Study of electronic component solder joint fatigue under thermomechanical, vibratory and combined loads
Étude de la fatigue des joints brasés de composants électroniques soumis à des sollicitations thermomécaniques, vibratoires et combinées
Résumé
The fatigue of electronic component solder joints under complex loadings in aeronautical, space and military applications is studied. The main goal of the thesis is to propose a generic fatigue model adapted to lead-free alloy under combined loads. The state of the art of solder alloy fatigue modelling is presented. Identification procedures for power law models are discussed. Continuum damage mechanics for solder alloy is also studied as this type of approach is more realistic for complex succession of loads as thermal cycling and random vibration. The second chapter presents an experimental and numerical study of the Sn- 3,0Ag-0,5Cu alloy low cycle shear fatigue. A viscoplastic with kinematic hardening behaviour law and a continuum damage model is established for isothermal low cycle fatigue. The impact of temperature is also underlined on experimental shear test results at 25 °C and 75 °C. Then an experimental study of electronic assemblies under random vibration is carried out. Fatigue trends for different types of components (BGA, PLCC...) are given for random vibration fatigue. Lead-free and leaded technologies underline the same failure modes in vibration. Finally a numérical methodology able to estimate a damage indicator for electronic assemblies under vibration is proposed. A concrete example is studied. The two approaches, low cycle and vibration fatigue, initiate the building of a generic model able to calculate the time to failure of assemblies under combined thermomechanical and vibration loads.
La fatigue des joints brasés de composants électroniques est étudiée dans le cas des environnements sévères rencontrés dans les applications aéronautiques, spatiales et militaires. L'objectif de la thèse est de proposer un modèle de fatigue générique adapté aux joints brasés de type Sn-Ag-Cu soumis à des chargements thermomécaniques et vibratoires. Une étude bibliographique critique la pertinence des modèles et principalement des procédures expérimentales d'identification des paramètres des modèles en loi puissance. La modélisation continue de l'endommagement est également abordée car elle est plus performante lorsqu'elle est appliquée à des chargements complexes combinés. La microstructure triphasée des alliages Sn-Ag-Cu est présentée ainsi que ses différents paramètres microstructuraux assez dispersés selon le mode d'assemblage et la composition des alliages. Le deuxième chapitre présente une étude expérimentale et numérique sur la fatigue oligocyclique de l'alliage Sn- 3,0Ag-0,5Cu en cisaillement. Une loi de comportement viscoplastique à écrouissage est établie ainsi qu'un modèle d'endommagement continu isotherme. Des résultats en fatigue à 25 °C et à 75 °C mettent en évidence l'influence de la tempéra ture sur le comportement et la fatigue de l'alliage. Une étude du comportement en fatigue vibratoire des assemblages est ensuite menée au moyen de cartes de test. Les temps à défaillance des assemblages donnent des tendances en fatigue pour des composants de différentes technologies (BGA, PLCC...). Les modes de rupture des brasures sans plomb semblent similaires à ceux des alliages standards Sn-Pb. Enfin une méthodologie de simulation par éléments finis des cartes et assemblages électroniques en vibration est proposée. Celle-ci permet sur un exemple concret de calculer un indicateur du dommage accumulé dans les joints lors d'un chargement vibratoire aléatoire de la carte. Les deux approches, en fatigue oligocyclique et en vibration, permettent d'initier la proposition d'un modèle générique adapté aux sollicitations combinées pour les joints brasés.
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