Microstructural approach to evaluate the reliability of lead-free electronic assemblies in thermomechanical fatigue - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Microstructural approach to evaluate the reliability of lead-free electronic assemblies in thermomechanical fatigue

Approche microstructurale pour l'évaluation de la fiabilité des assemblages électroniques en fatigue thermomécanique

Résumé

With the prohibition on the use of certain hazardous substances by the European RoHS directive, such as lead in a series of electrical products, the SnPb eutectic, which was the most used solder alloy in electronic assemblies, is replaced by SnAgCu (SAC) alloys. Despite the early appearance of these materials, their insertion into the industry is hindered by the observation of early failures of solder joints under thermomechanical fatigue. These alloys have a complex and variable microstructure that significantly influences their behavior.The main objective of this work is to improve the prediction of the lifetime of SAC interconnections by developing a generic damage criterion, based on the microstructural evolution of the alloy and which can be implemented in a fatigue model. This work also involves studying the various factors that can affect the aging of SAC solders in thermomechanical fatigue.The initial microstructure of the SAC alloy and its evolution due to thermomechanical fatigue were examined based on accelerated tests and microstructural investigation by EBSD analyses. Recrystallization of β-SN grains and coarsening of Ag3Sn intermetallics appear to be precursors to intergranular cracking of the different solders studied (BGA, R1206 and QFN). The QFN case reveals another mixed dynamic where we observe a competition between the intergranular cracking and the interfacial failure that occurs along the intermetallics layer, without microstructural evolution of the SAC alloy.The analysis of microstructural damage indicators is approached with the quantitative characterization of recrystallization and Ag3Sn particles coarsening. The size of the recrystallized grains varies from 1 to 30 µm independently of the solder geometry. This is a characteristic of the SAC alloy. A low degree of recrystallization seems sufficient to trigger crack propagation in BGA and R1206 joints (8% and 10% respectively). A higher degree of recrystallization is required for crack propagation of QFN solder joints (27%). This may be due to the mixed cracking mode observed on this geometry. Regarding the coalescence of intermetallics, particles with a diameter greater than 2 µm seem to promote recrystallization. It would be interesting to be able to implement these damage indicators in the prediction models.The study of the different parameters influencing the thermomechanical performance of SAC solders shows that isothermal aging, the location of the solder joint and the initial microstructure have an effect on the thermomechanical behavior of SAC interconnections. They are essential factors to take into account when developing the thermomechanical fatigue model.
Avec l'interdiction d'utilisation de certaines substances dangereuses par la directive européenne RoHS, comme le plomb dans une série de produits électriques, l'eutectique SnPb, qui était l'alliage de brasure le plus utilisé dans les assemblages électroniques, est remplacé par des alliages SnAgCu (SAC). Malgré l'apparition précoce de ces matériaux, leur insertion dans l'industrie est freinée par l’observation de défaillances précoces des brasures par fatigue thermomécanique. Ces alliages présentent une microstructure complexe et variable qui influence de façon importante leur comportement.Le principal objectif de ce travail est d’améliorer la prédiction de la durée de vie des interconnections SAC en développant un critère d’endommagement générique, basé sur l’évolution microstructurale de l’alliage et pouvant être implémenté dans un modèle de fatigue. Ce travail consiste aussi à étudier les différents facteurs pouvant affecter le vieillissement des brasures SAC en fatigue thermomécanique.La microstructure initiale de l’alliage SAC et son évolution due à la fatigue thermomécanique ont été examinées en se basant sur des essais accélérés et sur l'investigation microstructurale par analyses EBSD. La recristallisation des grains β-SN et la coalescence des intermétalliques Ag3Sn apparaissent bien comme les précurseurs à la fissuration intergranulaire des différentes brasures étudiées (BGA, R1206 et QFN). Le boitier QFN révèle une autre dynamique mixte où l’on observe une compétition entre la fissuration intergranulaire et la rupture interfaciale qui se produit le long de la couche d’intermétalliques, sans évolution microstructurale de l’alliage SAC.L’analyse des indicateurs d’endommagement microstructural est abordée avec la caractérisation quantitative de la recristallisation et de la coalescence des particules Ag3Sn. La taille des grains recristallisés varie de 1 à 30 µm indépendamment de la géométrie de brasure. C’est une caractéristique de l’alliage SAC. Un faible degré de recristallisation semble suffisant pour déclencher la propagation des fissures dans les joints BGA et R1206 (respectivement 8 % et 10 %). Un degré de recristallisation plus élevé est requis pour la propagation des fissures dans les joints QFN (27 %). Cela peut être dû au mode de fissuration mixte observé sur cette géométrie. Concernant la coalescence des intermétalliques, les particules ayant un diamètre supérieur à 2 µm semblent favoriser la recristallisation. Il serait intéressant de pouvoir implémenter ces indicateurs d’endommagement dans les modèles de prédiction.L’étude des différents paramètres influençant les performances thermomécaniques des brasures SAC montre que le vieillissement isotherme, la localisation de la brasure et la microstructure initiale ont un effet sur le comportement thermomécanique des joints brasés SAC. Ils sont des facteurs primordiaux à prendre en compte lors de développement du modèle de fatigue thermomécanique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04048661 , version 1 (28-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04048661 , version 1

Citer

Emna Ben Romdhane. Microstructural approach to evaluate the reliability of lead-free electronic assemblies in thermomechanical fatigue. Electronics. Université de Bordeaux, 2022. English. ⟨NNT : 2022BORD0364⟩. ⟨tel-04048661⟩
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