On the design of a new test method to characterize the delamination of thermosetting polymer under thermal mixed mode loading
Conception d'un nouveau protocole expérimental pour la caractérisation du délaminage des polymères thermodurcissables sous chargement thermique en mode mixte
Résumé
Crack propagation in integrated circuits is a major failure cause of electronic components. In the automotive branch, a highly competitive market, failure is not allowed and reliability can make the difference to gain market shares. For this reason, many efforts and researches were conducted in this field during the last decades. In automotive applications, electronic parts have to challenge heavy life conditions, such as vibrations, wide temperature variations, humidity, oil aggressions, etc. In particular, cyclic thermal variations bring incompatible thermal strains along materials interfaces, and leads to interfacial crack propagation (delamination) between copper leadframes used as conductor and polymeric molding compound used to encapsulate devices. Delamination causes then the cracking of the encapsulant and finally the failure of the electronic component. Predicting the interfacial delamination in electronic packages is key to enhance reliability. As detailed in this work, delamination strength of interfaces involving molding compounds depends on many influences. Its characterization required numerous kinds of test, involving heavy costs and long testing periods. In this work, a low cost test setup is proposed to characterize the molding compound/copper interface regarding the different influences already mentioned. The delamination toughness of the copper/polymeric molding compound is characterized with a classic molding compound of the market with respect to the mode mixity (ratio of loading mode II/mode I), temperature, and load rate. Moisture effect is also investigated. The critical energy release rate for the investigated interface is estimated using the classical numerical-experimental correlation used in fracture mechanics. For the investigated material pair, the interfacial toughness exhibits viscoelastic properties and an own time-temperature superposition principle. Obtained interfacial parameters are defined in Abaqus. The latter is widely benchmarked for problems involving delamination and viscoelastic materials. In the case of cracking between two dissimilar materials, the analytical solution of the stress and strain fields at delamination front depends on a characterisctic reference length. The choice of this refence length, conditioning the the mode mixity estimation, is also addressed. The reference length is experimentally characterized for the different investigated temperature.
La propagation des fissures dans les circuits intégrés est l'une des causes principales de défaillance de ces circuits. Sur le marché automobile fortement concurrentiel, les défaillances ne sont pas permises, et la fiabilité demeure un critère pouvant faire la différence pour gagner des parts de marché. Pour cette raison, de nombreux efforts et recherches ont vu le jour durant les dernières décennies. Dans le cas des applications liées à l'automobile, les composants électroniques sont confrontés à de lourdes contraintes, telles que vibrations, importants changements de température, projections d'eau ou de dérivés pétroliers, etc. Les variations de température génèrent en particulier des déformations thermiques souvent incompatibles au niveau des interfaces entre matériaux, ce qui provoque dans les circuits intégrés le décollement des conducteurs cuivrés de l'enrobage polymérique utilisé pour la protection du composant (délaminage). Le délaminage aboutit par la suite à la fissuration propre de l'encapsulant puis à la défaillance du composant. L'amélioration de la fiabilité des composants requiert par conséquent de pouvoir prédire le délaminage aux interfaces cuivre/matériau d'encapsulation. Tel que démontré dans ces travaux, la ténacité interfaciale dépend de plusieurs influences. Une caractérisation complète requiert de nombreux tests, mettant en jeu différents types d'appareillages et d'éprouvettes, ce qui génère de nombreux coûts et un temps d'exécution important. Une méthode de test à faible coût est proposée dans ce document pour la caractérisation des interfaces cuivre/encapsulant dans les différentes conditions évoquées. Cette méthode a été mise en pratique avec succès pour caractériser un matériau d'encapsulation classiquement utilisé dans l'industrie automobile. L'influence de la mixité des modes de rupture, de la température, de la vitesse de chargement ainsi que de l'humidité ont été étudiées. Les techniques habituelles en mécanique de la rupture de corrélation résultats expérimentaux-simulations ont été utilisées pour déterminer le taux de restitution d'énergie critique dans les différents cas. La ténacité de l'interface cuivre/matériau d'encapsulation s'est révélée suivre un comportement viscoélastique, incluant des propriétés propres de superposition temps-température. Les paramètres interfaciaux obtenus ont finalement été définis dans l'outil de simulation MEF Abaqus. Ce dernier a d'ailleurs été l'objet de nombreuses vérifications en ce qui concerne la simulation des problèmes de délaminage des matériaux viscoélastiques. Dans le cas de la fissuration entre deux matériaux hétérogènes, la description analytique des champs de contrainte et de déformation en pointe de fissure fait appel à une longueur de référence. Le choix de cette longueur de référence est abordé dans ce document. Cette dernière est déterminée expérimentalement pour les différentes températures testées.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)