Paul Perin : Fiabilité des circuits imprimés avec des composants enfouis sous chargement thermique intense

Jury

• Marion Martiny (Université de Lorraine, directrice de thèse)
• Sébastien mercier (Université de Lorraine, co-directeur de thèse)
• Gautier Girard (Université de Lorraine, encadrant)
• Alexandrine Guedon-Gracia (Université de Bordeaux, rapporteuse)
• Franck Delvare (Université de Caen Normandie, rapporteur)
• Tudor Balan (Arts et Métiers ParisTech, examinateur)
• Sabeur Msolli (Universitéde Technologie de Belfort Montbéliard, examinateur)
• Catherine Jephos-Davenel (Direction générale de l’armement, invitée)
• François Lechleiter (Cimulec, invité)

Mots clés : fiabilité, circuits imprimés, élasticité, modélisation, composants enfouis, températures

Abstract

Un circuit imprimé est un assemblage multi-matériaux. Du fait des différences de coefficient d’expansion thermique entre ceux-ci, de fortes contraintes thermiques vont être générées par les variations de température subies en fonctionnement. Avant sa mise en service, son design est vérifié a l’aide de tests de qualification afin de s’assurer qu’une éventuelle défaillance n’arrivera qu’après un nombre suffisant de cycles. Pour réduire le nombre d’essais a effectuer, des simulations numériques sont de plus en plus utilisées pendant la phase de conception. Cette thèse a pour but l’étude de deux de ces tests : le cyclage thermique en enceinte climatique et l’essai de flottaison sur bain d’étain-plomb.

Afin d’obtenir des simulations fiables, une attention a tout d’abord été portée sur la caractérisation et la définition du comportement des matériaux constituant le circuit imprimé. En particulier, le comportement thermoélastique orthotrope des substrats a été caractérisé par une méthode mixte numérique / expérimentale. Le rétreint apparaissant lors de la réticulation de la résine qui s’y trouve a également été évalué afin de modéliser le procédé d’encapsulation du composant et d’étudier son impact sur la fiabilité.

L’essai de cyclage d’un circuit classique a déjà été analysé dans la littérature, sans toutefois avoir toujours bien caractérisé l’ensemble des comportements matériau dans la gamme de sollicitation. L’objectif de la thèse est toutefois d’étudier la fiabilité d’une nouvelle génération de circuits imprimés qui contiennent des composants enfouis. Cette nouvelle approche permettant de gagner en densité d’interconnexion est une voie pro-metteuse pour les applications de mobilité électrique (voiture électrique, électronique de puissance). En particulier, cette thèse s’intéresse à un composant enfoui et brasé a l’aide de barres de SAC305. L’ajout de ce matériau au comportement non-linéaire affecte la fiabilité du circuit lors du cyclage thermique. En effet, les simulations montrent que les brasures vont concentrer la déformation plastique, bien plus que le cuivre pour le design étudié. L’influence du procédé de fabrication a également été analysée dans cette thèse.

Lors de l’essai de flottaison sur bain d’étain-plomb, un échantillon est placé a la surface d’un creuset contenant de l’étain-plomb liquide à 288 °C. Un protocole expérimental a été développé dans cette thèse afin d’évaluer le coefficient d’échange par convection entre le bain de brasure et l’échantillon. En effet, des simulations thermomécaniques couplées doivent être effectuées pour simuler le solder float test (le champ de température dans l’échantillon est très hétérogène lors de celui-ci). Cela a permis de mettre en évidence l’origine de défaillances observées lors d’essais réels et qui n’auraient pas pu être détectées numériquement en supposant la température uniforme. Ce résultat met également l’accent sur l’importance d’une bonne définition des conditions aux limites thermiques pour l’étude numérique de la fiabilité d’un circuit imprimé.

En visioconférence

Il est possible d’assister à la soutenance en visioconférence sur Microsoft Teams. Demandez le lien à Paul Perrin.