Des essais d’assemblage de « puces » d’alumine dorée ont été effectués par traitement thermique des précurseurs sous atmosphère partiellement hydrogénée (3,9% vol. H2/N2) (cf.
II.6.1). Du fait de la difficulté à formuler une crème à base de formiate de bismuth (cf. V.6.1) ou à mettre simplement en suspension le formiate de bismuth dans l’alcool sans l’hydrolyser partiellement (V.4), le choix a été fait de compacter la poudre de précurseur sous forme de disques de 5 millimètres de diamètre. Ces compacts de formiate de bismuth s'apparentent aux préformes parfois utilisées dans le domaine du brasage. Ils ont été placés entre une puce et un substrat d’alumine dorée.
Les empilements ont été traités à différentes températures (Tmax = 200°C, 220°C, 250°C, 280°C)
afin de suivre l’évolution du matériau d’assemblage et d’étudier l’influence de la température sur les caractéristiques des assemblages. Un profil en température inspiré des travaux de K. Kiryukhina104 sur l’oxalate d’argent, a été appliqué (Figure V.21) : la montée en température a
lieu en deux étapes (vitesse de 3°C/min jusqu’à 120°C puis 6°C/min jusqu’à Tmax) et un palier
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bismuth est à l’origine d’une contraction verticale qui a été suivie par dilatométrie (Figure V.21). Cette variation d’épaisseur commence à 200°C et sa valeur dépend de la température Tmax à laquelle le palier est effectué. Des retraits de 43% et 60% ont été enregistrés pour les
traitements effectués à 200 et 220°C respectivement. Pour les traitements à plus haute température, une deuxième variation d’épaisseur de 25% est observée entre 250 et 260°C. Elle est associée à un écoulement du produit métallique liquide en dehors de l’espace compris entre les deux surfaces dorées (Figure V.23.a). Cette gamme de température représente un abaissement significatif vis-à-vis du point de fusion du bismuth massif, pourtant mesuré à 271°C dans le cas des particules métalliques issues de la décomposition du formiate de bismuth (Figure V.13.a).
Figure V.21 : Courbes de dilatométrie associées aux différents essais d’assemblage à partir de formiate de bismuth Profils de température appliqués pour les essais d’assemblage à partir de formiate de bismuth
Sachant que le diagramme Au-Bi présente un eutectique à 241°C pour une proportion de 87 at.% de bismuth214–216 (Figure V.22), il est probable que l’interface or-bismuth soit à l’origine d’un phénomène de fusion à une température inférieure à Tfbulk(Bi). Cela a ainsi entraîné le
passage à l’état liquide de la majorité du bismuth présent dans l’assemblage. Malgré l’écoulement constaté pour les températures de traitement de 250 et 280°C, tous les échantillons étaient solidement assemblés à la sortie du four.
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Figure V.22 : Diagramme de phase Or-Bismuth216. L’eutectique est noté « e »
L’observation par radiographie X a révélé les différences de densité de matière à l’intérieur des assemblages (Figure V.23.b). Les échantillons traités à 200 et 220°C montrent qu’un frittage du bismuth a eu lieu sans atteindre la densité caractéristique du métal massif. L’observation des échantillons traités à plus haute température (250 et 280°C) permet de confirmer qu’une partie de la matière a quitté la zone d’assemblage par écoulement pour former des blocs métalliques denses. Le bloc n’est pas visible pour le deuxième échantillon traité à 280°C car il s’est décollé de la surface.
Figure V.23 : Observation des échantillons assemblés à partir de formiate de bismuth : photo d’un échantillon ou le bismuth a fritté et d’un échantillon ou le mélange or/bismuth a fondu (a), images par radiographie X (b)
Un des échantillons assemblés par frittage à 220°C a été analysé au microscope optique et au MEB après microsection (Figure V.24). Les observations ont mis en évidence la porosité du réseau de bismuth formé par décomposition du formiate de bismuth. Le joint fritté en bismuth a une épaisseur de 95 microns. L’analyse de composition de l’échantillon a permis de distinguer l’alumine, la couche de métallisation à l’or de 5-6 microns et le bismuth poreux (Figure V.25).
e
e
220 C
200 C 250 C 280 C
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Figure V.24 : Observation en coupe d’un échantillon assemblé à 220°C à partir de formiate de bismuth : au microscope optique (a), au MEB (b)
Figure V.25 : Ligne de profil et analyse de composition à l’interface entre l’alumine dorée et le bismuth poreux
La résistance au cisaillement des échantillons assemblés a été mesurée et comparée à la norme MIL-STD-883105 qui fixe des critères de test pour l’électronique spatiale. Pour une surface brasée de 16 mm², un échantillon est accepté s’il résiste à une charge de 5 kg. Cinq échantillons ont passé ce seuil et trois d’entre eux ont résisté à la charge maximale de 10 kg du premier essai effectué (Tableau V.5). Ils ont donc été soumis à un deuxième test avec une charge maximale de 20 kg. Des valeurs de résistance au cisaillement des assemblages, comprises entre 11 et 13 kg, ont été obtenues. Les trois meilleurs résultats ont donc été obtenus pour des échantillons assemblés à basse température (200 et 220°C). Cela signifie que le frittage du bismuth a permis d’assurer la cohésion de l’assemblage. On peut supposer que l’écoulement d’une partie de la matière, dans le cas des échantillons où la fusion a eu lieu, a pu fragiliser les assemblages et fausser les résultats de cisaillement. L’analyse MEB/EDX des échantillons décollés a montré que la fusion à l’interface or/bismuth avait dissous une partie de la couche d’or, dénudé le substrat et révélé la couche inférieure de TiW liée au procédé de métallisation du fabricant.
Al2O3 Al2O3 Au Bi Al2O3 Al2O3 Au Bi
(a)
(b)
Au
Bi
Al
2O
3Au
Bi
Al
2O
3164
Cela indique une interaction forte du bismuth avec la finition or, au-delà d’une certaine température de traitement.
Tableau V.5 : Mesure de la résistance au cisaillement des assemblages à base de formiate de bismuth
Echantillon Température
d’assemblage
Masse maximale supportée en cisaillement (kg) 10 kg max 20 kg max 1 200°C 3,7 - 2 10,0 13,0 3 220°C 10,0 10,9 4 10,0 12,8 5 250°C 1,2 - 6 2,9 - 7 280°C 8,8 - 8 6,1 -
Ces résultats montrent la possibilité d’utiliser la décomposition contrôlée du formiate de bismuth pour réaliser de petits assemblages. Il est important de souligner que le contact entre les particules a été favorisé par la mise en forme de disques de poudre compactée. Un travail complémentaire sur la mise en suspension du précurseur dans un liquide sans eau faciliterait la manipulation et le dépôt du produit et permettrait d’envisager des épaisseurs d’assemblage plus faibles. Des finitions autres que l’or pourraient également être envisagées. Par ailleurs, l’utilisation d’un précurseur de bismuth seul sera limitée par les propriétés physiques du bismuth. Les faibles conductivités électriques et thermiques de ce métal ne lui permettent pas d’être utilisé comme unique constituant d’un matériau d’assemblage. Le bismuth est utilisé dans des proportions variables dans les alliages sans plomb (en tant qu’additif ou bien élément majoritaire dans les brasures SnBi et BiAg, cf. I.1.2.1 et I.1.4).
Ainsi, dans l’optique d’exploiter le potentiel du formiate de bismuth en tant que matériau d’assemblage, des essais ont été effectués pour montrer que le produit métallique issu de la décomposition pouvait s’allier à d’autres éléments métalliques.