+ 2010 SUMECE – Pôle de compétences Lyonnais sur les substrats métal-céramique et leur fiabilité

Porteur du projet

Cyril Buttay AMPERE

Laboratoire(s) membre(s)

LABORATOIRES ASSOCIÉS
SYMAP, sciences et Ingénierie des matériaux et procédés

 

Axe(s) de recherches

Objectifs : Vers une prédiction de la durabilité et la tenue mécanique des matériaux de ‘packaging’ des composants pour l’électronique de puissance 

                

La fiabilité des systèmes d'électronique de puissance est actuellement insuffisante. Un des éléments qui pose problème est le substrat céramique métallisé : les métallisations ont un coefficient de dilatation 3 à 4 fois supérieur à celui de la céramique. Lorsqu'un tel substrat subit un fort cyclage thermique, il finit par se fissurer.

SUMECE-cyclage-structure-simpleinterface_cuivre_ceramique_fissuree
L’étude vise à définir et déterminer l’assemblage métal-céramique capable de supporter des cycles thermiques avec des variations de températures entre -50°C et +250°C sans défaillance

Le programme de travail comporte les points suivants:

  • Caractérisation expérimentale des matériaux et des interfaces: microstructure, propriétés mécaniques.
  • Modélisation de la structure complète, basée sur la caractérisation précédente
  • Optimisation de l'assemblage métal-céramique pour définir une configuration de substrat céramique métallisé à même de supporter des contraintes thermique données.

Résultats

Nous démontrons l'importance de la prise en compte du procédé de fabrication sur les caractéristiques de l'ensemble: métal et céramique sont assemblés à haute température (plus de 1000°C), ce qui modifie fortement les propriétés mécaniques du cuivre, et entraîne l'apparition de contraintes mécaniques lors du refroidissement.

Différentes méthodes de caractérisation ont été développées, avec en particulier une analyse de la fissuration interfaciale métal/céramique au travers d'une flexion 4 points et d'un suivi optique de la fissuration.

La modélisation développée permet de prévoir l'apparition et la propagation de fissure interfaciale en fonction du profil de température subi par le substrat.

Intérêt industriel ET SOCIETAL

Les mécanismes de défaillance des substrats céramique métallisés sont actuellement mal connus et mal modélisés. En conséquence, il est nécessaire de tester expérimentalement les substrats dès lors qu’une bonne fiabilité est attendue (application transports, notamment). Ces tests, principalement du cyclage thermique, sont longs (plusieurs mois) et donc coûteux. Un outil de simulation précis permet de “faire bon du premier coup” et donc de supprimer les itérations conception/fabrication/test.

 

VALORISATION - IMPACTS DU PROJET

1 publication de rang A dans Microelectronics Reliability"

4 communications congrès : journées mecamat (7-8 novembre 2013),  CFM13 (Bordeaux), Euromech colloquium 2015 (20-23 octobre), "Workshop on The Future of Simulation in Power Electronics Packaging for Thermal and Stress Management, European Centre for Power Electronics (20-21/11/2018, Nuremberg)

1 thèse : Aymen Ben Kaabar

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