Processus de fabrication

Outre les variables aléatoires affectées au chargement de la structure, l’ensemble de l’incertitude résidant dans le système proviennent du processus de fabrication. La variation de la microstructure, l’apparition de vides (ou voids) au sein de la brasure ainsi que les variabilités géométriques sont donc créées par un process plus ou moins maîtrisé.

4.4.1.1 Microstructure de la brasure

L’effet de la température induit le phénomène d’agglomération dans les brasures. Les brasures ne sont pas en étain pur et différents éléments sont ajoutés pour améliorer leurs caractéristiques physiques. Plusieurs éléments peuvent être ajoutés afin de former un al- liage dit à base d’étain et se caractérisant généralement par un point de fusion plus bas. Le plomb fut au départ un choix peu coûteux et facile à mettre en oeuvre. Les concentrations SnPb38.1 (Tf usion = 183°C) et Sn/Ag3.5 (Tf usion= 221°C) ou Sn/Cu0.7 (Tf usion = 227°C)

sont alors établies afin de rendre l’alliage eutectique, c’est à dire avec un point de fusion unique. Il existe aussi les alliages hypereutectiques regroupant trois éléments comme le Sn62/Pb36Ag2 ou SnAgCu afin de trouver des caractéristiques mécaniques meilleures que les précédents. Dans ces alliages de brasures, les différentes phases ont tendance à se regrouper sous l’effet de la température. En effet, la différence de dilatation entre ces différents matériaux est inévitable et des mouvements dans la microstructure sont alors induits dans les brasures. L’action des cyclages thermiques influence donc la microstucture de l’alliage qui est le résultat du processus de diffusion ou agglomération. Ce phénomène est d’autant plus accentué que la température est élevée et qu’il existe une contrainte mécanique. Les modèles de loi de comportement peuvent alors évoluer pour prendre en compte les considérations micro-structurales [142].

4.4.1.2 Vides

Comme le montre la figure (4.12(a,b)), les brasures possèdent des pores ou vides. On remarque que les brasures 96,5Sn/3,5Ag ont plus de vide que les brasures au plomb. Ceci vient du fait que les brasures Sn/Ag se présentent sous forme de pâte à braser constituée d’un flux qui est dégagé lors de la fusion de la brasure. Le flux ne pouvant s’échapper de la brasure pendant sa fusion forme alors des inclusions au sein de la brasure. L’utilisation de préforme sans flux comme pour la brasure au plomb permet d’éliminer partiellement ce phénomène. Une mesure a été effectuée, à partir des photos et d’un logiciel de traitement d’images, sur la différence de couleurs entre les vides et la brasure afin de terminer le pourcentage de brasure. La moyenne des résultats pour la brasure 96,5Sn/3,5Ag est de 81% de brasure et pour la brasure 92,5Pb/5Sn/2,5Ag est de 88% de brasure.

Comme le spécifie la IPC-610-D [71], une quantité de vides inférieure à 25% dans la section de la brasure est recommandée. Il faut ici faire attention aux conséquences de ces vides. Selon Engelmaier, beaucoup trop d’attention est portée sur ces vides et à tort alors que leur effet sur la défaillance n’est pas prouvé. En effet, les recherches analysent ces vides pour la simple raison qu’ils sont facilement visibles aux rayons X et tentent alors de corréler ce phénomène à la défaillance. Nous pouvons cependant classer les vides en deux types : les macro-vides et les micro-vides. Les macro-vides regroupent alors les vides formés par l’inclusion d’un volatile (figure 4.12(c)) et les vides de rétrécissement où le volume de brasure diminue pendant la phase de solidification et ne peut remplir son espace. Les micro-vides, quant à eux, sont plus nombreux et naturellement plus petits. Ils se divisent en deux catégories en fonction de leur mécanismes de génération : les vides de Kirkendall et les vides bulle de champagne. Les vides de Kirkendall se forment aux interfaces matériaux lorsque ceux-ci présentent une différence de taux de diffusion. Il n’a pas encore été reporté que ces vides influent la défaillance des brasures. Les vides bulle de

4.4. DÉFINITION DE L’INCERTAIN DANS LES MODULES DE PUISSANCE 153

Champagne se forment aussi aux interfaces lorsque le profil de température n’atteint pas les températures facilitant leurs échappements. Les micro-vides de Kirkendall, de par leur localisation, peuvent alors réduire la résistance de l’attache. Ces vides apparaissent avec une combinaison de facteurs dont l’un serait leur exposition trop longue à des températures dépassant 100°C. Il a pu être montré par simulation que ces vides, réduisant la section de la brasure, augmentent alors l’importance des cycles de déformations. Bien que cela ait été tenté, la modélisation de ces vides en FEM n’est pas chose évidente. Pour une simulation considérant une brasure parfaite, la conséquence de vides dans la brasure se fera alors ressentir dans le comportement global en rigidité. Les identifications tiendront alors compte de ces quantités de vides directement par l’identification de la variation des paramètres des lois. Des lois spécifiques peuvent par ailleurs être mises en place [142].

96,5Sn/3,5Ag % de brasure 92,5Pb/5Sn/2,5Ag % de brasure

1-221-b 83,16 1-30 80,19 1-221-h 81,13 2-300 92,55 2-221-b 84,24 3-300 88,94 2-221-h 86,06 4-300 91,85 3-221-b 74,26 5-300 91,85 3-221-h 74,32 6-300 93,65 4-221-b 90,44 7-300 83,8 4-221-h 85,59 8-300 91,3 5-221-b 81,06 9-300 81,63 5-221-h 78,92 10-300 80,37

Tab. 4.8 – Pourcentage de vides pour les brasures 96,5Sn/3,5Ag et 92,5Pb/5Sn/2,5Ag.

(a) Sn/Ag. (b) Sn/Ag/Pb _{(c) Découpe d’un bump et vides.}

4.4.1.3 Géométrie

Un des aspects aléatoires des modules de puissance se retrouve dans la géométrie des bumps. Le calcul de la déformation inélastique des brasures en figure (4.11) indique les zones fortement déformées. L’épaisseur de la brasure entre le plot en cuivre et la puce ou le substrat est alors une des dimensions caractéristiques puisque l’ensemble des contraintes et donc des déformations par fluage se feront dans cette zone. Une identification de ces longueurs caractéristiques a donc été entreprise afin d’alimenter le code fiabiliste sur ces aléas et de déterminer leur importance. L’identification s’est déroulée sur l’étude de la coupe transversale de 20 spécimens où chaque valeur de grandeurs caractéristiques indiquée par la figure (4.13) a été relevée. La figure (4.13) expose plusieurs découpes de bump pour mettre en évidence la variabilité des valeurs géométriques ainsi que la formation de vides à l’intérieur de la brasure.

α

β H

L e

Fig. 4.13 – dimensions caractéristiques de la brasure et image de découpe de bump. Le tableau (4.9) indique les résultats de l’identification avec les moments des variables aléatoires identifiées suivant l’hypothèse de variables log-normales. Cette hypothèse se justifie par des valeurs qui ne peuvent en aucun cas se retrouver négatives mais qui peuvent dans certains cas s’approcher d’une valeur nulle (ex : l’épaisseur e = 0 avec le plot en cuivre qui touche la puce).

Dimension Moyenne Écart-type épaisseur (e) 12µm 6 µm

Hauteur (h) 175 µm 16µm

angle α 32° 7°

angle β 48° 8°

taille soudure (L) 1087µm 39µm

4.4. DÉFINITION DE L’INCERTAIN DANS LES MODULES DE PUISSANCE 155

La simulation de la forme de la brasure peut être faite grâce aux logiciels résolvant l’équation d’énergie mise en jeu lors de la solidification [10]. Ainsi, le logiciel Surface evolver est capable de minimiser l’équation d’énergie [22] :

E = Z V ρgzdV + I γdS (4.21)

où ρ, g, z sont respectivement la densité, la gravité, la hauteur de l’élément de volume et γ la tension de surface. Plusieurs simulations peuvent être faites suivants différentes configurations géométriques. Mui utilise cette simulation afin d’obtenir le maillage sur- facique solution de (4.21) qui est alors envoyé dans Ansys afin de mailler le volume et d’effectuer une analyse de la fiabilité [115] .