Spectroscopic Ellipsometry Study of Spark Plasma Sintered Nano Silver

International audienceSpark Plasma Sintered (SPS) silver layers were studied by Spectroscopic Ellipsometry (SE) using an M-2000V spectroscopic ellipsometer from J. A. Woollam Co., Inc. which operate in rotating compensator mod

Frittage de pâte de nano et micro grains d'argent pour l'interconnexion dans un module de mécatronique de puissance (élaboration, caractérisation et mise en oeuvre)

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.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.VERSAILLES-BU Sciences et IUT (786462101) / SudocSudocFranceF

Reliabilty of Mechatronic systems from analysis by MEB and SE spectroscopy

International audienc

Spark Plasma Sintering constrained process parameters of sintered silver paste for connection in power electronic modules: Microstructure, mechanical and thermal properties

International audienceProcessing parameters of Spark Plasma Sintering (SPS) technique were constrained to process nano sized silver particles bound in a paste for interconnection in power electronic devices. A novel strategy combining debinding step and consolidation processes (SPS) in order to elaborate nano-structured silver bulk material is investigated. Optimum parameters were sought for industrial power electronics packaging from the microstructural and morphological properties of the sintered material. The latter was studied by Scanning Electron Microscope (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD) to determine the density and the grain size of crystallites. Two types of samples, termed S1 (bulk) and S2 (multilayer) were elaborated and characterized. They are homogeneous with a low degree of porosity and a good adhesion to the substrate and the process parameters are compatible with industrial constraints. As the experimental results show, the mean crystallite size is between 60 nm and 790 nm with a density between 50% and 92% resulting in mechanical and thermal properties that are better than that of lead free solder. The best SPS sintering parameters, the applied pressure, the temperature and the processing time were determined as being 3 MPa, 300 °C and 1 min respectively when the desizing time of the preprocessing step was kept below 5 min at 150 °C. Using these processing parameters, acceptable for automotive packaging industry, a semi-conductor power chip was successfully connected to a metalized substrate by sintered silver with thermal and electrical properties better than those of current solders and with thermomechanical properties allowing absorption of thermoplastic stresses

Etude du frittage de particules d'argent pour la connexion dans un système électronique de puissance

International audienceCe travail propose l'explication et la mise en place d'une technique innovante pour l'obtention de matériaux en fonction des conditions d'élaboration et de frittage d'un matériau conducteur thermique, possédant des propriétés élastiques et élaboré à basse température et à basse pression (avec une maîtrise de la densité et de la taille de grain). Ce matériau fritté doit être ensuite utilisé pour la connexion par diffusion dans un assemblage électronique de puissance. Le choix du matériau s'est porté sur une poudre d'argent. Trois techniques de frittage ont été explorées pour connecter une poudre d'argent entre deux substrats métallique : une presse chauffante, SPS, et CIC. L'objectif est ici de comparer les propriétés structurales en fonction des paramètres de frittage (température, pression et temps) pour chaque technique de mise en forme explorée. Des observations par MEB ainsi que des mesures par DRX ont permis d'obtenir des informations sur les propriétés microstructurale et morphologique du matériau fritté telles que la densité et la taille des cristallites

Reliabilty in mechatronic systems from TEM , SEM and SE material analysis

Mechatronic systems designed to comply to new EU directives are studied through interconnections by electronic or photonic probes, SEM, TEM, SE or 3D Tomography. Leaded and lead free modules assembled by standard interconnection technologies are studied for robustness relative to thermal accelerated life tests. Results obtained from JEOL 6060LV SEM and Optical Microscopy show that although slow growth rate of inter-metallics (IMC) is consistent with expected reliability, they are responsible for propagation of cracks especially in the presence of gold on PCB side. Innovative Low Temperature Joining (LTJ) technology applied to nano or micro silver pastes which should reduce IMC effects are tested on mechatronic systems. Results obtained from SEM, TEM and 3D Tomography will be shown as well as non destructive Spectroscopic Ellipsometry studies of samples. Pressureless LTJ technology is unsuitable for robust interconnection