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«Frittage de pâte de nano et micro grains d'argent pour l'interconnexion dans un module de mécatronique de puissance : Elaboration, caractérisation et mise en œuvre» par Nadim Alayli

Présentée par : Nadim Alayli Discipline : Physique Laboratoire : LATMOS

Résumé :
Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au développement de modules mécatroniques de puissance adaptés aux nouveaux besoins et normes de l’industrie de l’automobile dans le contexte de l’impact des enjeux climatiques et de la mondialisation sur la démarche industrielle. Nous avons axé notre recherche sur de nouveaux matériaux, sous forme de nano grains d’argent et de procédés d’élaboration par frittage sous pression, dans une démarche d’innovation radicale par opposition à l’innovation incrémentale. Trois techniques de frittage de poudres d’argent ont été explorées comme procédé d’assemblage de deux substrats métalliques : le frittage de la poudre par SPS, par HIP et par presse chauffante (HP). Les propriétés structurales du matériau fritté en fonction des paramètres de frittage (température, pression et durée) ont été étudiées par MEB, EBSD, DRX et par densitométrie. Les résultats sur les propriétés microstructurale et morphologique du matériau fritté telles que la densité, la taille et l’orientation cristallographique des grains nous ont conduit au choix du SPS comme meilleure technique d’assemblage. La conductivité thermique et électrique du matériau élaboré, déterminées par des méthodes classiques (Van Der Pauw et Flash Laser) ou développées à l’UVSQ (Ellipsométrie), nous ont permis de caractériser les échantillons frittés. Les valeurs de ces propriétés de transport, ont été utilisées pour comparer le comportement de l’argent fritté à celui du Pb92,5Sn5Ag2,5 utilisé comme matériau d’interconnexion, dans une étude préliminaire de modélisation et de simulation par la méthode des éléments finis avec le logiciel COMSOL. Les résultats obtenus montrent que l'argent fritté maintient une température inférieure au niveau de la puce et on s'attend à mieux minimiser l'impact des effets thermiques et ainsi améliorer la fiabilité des modules mécatroniques de puissance.

Abstract :
In this work, we were interested in the development of mechatronic power module adapted to new needs and standards of the automotive industry in the context of the impact of climate issues and globalization on the industrial approach. We have focused our research on new materials in the form of nano silver grains and processes developed by sintering under pressure in a process of radical innovation as opposed to incremental innovation. Three techniques of sintering powders of silver have been explored as a method to connect two metal substrates: the sintering of the powder by SPS by HIP and hot press (HP). The structural properties of the sintered material as a function of the sintering parameters (temperature, pressure and duration) were studied by SEM, EBSD, XRD and by densitometry. The results on the microstructural and morphological properties of the sintered material such as density, size and crystallographic orientation of the grains have led to the choice of the SPS as the best joining technique. The thermal and electrical conductivity of the sintered material, determined by conventional methods (Van Der Pauw and Laser Flash) or developed at UVSQ (ellipsometry), allowed us to characterize the sintered samples. The values of these transport properties were used to compare the behavior of the sintered silver to that of Pb92, 5Sn5Ag2,5 used as interconnect material in a preliminary study by modeling and simulation using the finite element method of COMSOL software. The results obtained showed that sintered silver maintains a lower temperature at the chip and is expected to better minimize the impact of those thermal effects and thus improve reliability of power mechatronics modules.
Informations complémentaires
El Houssaïne EL RHALEB, Professeur des Universités, à l’Université Mohammed V/Laboratoire de Physique Théorique - URAC 13 - Rabat (Maroc) - Rapporteur
Claude ESTOURNES, Directeur de Recherche, à l’Université Paul Sabatier/Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) - Laboratoire de Chimie des Matériaux Inorganiques et Energétiques - UMR CNRS 5085 - Toulouse - Rapporteur
Pierre-Richard DAHOO, Professeur des Universités, à l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines/Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS) - Guyancourt - Directeur de thèse
Armelle GIRARD, Maître de Conférences, à l’ONERA/Laboratoire d’Etude des Microstructures (LEM) - UMR 104 - Châtillon - Co-Directeur de thèse
Philippe POUGNET, Docteur, à Valeo - Cergy-Pontoise - Examinateur
Frédéric SCHOENSTEIN, Maître de Conférences, à l’Université de Paris 13 - Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM) - Villetaneuse - Examinateur
Suat TOPSU, Professeur des Universités, à l’Université de Versailles Saint-Quentin-en- Yvelines/Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV) - Versailles - Examinateur
Andreas ZEINERT, Maître de Conférences, Habilité à Diriger des Recherches, à l’Université de Picardie/Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC) - EA 2081 - Amiens - Examinateur
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