Caractérisation thermomécanique, modélisation et optimisation fiabiliste des packages électroniques

154 Pages·2017·6.6 MB·French

by  Omar Bendaou

Caractérisation thermomécanique, modélisation et
optimisation fiabiliste des packages électroniques
Omar Bendaou
To cite this version:
Omar Bendaou. Caractérisation thermomécanique, modélisation et optimisation fiabiliste des
packages électroniques. Mécanique [physics.med-ph]. Normandie Université; École Mohammadia
d’ingénieurs (Rabat, Maroc), 2017. Français. ￿NNT: 2017NORMIR20￿. ￿tel-01760307￿
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.

Remerciements
Lestravauxderecherches,objetduprésentrapport,quis’inscriventdanslecadre
d’une convention en cotutelle de thèse, ont été menés au niveau des laboratoires
ERG2(ME)(EquipedeRechercheGénieMécaniqueetEnergétique:Modélisation
etExpérimentation)etLMN(LaboratoiredeMécaniquedeNormandie),relevant
respectivementdel’EcoleMohammadiad’Ingénieursetdel’INSAdeRouen.
Je tiens, tout d’abord, à remercier vivement mes directeurs de thèse pour la
confiance qu’ils m’ont accordée en acceptant d’encadrer ce travail doctoral. De
même, à l’occasion de la présentation de ce mémoire, je voudrai exprimer ma
profondegratitudeenversmesdirecteursdethèse,MessieurslesProfesseurs:
MohamedAGOUZOULpoursonapportpédagogique,sadisponibilitéetlesefforts
quin’aeudecessededéployerpourl’aboutissementdestravauxdecettethèse.
Abdelkhalak ELHAMIpourson accueilauseindu LaboratoiredeMécanique de
Normandie,sagrandedisponibilitéetsonsoutienpermanentdanscetravail.
JeremercieprofondémentMessieurs:
Pr. Mohammed RHACHI de m’avoir fait l’honneur de présider le jury de ma
soutenance.
Pr.PierreRichardDAHOO,Pr.SaadCHOUKRI,etPr.AbelCHEROUATd’avoir
acceptéd’évaluermestravauxenqualitéderapporteurs.
Pr.AzeddineAZIMd’avoiracceptéd’examinercemémoire.
Mesremerciementss’adressentégalementàMonsieurOthmaneBENDAOUet
AbderahmanMAKHLOUFIpourleursconseilsetleursremarquesavisésquim’ont
beaucoupaidéstoutaulongdecetravail.
Jenesauraisterminersansexprimermesremerciementslesplussincèresàma
familleetmesamisquim’ontencouragéspendantlapréparationdecetravail.
I
Résumé
Lors du fonctionnement des packages électroniques, ceux ci sont exposés à
diversessollicitationsd’ordresthermiquesetmécaniques.Demême,lacombinaison
decessourcesdecontraintesconstituel’originedelaquasimajoritédesdéfaillances
despackagesélectroniques.
Pour s’assurerde la bonnerésistance des packages électroniques, les fabricants
pratiquent des tests de fiabilité et des analyses de défaillance avant toute com-
mercialisation.Toutefois,lesessaisexpérimentaux,lorsdelaphasedeconception
et de l’élaboration des prototypes, s’avèrent contraignants en termes de temps
et de ressources matérielles. En revanche, la simulation numérique à l’aide de la
méthode des éléments finis constitue une option alternative en termes de temps et
deressources.
Les objectifs dévolus aux travaux de recherche visent à élaborer quatre modèles
éléments finis en 3D, validés/calibrés par des essais expérimentaux, intégrant les
recommandationsJEDEC1 envuede:
— Procéderàlacaractérisationthermiqueetthermomécaniquedespackages
électroniques;
— Etprédireladuréedevieenfatiguethermiquedesjointsdebrasuresetce,
enlieuetplacedelacaractérisationexpérimentalenormalisée.
Or,lamiseenœuvredesmodèlesélémentsfinisprésentecertainsinconvénients
liés aux incertitudes au niveau de la géométrie, des propriétés matériaux, les
conditionsauxlimitesoulescharges.Ceuxciontuneinfluencesurlecomportement
thermique et thermomécanique des systèmes électroniques. D’où la nécessité de
formulerle problème entermes probabilistes etce,dans lebut demenerune étude
1. JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council) est un organisme de normalisation des
semi-conducteurs
II
Résumé
defiabilitéetd’optimisationdespackagesélectroniques.
Pour remédier au temps de calcul énorme généré par les méthodes d’analyse
defiabilitéclassiques,nousavonsdéveloppédesméthodologiesspécifiquesàcette
problématique, viadesméthodesd’approximationbaséessur lekrigeageavancé,
qui nous ont permis de bâtir un modèle de substitution, qui rallie efficacité et
précision. Par conséquent, une analyse de fiabilité a été menée avec exactitude et
dans un temps extrêmement court, via les méthodes de simulation Monte Carlo
et FORM/SORM, couplées avec le modèle de krigeage avancé. Ensuite, l’analyse
de fiabilité a été associée dans le processus d’optimisation, en vue d’améliorer la
performanceetlafiabilitédelaconceptionstructurelledespackagesélectroniques.
A la fin, nous avons procédé à l’applicabilité desdites méthodologies d’analyse
de fiabilité aux quatre modèles éléments finis ainsi développés. Il résulte que les
analyses de fiabilité menées se sont avérées très utiles pour prédire les effets des
incertitudes liées aux propriétés matériaux. De même, l’analyse d’optimisation de
fiabilitéainsiréaliséenousapermisd’améliorerlaperformanceetlafiabilitédela
conceptionstructurelledespackagesélectroniques.
III
Abstract
During operation, electronic packages are exposed to various thermal and
mechanical solicitations. These solicitations combined are the source for most of
electronicpackagefailures.Toensureelectronicpackagesrobustness,manufacturers
perform reliability testing and failure analysis prior to any commercialization.
However,experimentaltests,duringdesignphaseandprototypesdevelopment,are
knowntobeconstrainingintermsoftimeandmaterialresources.Thisresearchaims
todevelopfourfiniteelementmodelsin3D,validated/calibratedbyexperimental
tests,integratingJEDECrecommendationsto:
— Performelectronicpackagesthermalandthermomechanicalcharacterization;
— Predictthethermalfatiguelifeofsolderjointsinplaceofthestandardized
experimentalcharacterization.
However,implementation ofthefiniteelement modelhassome disadvantages
relatedtouncertaintiesatthegeometry,materialproperties,boundaryconditions
orloads.Theseuncertaintiesinfluencethermalandelectronicsystemsthermome-
chanicalbehavior.Hence theneed toformulate theproblem in probabilistic terms,
in order to conduct a reliability study and a electronic packages reliability based
designoptimization.
To remedy the enormous computation time generated by classical reliability
analysis methods, we developed methodologies specific to this problem, using
approximationmethodsbasedonadvancedkriging,whichallowedustobuilda
substitutionmodel,combiningefficiencyandprecision.Thereforereliabilityanalysis
canbeperformedaccuratelyandinaveryshorttimewithMonteCarlosimulation
(MCS) andFORM /SORM methodscoupled withthe advancedmodel of kriging.
Reliability analysis was associated in the optimization process, to improve the
performanceandelectronicpackagesstructuraldesignreliability.
IV
Abstract
In the end, we applied the reliability analysis methodologies to the four finite
elementmodels developed.Asa result, reliabilityanalysisprovedto bevery useful
inpredictinguncertaintieseffectsrelatedtomaterial properties.Similarly,reliability
optimization analysis performed out has enabled us to improve the electronic
packagesstructuraldesignperformanceandreliability.
V
Liste des abréviations
AKM : AdvancedKrigingModel
β : Indicedefiabilité
BGA : BallGridArray
CET : Cœfficientd’ExpansionThermique
FORM : FirstOrderReliabilityMethod
HRBM : Heuristic-basedReliabilityMethod
MEF : Méthodedesélémentsfinis
MHP : MicroscopedeHautePrécision
MMC : MéthodedeMonteCarlo
MPFP : MostProbableFailurePoint
MSR : MéthodedesSurfacesdeRéponses
N : Nombredecyclesd’initiationdefissure
0
N : Duréedevieenfatiguethermique
f
PCB : PrintedCircuitBoard
P : Probabilitédedéfaillance
f
RBDO : ReliabilityBasedDesignOptimisation
RIA : ReliabilityIndexApproach
QFN : QuadFlatNolead
QFP : QuadFlatPackage
SAC305 : Sn Ag Cu
96.5 3.0 0.5
SLA : SingleLoopApproach
SORA : SequentialOptimizationandReliabilityAssessement
SORM : SecondOrderReliabilityMethod
SQP : SequentialQuadraticProgramming
VI
Table des figures
1.1 L’inventiondupremiercircuitintégré[Tum01] . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Exempled’uneplaquettedesilicium(siliconwafer) . . . . . . . . . . 11
1.3 Lesconfigurationscavity-upetcavity-down . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Fonctionsdebasedespackagesélectroniques . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Niveauxdupackaging[SM05] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Courbeenbaignoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7 Mécanismesdedéfaillancedespackagesélectroniques. . . . . . . . . 19
1.8 Fissurationparfatigued’unjointdebrasure . . . . . . . . . . . . . . 20
1.9 Courbecontrainte-déformationdesmatériaux(a)Fragileet(b)Ductile 21
1.10 Courbecontrainte-déformationpourlesmatériauxélastoplastique . 22
2.1 Structure étalée dans un domaine Ω et subissant un chargement
extérieuretdesconditionsauxlimites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 MaillagedelastructureétaléesurledomaineΩ . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Géométriedelastructuremulticouches . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Maillagedelastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 SolideétalédansundomaineΩetsubissantunchargementextérieur
etdesconditionsauxlimitesthermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6 MaillagedudomaineΩ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7 Géométriedusolidechargéthermiquement . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1 Distributionconjointeetprobabilitédedéfaillance . . . . . . . . . . . 43
3.2 SimulationdeMonté-carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Transformationprobabiliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 ApproximationFORMetSORM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 AlgorithmeHBRMpourl’estimationdel’indicedefiabilité . . . . . . 49
VII
TABLEDESFIGURES
3.6 Organigramme de la méthode proposée sur la base du modèle de
krigeage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.7 Lastructured’untoitentreillis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.8 ClassificationdesdifférentesméthodesdelaRBDO[Aou08] . . . . . 61
3.9 Essieuavantdel’automobile[ZLW15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1 Vued’ensembleduBGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2 StructuredupackageBGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 SchémadelatechniqueShadowMoiré . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4 legauchissementdes4BGAmesurévialatechniqueShadowMoiré 75
4.5 RoutagecuivreduBGAsousANSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.6 ModélisationfidèleduBGAsousAnsys . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.7 GauchissementduBGAfidèlementmodélisé(1/4dumodèle) . . . . 80
4.8 GauchissementduBGAdontlesubstratestmodélisépar5couches
homogènes(1/4dumodèle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.9 Densitéde probabilitéparsimulationVs Densitédeprobabilité par
mesuresviamicroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.10 StructuredupackageBGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.11 Dimensionsdujointdebrasure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.12 ModèleélémentsfinisglobalduBGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.13 Descriptionducyclethermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.14 Travailplastiqueàlafinducyclethermique . . . . . . . . . . . . . . 94
4.15 Sousmodèlelocal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.16 Travailplastiquedanslesousmodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.17 Analysedesensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.18 algorithmeRBDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.19 Travailplastiqueavantetaprèsl’optimisationfiabiliste . . . . . . . . 100
4.20 PackageélectroniqueQFN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.21 QuadFlatNoleads(QFN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.22 MaillageduQFNmontésurlePCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.23 Résultatdumodèledesélémentsfinis:Champdetempérature . . . 107
4.24 ComparisondeP aveclessixméthodesutilisées . . . . . . . . . . . . 110
f
4.25 Inducteurdepuissanceétudié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
VIII