Thèse CNES / THALES ALENIA SPACE / CIMULEC
Titre de la thèse : Caractérisation et modélisation thermo-mécaniques de structures circuits imprimés complexes destinées aux applications spatiales radiofréquences et micro-ondes
Doctorant : Gautier GIRARD
Démarrage : Octobre 2015
Les circuits imprimés jouent un rôle prépondérant dans la réalisation des équipements électroniques. Ils permettent l’ensemble des interconnexions des différents composants nécessaires au fonctionnement du système électronique. Leur qualité et leur fiabilité sont des éléments essentiels à prendre en compte dès la phase de conception.
La mixité des matériaux en présence (polymères, fibres de verre, métaux, …) fait des circuits imprimés des structures composites complexes avec un comportement en chargement thermomécanique difficile à appréhender, pouvant engendrer différents modes de défaillance au cours de la vie de l’équipement électronique.
Dans les applications spatiales hyperfréquences, et pour répondre aux exigences de performances électriques, cette mixité est exacerbée par la combinaison, pour une même structure, de différentes natures de polymères (thermoplastique et thermodurcissable).
Au fil des ans, les besoins d’amélioration des performances électriques et d’augmentation du niveau d’intégration dans les circuits multicouches ont conduit à une complexité accrue avec, de plus, un panel de matériaux disponibles chez les fournisseurs large et en constante évolution, pour un nombre de pièces produites relativement réduit par rapport aux circuits pour applications Basses Fréquences. Dans ces conditions, la mise en place de nouvelles générations de circuits imprimés pour applications hyperfréquences avec un haut degré de fiabilité est très délicate.
Dans ce contexte, le sujet de thèse proposé a pour objet de caractériser et modéliser le comportement des circuits imprimés en fonction de tous les paramètres ayant une influence sur leur fiabilité. Les résultats permettront d’améliorer la conception et la fiabilité des futurs circuits imprimés micro-ondes et radio fréquences utilisés en environnement spatial, en mettant en lumière les configurations critiques ou encore les incompatibilités potentielles.
Expérimentalement, il a été observé deux causes de défaillance possibles : rupture des futs métallisés et décohésion au niveau des interfaces.
Un point important est de bien définir le comportement des matériaux constitutifs, par exemple pour le cuivre électrolytique déposé. En effet, le cuivre électrolytique est le matériau à l’origine de la première cause de défaillance dans les futs métallisés des circuits imprimés.
Cette thèse comporte un volet essais mécaniques en chargement cyclique pour définir ce comportement pour un mode de chargement proche de celui vécu par le cuivre dans les circuits imprimés.
Dans un deuxième temps, la décohésion des interfaces au niveau des différents matériaux constituant l’assemblage sera pris en compte. Par la décohésion des interfaces, les zones de fortes concentrations de contraintes peuvent évoluer spatialement, modifier les déformations plastiques cumulées lors des cycles et donc influer sur la durée de vie des circuits.
Le développement des moyens de calcul et d’outils performants permet aujourd’hui de traiter finement des modèles de circuits imprimés en 3 dimensions. Le projet permettra aussi de voir si l’utilisation des simulations 3D, très coûteuses en temps de calculs, est nécessaire ou si des modèles 2D bien adaptés suffisent.
Thèse H2020-MSCA-ITN-2015 Outcome Project
Titre de la thèse : Modelling of delamination and interface strength in printed circuit boards (PCBs)
Doctorant : Essossinam SIMLISSI
Démarrage : Octobre 2016
A printed circuit board is a passive component which allows to interconnect electronic components soldered on the outer layers in order to realize a complex electronic system. It is a complex multi-layer assembly developed for a very specific goal which requires expertise in mechanical and material sciences. In order to reach the expected performance and lifetime in harsh environments dedicated high-performance base materials are required. During its lifetime, the PCB undergoes a large number of thermal cycles which can lead to the breakup of copper path. In addition, when active components are soldered on the PCB, a thermal shock is produced. It has been detected that the use of certain combination of based materials leads to delamination, which damages the PCB and limits its service-life. We will investigate the delamination process and the evolution of the strength of interfaces from both theoretical and experimental sides. Within this context, we will develop a research on the damage and failure processes of PCBs subjected to thermal cycling. A theoretical model will be specifically developed in order to predict the onset and evolution of damage and failure. The predictions of the theoretical model will be compared with own experiments specifically conducted for that purpose (to check the reliability of the model predictions). The planned experiments are peeling tests at various temperatures performed for various pairs of materials frequently used to manufacture the PCBs.
Sujet Post-doctoral : Flatness of PCBs under thermo-mechanical loadings
Post-Doctorant : Hassan OBEID
Démarrage : Janvier 2016
A PCB is a multi-materials with a large number of layers. The board contains also a large number of plated through holes to ensure the electrical connectivity. During its lifetime, the board may sustain complex thermo-mechanical loadings. In addition, it has been designed for a specific application. Thus, an optimum design has to be found between all requirements.
To create the board, the layers are backed at elevated temperature. Due to curing of the resin, a shrinkage can occur which will generate residual stresses and strain. Since the pcb is built for a specific use and with a large number of layers, the composite structure does not always present the mirror symmetry. As a consequence, the flatness of the board after the curing is not ensured. The goal of the research is to develop a predictive tool to ensure that the board will remain flat, after processing but also during the thermal loading faced by the PCB. The board is not simply an assembly of layers but contains also PTH and sometimes passive components. All these ingredients must be accounted for in the modeling.