Présentation et analyse des résultats de mesures d’épaisseurs des phases à 250°C

a) Présentation des résultats

Les résultats des mesures d’épaisseurs des phases -Cu3Sn et -Cu6Sn5 pour les échantillons traités à 250°C sont donnés dans les tableaux 4.4-a et 4.4-b dans le cas du cuivre électrodéposé avec additifs et sans additifs (Cu-SA) respectivement. Comme déjà mentionné au début de ce chapitre, on considère les deux interfaces (inférieure et supérieure) comme indépendantes et de ce fait on a reporté dans les tableaux 4.4-a et 4.4-b les épaisseurs des phases -Cu3Sn et -Cu6Sn5 formées à ces interfaces. Les valeurs de l’épaisseur moyenne de l’alliage SnAg non consommé sont également reportées dans ces tableaux. Les valeurs des épaisseurs sont mesurées en général pour la même série d’échantillons, par exemple deux mesures effectuées sur deux plots différents d’un même échantillon puce/substrat assemblé. Néanmoins, dans le cas de l’échantillon 5+15µm SnAg traité à 250°C pendant 2h et 4h, les mesures des épaisseurs reportées ont été effectuées sur deux plots provenant de deux séries différentes.

Lorsque l’alliage SnAg est consommé totalement, les couches supérieures et inférieures de la phase -Cu6Sn5 en font une seule couche - voir par exemple la figure 4.2-d (échantillon 5+15, 4h à 250°C). Dans ce cas, la valeur de l’épaisseur reportée est égale à la moitié de l’épaisseur totale de , c’est-à-dire celle correspondant à une des interfaces (supérieure ou inférieure). Il faut noter cependant que ces échantillons ne peuvent plus être considérés comme appartenant au couple de diffusion Cu/SnAg liquide car l’alliage SnAg est consommé totalement avant la fin de l’expérience. De ce fait, l’épaisseur de la phase -Cu6Sn5 commence à diminuer à partir du moment où SnAg est totalement consommé (voir figure 3.5).

113

e

SnAg (µm)

5+15 5+10 15+0*

t (h) 𝜀 (µm) 𝜂 (µm) _{Sn_r/2} (µm) 𝜀 (µm) 𝜂 (µm) _{Sn_r/2} (µm) 𝜀 (µm) 𝜂 (µm) _{Sn_r/2} (µm 𝜀inf 𝜀sup 𝜂inf 𝜂sup 𝜀inf 𝜀sup 𝜂inf 𝜂sup 𝜀inf 𝜀sup 𝜂inf 𝜂sup

0 0,6 0,7 1,9 2,1 7,5 0,6 0,7 1,7 1,9 6,1 0,5 0,7 1,8 2,7 5,6 0 - - - - - - - - - - 0,7 0,7 2,4 2,5 5,2 1 2,0 2,0 6,0 5,8 3,8 1,8 2,1 4,3 5,6 2,5 1,6 1,8 5,1 4,9 3,3 1 2,2 2,0 4,5 5,0 4,9 2,1 1,8 4,2 1,3 1,7 2,2 4,6 4,6 4,1 2 1,2 1,6 3,6 6,3 6,4 - - - - - - - - 2 1,8 1,5 7,4 4,5 _{4,6 - - - -} - - - - 4 2,0 1,8 7,0 _2,5 - - - - - - - - 4 1,6 1,9 7,0 _2,6 - - - - - - - -

Tableau 4.4-a : Valeurs mesurées des épaisseurs de phases ,  et SnAg résiduel (Sn_r) après différents maintiens isothermes à 250°C, Cu avec additif. *Reflow avant assemblage. Les épaisseurs des phases ont été mesurées sur deux plots de la même série sauf pour les échantillons 5+15µm SnAg à 2h et 4h pour lesquels il y a eu deux séries d’expérience. L’épaisseur de SnAg

reportée correspond à la moitié de l’épaisseur totale de la couche de SnAg résiduel (non consommé).

e

SnAg (µm)

15+0*, Cu-SA 15+15*, Cu-SA

t (h) 𝜀 (µm) 𝜂 (µm) _{Sn_rest/2} (µm) 𝜀 (µm) 𝜂 (µm) _{Sn_r/2} (µm) 𝜀_𝑆𝑢𝑝 𝜀_𝐼𝑛𝑓 𝜂_𝑠𝑢𝑝 𝜂_𝐼𝑛𝑓 𝜀_𝑆𝑢𝑝 𝜀_𝐼𝑛𝑓 𝜂_𝑠𝑢𝑝 𝜂_𝐼𝑛𝑓 0 ^{0,6 0,7 2,5 2,7 3,1 0,8 0,8 2,9 2,6 10,2} 1,0 0,7 2,9 2,3 4,0 0,8 0,7 2,7 2,6 10,3 1 ^{2,4 2,0 6,2 6,2 1,7 2,6 2,4 6,0 6,2 6,1} - - - - - 2,8 2,2 6,0 6,4 5,8 4 ^{- - - - - 4,4 3,1 11,4 12,3 4,9} - - - - - 3,7 4,2 13,3 1,9

Tableau 4.4-b : Valeurs mesurées des épaisseurs de phases ,  et SnAg résiduel (Sn_r) après différents maintiens isothermes à 250°C, Cu sans additifs (Cu-SA). *Reflow avant assemblage. L’épaisseur de SnAg reportée correspond à la moitié de l’épaisseur totale de la couche de SnAg résiduel (non consommé).

b) Analyse des résultats

Les mesures d’épaisseur des différentes phases présentées dans les tableaux 4.4-a et 4.4-b montrent une dispersion non négligeable. Cette dispersion n’est certainement pas due à l’erreur de mesure de l’épaisseur par ImageJ qui est inférieure à 10% (voir section précédente 1.2.2).

Une analyse simple des valeurs des épaisseurs de la phase -Cu6Sn5 montre très clairement que, pour le même plot, l’épaisseur des phases aux interfaces inférieure et supérieure est différente. Souvent cette différence est relativement faible (< 0,3µm) mais parfois elle est très importante (~3µm). Ainsi par exemple pour l’échantillon 5+15µm à 2h (voir figure 4.2-c), les épaisseurs de la phase  inférieure et supérieure sont respectivement égales à 3,3 et 6,3µm pour un plot et 7,4 et 4,5µm pour un autre plot. Cette très grande différence ne peut évidemment pas être due aux erreurs de mesure par ImageJ qui sont relativement faibles. Elle pourrait être expliquée par exemple par le fait que l’aire occupée

114 par la phase -Cu6Sn5 sur une section transversale du joint dépend fortement du plan de coupe. En effet, l’épaisseur de la phase  n’est pas du tout uniforme et cette phase est constituée de scallops dont les largeurs sont souvent du même ordre de grandeur que la taille du plot (par exemple 4 à 5 scallops sur toute la longueur du plot sur la figure 4.2-c). De ce fait, pour les plans de coupe qui passent sur les sommets de plusieurs scallops l’aire de la phase  sera élevée alors que pour les plans de coupe qui passent plutôt par plusieurs vallées, son aire sera plutôt faible. Cette différence peut être plus ou moins importante en fonction de la répartition latérale de ces scallops.

Il y a donc une dispersion non négligeable des résultats expérimentaux concernant l’épaisseur de la phase -Cu6Sn5. Cependant, pour la phase -Cu3Sn, la dispersion des résultats expérimentaux est relativement faible comparée à celle de la phase  et elle est du même ordre de grandeur que les erreurs de mesures par ImageJ. Ceci est principalement dû au fait que la phase  est relativement homogène en épaisseur. Les mêmes remarques restent valables pour les échantillons avec Cu électrolytique sans additif (Tableau 4.4-b).

À ce stade, il est donc difficile d’affirmer aisément s’il y a une influence notable de l’épaisseur initiale de l’alliage SnAg ou du Cu électrolytique (avec ou sans additifs) sur l’épaisseur des phases -Cu3Sn et -Cu6Sn5 formées aux interfaces Cu/SnAg à 250°C.

Afin d’évaluer au mieux l’épaisseur des phases  et , on calcule leurs valeurs moyennes à partir de plusieurs valeurs mesurées pour un couple de diffusion donné (épaisseur initiale de SnAg et Cu avec ou sans additif). Ces valeurs calculées sont reportées dans les tableaux 4.5-a et 4.5-b. L’indice donne le nombre de mesures effectuées pour le calcul de la valeur moyenne.

e

SnAg (µm)

5+15 5+10 15+0*

t (h) 𝜀 𝜂 𝜀 𝜂 𝜀 𝜂

0

0,6₂±0,1 2,0₂±0,1 0,7₂±0,1 1,8₂±0,1 0,6₄±0,1 2,3₄±0,5

1

2,14±0,1 5,34±0,3 2,04±0,1 4,63±1,1 1,84±0,4 4,84±0,3

2

1,54±0,3 5,44±2,1 - - - -

4

1,8₄±0,2 7,0₂±0,1 - - - -

Tableau 4.5-a : Valeurs moyennes des épaisseurs de phases ,  et SnAg après différents maintiens isothermes à 250°C calculées à partir de plusieurs mesures de l’épaisseurs moyenne des phases données dans le tableau 3a. L’indice indique le

nombre de mesures pour le calcul de l’épaisseur moyenne. Cu avec additif. *Reflow de billage avant assemblage.

e

SnAg

(µm)

15+0*, Cu-SA 15+15*, Cu-SA

t (h) _{ε (µm) η (µm) ε (µm) η (µm)} 0 0,84^±0,2 2,64^±0,3 0,84^±0,1 2,74^±0,2 1 2,22^±0,2 6,22^±0,1 2,44^±0,4 6,24^±0,2 2 - - - - 4 - - 3,94^±0,7 12,63^±1,2

Tableau 4.5-b : Valeurs moyennes des épaisseurs de phases ,  et SnAg après différents maintiens isothermes à 250°C calculées à partir de plusieurs mesures de l’épaisseurs moyenne des phases données dans le tableau 3a. L’indice indique le

115 c) Confrontation des résultats expérimentaux d’épaisseurs des phases avec un bilan de masse Afin de confronter ces mesures d’épaisseur avec un bilan de masse du système Cu/SnAg on compare la consommation effective de l’étain dans les expériences de maintien isotherme à 250°C avec celle calculée à partir des épaisseurs mesurées d’intermétalliques Cu3Sn et Cu6Sn5. De plus on compare l’épaisseur visée de Cu déposé avec la somme de l’épaisseur mesurée de Cu résiduel et de l’épaisseur du Cu consommé (calculée à partir des épaisseurs mesurées d’intermétalliques Cu3Sn et Cu6Sn5). Sur la figure 4.9-a, un schéma de l’évolution du système Cu/SnAg au cours du temps est donné. Sur cette figure les effets de bord et les défauts volumiques sont négligés. Afin de simplifier les calculs, on néglige la présence de l’Ag dans le système (ce point a été déjà discuté auparavant - voir introduction de la section 1). De plus, afin de bien visualiser l’évolution du système Cu/Sn et surtout le déplacement des différentes interfaces, on considère des interfaces idéalement planes comme présenté sur la figure 4.9-b.

Figure 4.9 : Evolution schématique du système Cu/SnAg montrant la formation des scallops de la phase Cu6Sn5, la couche continue de Cu3Sn et les précipités d’Ag3Sn au sein de l’étain (a). Evolution schématique du système Cu/Sn en considérant

des interfaces idéalement planes (b). Dans les deux cas les effets de bord et les défauts volumiques sont négligés.

Les variations des épaisseurs (e) d’étain et de cuivre consommés, en fonction des épaisseurs des phases interfaciales ε-Cu3Sn et η

-

Cu6Sn5 formées, sont données par les équations suivantes (voir section 1.2, chapitre 3) :

𝑒_𝑆𝑛 = 0,47 × 𝑒_{𝐶𝑢3𝑆𝑛}+ 0,69 × 𝑒_{𝐶𝑢6𝑆𝑛5} 𝑒_𝐶𝑢 = 0,61 × 𝑒_{𝐶𝑢3𝑆𝑛}+ 0,36 × 𝑒_{𝐶𝑢6𝑆𝑛5}

Dans le tableau 4.6 sont reportées les valeurs mesurées des épaisseurs de Cu et Sn résiduels (Cu_r et Sn_r) et celles calculées (Cu* et Sn*) à partir des épaisseurs des phases 𝜀 et 𝜂 à 250°C dans le cas de l’expérience avec des épaisseurs initiales visées de Cu et Sn respectivement égales à 45µm (22,5*2) et 15µm (15+0). Le même tableau de calcul de bilan de masse pour les autres configurations à 250°C est donné en annexes 4.1.

116 temps (h) 𝑒_ε mesurée 𝑒_η mesurée 𝑒_𝑆𝑛∗ (calcul) 𝑒_{𝑆𝑛_𝑟} mesurée 𝑒_{𝑆𝑛_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒} (calcul) 𝑒_{𝐶𝑢_𝑟} mesurée 𝑒_𝐶𝑢∗ (calcul) 𝑒_{𝐶𝑢,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} (calcul) 0 1,2 4,5 3,7 11,1 14,8 2,4 45,2 47,6 0 1,4 4,8 4,0 10,3 14,3 2,6 44,9 47,5 1 3,4 9,9 8,5 6,6 15,1 5,7 38,5 44,2 1 3,9 9,3 8,2 8,2 16,4 5,8 39,9 45,7

Tableau 4.6 : Calculs des épaisseurs de Sn et Cu consommés lors des maintiens isothermes à 250°C (voir texte). Echantillons avec épaisseur initiale visée de Sn égale à 15µm (15+0) et celle de Cu électrodéposé avec additif égale à 45µm (2x22,5µm)

Malgré les erreurs de mesure des épaisseurs des phases (surtout celle de la phase -Cu6Sn5), les résultats présentés dans le tableau 4.6 montrent que les valeurs calculées de l’épaisseur totale de Sn, variant entre 14,3 et 16,4µm (15,4 1µm), sont très proches de l’épaisseur visée de Sn (15µm). Il en est de même pour le cuivre : l’épaisseur calculée varie entre 44,2 et 47,6µm (45,9 1,7µm) relativement proche de l’épaisseur mesurée à l’état initial (45µm). Ces différences estimées faibles montrent qualitativement la cohérence des mesures effectuées malgré la difficulté de détermination de l’épaisseur de la phase -Cu6Sn5 à partir des sections transversales des échantillons de petite taille (90µm).

1.2.3 Résultats de mesures d’épaisseurs des phases -Cu3Sn et -Cu6Sn5 à 300 et 350°C

Dans le document Etude des interactions dans le système Cu/SnAg dans le cadre d'assemblages par TLPB des composants électroniques de puissance (Page 121-125)