Academic literature on the topic 'Circuits imprimés – Matériaux – Propriétés thermomécaniques'

Les évolutions rapides dans l'industrie et l'intégration croissante de l'électronique dans de nouveaux environnements ont créé une nécessité accrue de maîtrise de fiabilité des cartes électroniques. L'intégration de l'électronique dans des environnements sévères au sein de la plateforme MAPP (Mécatronique pour l'Amélioration des Produits et Procédés) du CEA Tech Grand Est s'inscrit dans cette problématique. Dans ces environnements, des défauts notamment du délaminage et de la fissuration de via, peuvent apparaître dans les circuits imprimés (PCB). Dans cette optique, la présente thèse propose une contribution à la création d'un outil numérique de prévention de ces défauts. Pour une modélisation réaliste, la caractérisation thermomécanique des différentes couches du PCB a été réalisée par le biais d'essais expérimentaux. Néanmoins, cette caractérisation fut incomplète à cause de la faible épaisseur du PCB ce qui a motivé la mise en œuvre d'une méthode multi-échelle afin d'estimer les propriétés manquantes. Cette méthode inverse basée sur la Mécanique du Génome de Structure (MSG) a été développée puis implémentée sous la forme d'un script Python. Des observations microscopiques ont été couplées au logiciel Gmsh pour créer le modèle microscopique puis au logiciel de modélisation TexGen pour le modèle mésoscopique. La découverte d'inclusions dans la matrice entre les torons a été confirmée par nanoindentation. L'influence des paramètres géométriques des torons et des propriétés des phases a été analysée. Une adaptation d'une méthode hybride d'optimisation a été mise en œuvre dans le but de minimiser les écarts entre les propriétés expérimentales et numériques. Les résultats ainsi obtenus ont servi à simuler le comportement d'une carte électronique en fonctionnement au moyen du logiciel d'éléments finis ABAQUS/Standard. Des essais thermomécaniques à l'échelle de la carte ont été mis en œuvre pour valider les simulations. La comparaison montre une bonne concordance entre les deux. L'analyse des champs mécaniques a montré des contrastes pouvant entraîner de la fatigue thermomécanique. Néanmoins, les essais de délaminage devant servir à alimenter les zones cohésives aux interfaces entre les couches n'ont pas pu être mis en œuvre en raison de la faible épaisseur
The rapid changes in the industry and the increasing integration of electronics in new environments require the control of the reliability of electronic boards. The integration of electronics in severe environments within the MAPP platform (Mechatronics for the Improvement of Products and Processes) of CEA Tech Grand Est deal with this problem. In these environments, defects such as delamination and via cracking can occur in printed circuit boards (PCB). From this perspective, this thesis proposes a contribution to creating a numerical tool to prevent these defects. For a realistic modeling, the thermomechanical characterization of the different layers of the PCB has been performed through experimental tests. Nevertheless, this characterization was incomplete because of the thinness of the PCB, which motivated the implementation of a multi-scale method. An inverse method based on Mechanics of Structure Genome (MSG) was developed and implemented as a Python script. Microscopic observations were coupled to Gmsh software to create the microscopic model and then to TexGen modeling software for the mesoscopic model. The presence of inclusions inside the matrix between the yarns was confirmed by nanoindentation. The influence of yarns' geometrical parameters and phase properties was analyzed. Adapting a hybrid optimization method was implemented to minimize the discrepancies between the experimental and numerical properties. Obtained results were used to simulate the behavior of an electronic board in operation using ABAQUS/Standard finite element software. Thermomechanical tests at the board scale were implemented to validate the simulations. The comparison shows good agreement between results as predicted by both numerical and experimental approaches. The mechanical field analysis showed contrasts that could lead to thermomechanical fatigue. Nevertheless, delamination tests to feed cohesive zones at the interfaces between layers were not performed due to the small thickness

La thèse s’intéresse au comportement thermomécanique des circuits imprimés pour des applications spatiales hyperfréquences. Dans cette étude, les circuits imprimés sont des assemblages multi-matériaux faisant intervenir des substrats diélectriques (composites tissés) et des connexions en cuivre. Les circuits étudiés sont des multicouches et l’information électrique transite d'une couche à l'autre par le biais de trous traversants : des perçages réalisés à travers les différentes couches, recouverts de cuivre par électrodéposition. Tout satellite comporte de l’électronique embarquée dont le circuit imprimé constitue le support et les connexions. Dans le cadre des applications spatiales, le circuit imprimé subira des variations importantes de température. Ces chargements engendrent des déformations qui ne sont pas homogènes dans les différents matériaux, pouvant mener à des contraintes importantes qui seront source de défaillances. En effet, les coefficients d'expansion thermique des substrats diélectriques et du cuivre sont différents. À chaque cycle thermique, le cuivre est alors entrainé sous chargement alterné. Suivant les configurations, le cuivre peut se plastifier et rompre après quelques centaines ou milliers de cycles thermiques (fatigue oligo-cyclique). On remarque que les ruptures sont souvent observées dans les trous traversant. Deux volets sont identifiables dans la thèse : un premier volet de caractérisation du comportement thermomécanique des matériaux présents dans les circuits imprimés hyperfréquences (substrats composites et cuivre), et un second volet concernant les simulations de configurations stratégiques à partir des comportements identifiés
In this thesis, the thermomechanical behavior of Printed Circuit Boards with high frequency space applications is assessed. A printed circuit board is a multi-material assembly, linking dielectric substrates and copper paths. The studied PCBs are multilayers, thus drills are made through these layers with copper electrodeposited on the wall of the hole, allowing the electrical signal to go from one layer to the other. Any satellite carries embedded electronics and the PCB is the link and the support of these electronics. During the life of the PCB in space applications, important temperature changes will drive strains which are inhomogeneous in the different materials and thus will lead to important stresses, root of the observed failures. Indeed, the coefficients of thermal expansion of the dielectric substrates are different than the one of copper. For each thermal cycle, the copper undergoes thus an alternate loading. Depending on the configuration, the copper may endure plastic strain and break after hundreds or a few thousands of cycles (oligo-cyclic fatigue). These failures happen often in the copper barrels linking the different layers.Two phases are distinguishable in the thesis: a first phase in which the thermomechanical behaviors of the materials constituting high frequency printed circuit boards is assessed (composites substrates and copper), and a second phase concerning the simulations of crucial configurations thanks to the identified behaviors of the materials

La thèse s’intéresse au comportement thermomécanique des circuits imprimés pour des applications spatiales hyperfréquences. Dans cette étude, les circuits imprimés sont des assemblages multi-matériaux faisant intervenir des substrats diélectriques (composites tissés) et des connexions en cuivre. Les circuits étudiés sont des multicouches et l’information électrique transite d'une couche à l'autre par le biais de trous traversants : des perçages réalisés à travers les différentes couches, recouverts de cuivre par électrodéposition. Tout satellite comporte de l’électronique embarquée dont le circuit imprimé constitue le support et les connexions. Dans le cadre des applications spatiales, le circuit imprimé subira des variations importantes de température. Ces chargements engendrent des déformations qui ne sont pas homogènes dans les différents matériaux, pouvant mener à des contraintes importantes qui seront source de défaillances. En effet, les coefficients d'expansion thermique des substrats diélectriques et du cuivre sont différents. À chaque cycle thermique, le cuivre est alors entrainé sous chargement alterné. Suivant les configurations, le cuivre peut se plastifier et rompre après quelques centaines ou milliers de cycles thermiques (fatigue oligo-cyclique). On remarque que les ruptures sont souvent observées dans les trous traversant. Deux volets sont identifiables dans la thèse : un premier volet de caractérisation du comportement thermomécanique des matériaux présents dans les circuits imprimés hyperfréquences (substrats composites et cuivre), et un second volet concernant les simulations de configurations stratégiques à partir des comportements identifiés
In this thesis, the thermomechanical behavior of Printed Circuit Boards with high frequency space applications is assessed. A printed circuit board is a multi-material assembly, linking dielectric substrates and copper paths. The studied PCBs are multilayers, thus drills are made through these layers with copper electrodeposited on the wall of the hole, allowing the electrical signal to go from one layer to the other. Any satellite carries embedded electronics and the PCB is the link and the support of these electronics. During the life of the PCB in space applications, important temperature changes will drive strains which are inhomogeneous in the different materials and thus will lead to important stresses, root of the observed failures. Indeed, the coefficients of thermal expansion of the dielectric substrates are different than the one of copper. For each thermal cycle, the copper undergoes thus an alternate loading. Depending on the configuration, the copper may endure plastic strain and break after hundreds or a few thousands of cycles (oligo-cyclic fatigue). These failures happen often in the copper barrels linking the different layers.Two phases are distinguishable in the thesis: a first phase in which the thermomechanical behaviors of the materials constituting high frequency printed circuit boards is assessed (composites substrates and copper), and a second phase concerning the simulations of crucial configurations thanks to the identified behaviors of the materials

Au laboratoire, cette thèse fait suite à des modélisations sur des fonctions passives intégrées optiques à base de micro-résonateurs en anneaux. Pour les réaliser, une étude de toutes les étapes de réalisation de circuits en polymère a été effectuée. Les objectifs sont l'obtention de guides arêtes, ridge monomodes avec des performances acceptables et la miniaturisation de fonctions avec les matériaux et technologies envisageables au CCLO. Des points bloquants ont été identifiés au départ, tels que le manque d'adhérence entre matériaux, les incompatibilités technologiques et optiques entre polymères, les phénomènes liés au procédé occasionnant des pertes optiques excessives. Après un état de l'art sur les polymères pour guides d'ondes optiques, le manuscrit présente les travaux spécifiques sur le choix des matériaux et l'évaluation de l'adhérence de polymères amorphes sur les substrats envisagés, ainsi que la qualité et la reproductibilité des dépôts et leur gravure sèche par plasma. L'analyse de l'apparition de défauts de surface des films et " ridge " ainsi que les solutions trouvées pour les éliminer, sont plus particulièrement développés. L'adaptation de la photolithographie classique en UV proche est détaillée pour atteindre des tailles de motifs submicroniques. Les résultats des méthodes d'analyse entreprises pour discriminer les différents facteurs de pertes optiques en propagation sont discutés. Enfin, les réalisations de guides monomodes à base de polymères méthacryliques pour le coeur ainsi que les premières structures de filtres et multiplexeurs en micro-résonateurs intégrés en anneaux et à faible intervalle spectral libre (1-3nm) sont présentées et analysées.

Cette étude constitue une contribution dans un grand projet européen dénommé : 3DICE (3D Integration of Chips using Embedding technologies). La fiabilité mécanique et thermomécanique des composants 3D a été étudiée par des essais normalisés et des simulations numériques. L’essai de chute et le cyclage thermique ont été sélectionnés pour la présente étude. Des analyses de défaillance sont menées pour compléter les approches expérimentales. Les propriétés mécaniques des éléments constituant les composants ont fait l’objet d’une compagne de caractérisation complétée par des recherches bibliographiques. Les simulations numériques, dynamiques transitoires pour l’essai de chute et thermomécanique pour l’essai de cyclage thermique, ont été réalisées pour une estimation numérique de la tenue mécanique des composants. Les modèles numériques sont utilisés pour optimiser le design des composants et prédire les durées de vie en utilisant un modèle de fatigue
This work establishes a contribution in an important European project mentioned 3DICE (3D Integration of Chips using Embedding technologies). The mechanical and thermomechanical reliability of 3D microelectronic components are studied by employing standardized tests and numerical modeling. The board level drop test and thermal cycling reliability tests are selected for this study. Failures analysis has been used to complete the experimental study. The mechanical properties of elements constituting the microelectronic components were characterized using DMA, tensile test and nanoindentation. Bibliographical researches have been done in order to complete the materials properties data. Numerical simulations using submodeling technique were carried out using a transient dynamic model to simulate the drop test and a thermomechanical model for the thermal cycling test. Numerical results were employing in the design optimization of 3D components and the life prediction using a fatigue model