De simple support, la carte de circuits imprimés se transforme par l’inclusion de composants passifs ou actifs, permettant ainsi d’accroître la densification d’interconnexions. La recherche fondamentale doit accompagner ce passage de simple support complexe à dispositif intelligent à part entière. L’équipe de recherche du LEM3 associée à cette chaire propose ainsi une combinaison de compétences pour développer les axes de recherche suivant :
- Cerner les propriétés thermomécaniques des matériaux utilisés dans le circuit imprimé, bien au-delà des données fournisseurs.
- Caractériser la résistance des interfaces, la fatigue du cuivre.
- Prédire la durée de vie des assemblages multi-matériaux, toujours plus complexes, toujours plus intelligents.
- Confronter les résultats de la modélisation à des tests sur des circuits imprimés réels.
La chaire bénéficiera de l’expertise de l’équipe en modélisation et simulation numérique à l’échelle de la microstructure des matériaux, jusqu’à la structure du circuit imprimé, en incluant les étapes du processus industriel de fabrication. En appui, la chaire bénéficie des équipements de la plateforme LEMCI (www.labcom-lemci.univ-lorraine.fr) et plus généralement de celles du LEM3.
Exemples de travaux conduits en 2020
- Fatigue du cuivre
Prédire la durée de vie de la carte nécessite de maitriser le comportement élasto-plastique du cuivre et aussi son comportement en fatigue. En effet, lors de la vie d’un produit électronique, le fonctionnement dudit dispositif génère une élévation de température du circuit imprimé. Le circuit imprimé va subir de nombreux cycles en température et il convient d’être sûr de sa tenue pour une durée prévue dans le cahier des charges initial. Grâce à des développements expérimentaux, numériques et théoriques, il a été possible de mesurer le nombre de cycles à rupture en fonction de l’intensité du chargement. Ces résultats vont alimenter les simulations numériques de circuits imprimés pour les rendre prédictives.
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| Configuration expérimentale développée au sein de la chaire pour mesurer la durée de vie en fatigue. |
Ces travaux inédits ont été présentés à Eurosime 2020 (International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems).
- Electronique flexible
A la suite de l’axe 1, la chaire s’est intéressée aux circuits imprimés flexibles. Grâce à l’effort de caractérisation du cuivre et de son comportement en fatigue, nous avons pu conduire des simulations en chargement de flexion et estimer la durée de vie de la configuration. Un article est accepté dans Microelectronics Reliability [2]. Il convient maintenant de confronter les prédictions du modèle à des tests réels.
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| Cycle à rupture en fonction de l’amplitude de la déformation plastique. Identification d’une loi de fatigue de type Coffin-Manson. |
- Approche multi-échelles du comportement du cuivre
Nous avons développé un modèle micro-mécanique en élasto-viscoplasticité du comportement du cuivre en se basant sur des mesures de microstructure (texture, orientation des grains, taille des grains…). Les microstructures sont obtenues en utilisant les moyens de caractérisation dédiés du LEM3 (MEB, EBSD, Diffraction des rayons X…).
A partir de ces informations, la réponse en chargement cyclique a pu être reproduite avec une bonne précision. Ce travail est le fruit d’une collaboration avec des chercheurs (K. Kowalczyk-Gajewska and K. Frydrych de l’IPPT de Varsovie), Pologne. Un article a été soumis dernièrement [3].
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| De la microstructure au comportement cyclique du cuivre. Taille de grains versus Courbe contrainte déformation lors du 1er cycle, lors du 50ème cycle. Bon accord entre expérience et modèle multi-échelles. |
Références :
[1] Gautier Girard, Marion Martiny, Sébastien Mercier, Elastoplastic and fatigue properties of copper in printed circuit boards: from experimental characterization to numerical simulations. 21st International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, EUROSIME 2020 Virtual event, July 2020
[2] Gautier Girard, Marion Martiny, Sébastien Mercier, Experimental characterization of Rolled Annealed copper film used in flexible printed circuit boards: identification of the elastic-plastic and low-cycle fatigue behaviors, Microelectronics reliability, 2020, 115, pp. 113976
[3] G. Girard, K. Frydrych, K. Kowalczyk-Gajewska, M. Martiny, S. Mercier, Cyclic response of electrodeposited copper films. Experiments and elastic-viscoplastic mean-field modeling, Mechanics of Materials, 2021, 153, 10368