The Transient Liquid Phase Bonding process (TLPB) : from process development to the characterization of the intermetallic assemblies

Un des enjeux majeur de l’électronique de puissance est de pouvoir étendre l’utilisation des modules de puissance à haute température, supérieure à 200°C. Or, en température, l’endommagement des joints de brasure est un des principaux modes de défaillance des modules de puissance. C’est pourquoi, l’objectif de cette thèse consiste à développer un procédé d’assemblage alternatif : le procédé de report intermétallique (IMC) en phase liquide transitoire (TLPB) à partir du système binaire cuivre-étain. Ce procédé est très attractif car il permet de former à basse température (250°C), un joint entièrement constitué de phases IMCs qui sont réputées pour leur stabilité à très haute température (supérieure à 600°C pour la phase Cu3Sn). Afin d’optimiser le procédé, l’influence des paramètres d’assemblage sur les mécanismes de croissance des phases IMCs a été déterminée. Cette étude a permis de mettre en évidence la nécessité d’insérer une barrière de diffusion de type IMC entre les substrats et le métal d’apport afin de modifier les processus de diffusion atomique aux interfaces et ainsi d’éviter la formation d’une importante porosité au sein des joints IMCs. Après avoir mis au point un procédé de report innovant et optimal, la fiabilité des assemblages IMCs a été évaluée à partir d’essais expérimentaux et de modèles numériques par éléments finis. Il a été montré que la fiabilité en cyclage thermique des joints IMCs est très supérieure à celle des alliages de brasure de référence SnAgCu. Le procédé de report IMC développé au cours de cette thèse est donc un excellent candidat au remplacement des alliages de brasure pour des applications à haute température.To meet the future requirements of power electronics, the packaging technologies of power modules must withstand higher operation temperatures, higher than 200°C. However, an increase of the operation temperatures leads to a significant decrease of the solder joints reliability and thus to the failure of the power modules. That’s why the main objective of this PhD thesis is to develop an alternative bonding technic for high temperature applications: the Transient Liquid Phase Bonding process (TLPB) based on the copper-tin binary system. This process is very attractive because it allows the formation, at low temperature, of a joint entirely composed of intermetallic (IMC) compounds which are well known for their high thermal stability. To optimize the process, the influence of the main bonding parameters on the growth of the IMC phases has been first investigated. The results indicate that the deposition of an IMC diffusion barrier is required to alter the atomic diffusion motion at the interfaces between the Cu substrates and the Sn interlayer and to avoid the formation of large pores along the bond mid-plane. After the development of an innovative and optimal bonding process, the reliability of the IMC assemblies has been investigated through experimental tests and finite element simulations. The IMC joints show a higher thermal cycling reliability than the reference SnAgCu solder alloys. Hence, the IMC bonding process developed during this PhD thesis is an excellent alternative to the soft solder alloys for high temperature applications