour Tcase = 60 °C

3.5 Synthèse par rapport à l’étude de cas et généralisation

Le développement d’une nouvelle approche pour l’observation de fissures dans la brasure en contact avec la céramique des TO220 isolés a permis de valider le mécanisme de défaillance des TRIAC pendant le cyclage de puissance. La méthode standard ne permettait pas d’apporter cette confirmation. Grâce à la nouvelle approche développée, les fiabilistes ont pu utiliser directement les images acoustiques pour montrer l’évolution de la zone fissurée en fonction de la Rth(j-c) qui évolue elle-même en fonction du nombre de cycles. Ces résultats sont à la base de la création d’un modèle de prédiction de durée de vie pour les TRIAC [AUB11].

Cette étude de cas révèle la difficulté que peut générer le polissage mécanique en micro-section sur des structures complexes avec des matériaux de dureté très différente comme un TO-220 isolé. De manière plus générale, cette limite de préparation d’échantillon pourra être retrouvée pour l’analyse de tout boitier isolé,

dès lors que l’observation en coupe d’une couche de brasure en contact avec la

céramique sera nécessaire.

Comme présenté dans le chapitre 1, le polissage dépend de la dureté et de la ductilité des matériaux. Les alliages des brasures pouvant varier, leurs propriétés mécaniques se modifient aussi. Ainsi, il se peut que, pour un autre alliage, le polissage mécanique soit moins complexe et permette l’observation de la brasure. Pour une analyse avec plusieurs composants, il est donc conseillé d’essayer, sur un premier

composant, la micro-section par polissage mécanique. Si de bons résultats ne sont pas atteints, alors la méthode présentée ici combinant l’attaque chimique et

la coupe FIB doit être utilisée. Cette méthode est intéressante, mais elle est plus

longue qu’un polissage mécanique et ne doit être utilisée que lorsque ce dernier ne

fonctionne pas.

Si la zone d’intérêt à observer par micro-section n’est pas en contact avec la céramique, alors un polissage mécanique peut être utilisé avec des disques adéquats (de dureté suffisante pour conserver la planéité de la micro-section).

Ainsi, des modifications sont à apporter à la méthodologie standard pour intégrer la nouvelle approche de préparation d’échantillon pour les analyses de brasure de boitiers isolés. Celles-ci seront présentées dans le chapitre 3.

Dans cette partie nous avons montré que la méthodologie utilisée de manière standard peut atteindre ses limites même sur des produits de technologie mature. Les empilements hétérogènes rendent difficile l’étape de polissage mécanique qui peut comme dans le cas étudié créer des artéfacts et empêcher la compréhension d’un mécanisme de défaillance.

Avec la méthode présentée, il est dorénavant possible d’avoir une approche alternative pour observer la coupe d’un composant lorsque les artéfacts de polissage deviennent trop gênants pour la résolution de l’analyse.

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