Architectural optimisation for microelectronic packaging

International audienceThe aim of this paper is to provide a methodical approach for architectural optimization of power microelectronic devices. Because critical parameters of electronic devices are linked with reliability, architectural optimisation, selection of the geometrical parameters of device and optimization of these parameters by iteration method associated by numerical analysis of reliability have to be achieved. In this way, this paper discusses about a methodical and numerical approach for the optimization of reliability in electronic devices, in particular the influence of geometrical parameters on the device reliability

Elaboration and Properties of Carbon Fibre Reinforced Copper Matrix Composites

International audienceCarbon fibres reinforced copper matrix composites (Cu/C composites) offer an excellentthermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion. Then, these composites arecompromising heat dissipation materials for electronic application.The modern electronic devices consist of a variety of metallic, ceramic, plastic or compositecomponents. The large difference of coefficient of thermal expansion (CTE) between ceramicsubstrates, such as Al2O3 and AlN, and heat dissipation materials, such as Cu and Al, and Siand GaAs semiconductors, induces thermal stresses resulting in failures at the interfacesbetween the different layers of the devices (fig. 1). In high power dissipation packages,thermal management is an important issue to prevent thermal damage of sensitivecomponents on the silicon ship, especially for high density electronic packaging. Thermalmanagement is thus one of the critical aspects in design of multichip modules to ensurereliability of electronic devices with high packing and power densities. In this context, thereis an increasing demand of new heat dissipation materials having low CTE combined withhigh thermal conductivity, such as Cu/C composites

A MACROSCOPIC MODEL OF THE THERMO-CHEMO-MECHANICAL BEHAVIOUR OF MIXED IONIC AND ELECTRONIC CONDUCTORS

International audienceThis paper suggests a macroscopic model describing the thermo-chemo-mechanical behaviour of ceramic dense membrane for oxygen separation application. This work takes in account to oxygen permeation and strain induced by stoichiometry variation with working conditions. This model, developed within the traditional framework of phenomenological approach, is based on the assumption of strain partitions and requires only three state variables: oxygen activity, temperature and total strain. Oxygen bulk diffusion and surface exchanges are described thanks to the thermodynamic approach developed by Onsager. While many works focused on semi-permeation induced strain, the proposed model also includes the temperature effect on chemical expansion. Strains predicted by the proposed model are validated thanks to experimental test on La0.8Sr0.2Fe0.7Ga0.3O3-δ. Implemented in F.E.A code Abaqus, this model permits studying the design and the process management effects such as chemical shocks on the membrane reliability

MODELISATION DU TRANSPORT DE L'OXYGENE A TRAVERS UN OXYDE CONDUCTEUR MIXTE

National audienceLa production actuelle d'oxygène pure est réalisée essentiellement par cryogénie (-180 °C). Or de nombreux procédés industriels, comme le reformage du méthane, utilisent ce gaz à haute température (entre 650 et 1000 °C suivant le procédé). Il en résulte une perte énergétique importante. Une des solutions envisagées est la séparation de l'oxygène contenu dans l'air à haute température via une membrane céramique dense présentant des propriétés de conduction mixte. Ces membranes ont une structure pérovskite sous-stoechiométrique, qui induit la formation de lacune d'oxygène favorisant une conduction ionique d'oxygène. De plus, la structure pérovskite implique un nombre important de cations favorisant une conduction électrique. À haute température, lorsque la membrane est soumise à un gradient de pression partielle d'oxygène, les anions d'oxygène diffusent à travers celle-ci. Les électrons diffusent dans le sens opposé, afin d'assurer l'électroneutralité. Cela est dû à la propriété de semi-perméation de l'oxygène qui correspond à l'ensemble des mécanismes de transport à travers la membrane (en surface et en volume). La structure cristalline n'est toutefois pas modifiée par cette migration d'espèces. Pour la majorité des conducteurs mixtes, la semi-perméation induit des déformations dites chimiques du même ordre de grandeur que la dilatation thermique. Ainsi pour évaluer les contraintes que subit la membrane au sein d'un réacteur en fonctionnement, un modèle thermo-chimio-mécanique contenant une modélisation complète de la semi-perméation est indispensable. Après avoir décrit les phénomènes de la semi-perméation mis en jeu, plusieurs modèles d'échanges ioniques en surfaces seront étudiés. Finalement, un nouveau modèle sera proposé

Etude et modélisation du comportement thermo‐chimio-­mécanique des oxydes conducteurs mixtes

National audienceLa séparation de l'oxygène de l'air est couramment réalisée par distillation cryogénique. Depuis un peu plus de 30 ans, les oxydes conducteurs mixtes semblent constituer une alternative intéressante pour la production d'oxygène ultra pur. L'oxygène est séparé de l'air, à haute température, par conduction ionique à travers une membrane céramique dense. Tous les procédés nécessitant de l'oxygène (oxycombustion, métallurgie, domaine médical, ...) sont des applications possibles de cette technologie. Les conducteurs mixtes sont des matériaux céramiques dans lesquels deux espèces chimiques se déplacent : une espèce ionique et une espèce électronique. Le rapport des conductivités électroniques et ioniques est tel que la neutralité électrique est conservée. Cette propriété est obtenue par dopage d'une céramique (le plus souvent de structure perovskite) qui génère la présence de défauts, notamment des lacunes d'oxygène. Le composé est alors qualifié de sous-stœchiométrique en oxygène. Les écarts à la stœchiométrie sont fonction de l'oxyde de départ, de la température et de l'activité chimique des composés. En service, la fluctuation de la stoéchiométrie, résultant du chargement thermique et du flux des ions oxygène à travers la membrane, occasionne des déformations du réseau cristallin qui se traduisent macroscopiquement par une déformation de la membrane et une modification (faible) des propriétés mécaniques. Afin de confirmer le rôle de ces déformations dites "chimiques" dans la rupture des membranes et d'étudier l'influence de paramètres telles que la géométrie (scellement céramique/métal) ou les conditions opératoires, un modèle macroscopique du comportement thermo-chimio-mécanique de ces céramiques a été développé et implémenté dans le logiciel Abaqus. La modélisation est relativement complète, tant du point de vue du comportement de la membrane que des sollicitations : la déformation chimique est prise en compte par l'intermédiaire d'un comportement thermomécanique dédié ; le transport ionique de l'oxygène est également reproduit via une loi de transport dédiée, en lien avec l'évolution du champ de température. La simulation d'essais de dilatométrie sous différentes atmosphères contrôlées permet d'illustrer les capacités actuelles du modèle ainsi que ses limites. Enfin, ce modèle a permis de simuler les différentes phases de fonctionnement d'un réacteur pilote, développé par Air Liquide. Les prévisions obtenues sont pertinentes et mettent en lumière l'origine de certaines des difficultés actuelles de transfert de la technologie à l'échelle industrielle

Oxygen permeation, thermal and chemical expansion of (La, Sr)(Fe, Ga)O3−δ perovskite membranes

International audienceDense ceramic membranes made from mixed conductors are interesting because of their potential applications formethane conversion into syngas (H2 and CO mixture). Such membranes need to present a low differential dimensional variation between the opposite faces submitted to a large gradient of oxygen partial pressure, in order to minimize mechanical stresses generated through the membrane thickness. Besides, high oxygen permeability is required for high methane reforming rate. La(1−x)SrxFe(1−y)GayO3−δ materials fulfil these two main requirements and were retained as membranes in catalytic membrane reactors (CMR). The variations of expansion and oxygen permeation of La(1−x)SrxFe(1−y)GayO3−δ perovskite materials with the partial substitution of lanthanum and iron cations, temperature and oxygen partial pressure, were studied. For low temperatures (800 ◦C), TEC, then dimensional stability of the membrane, and oxygen permeation of La(1−x)SrxFe(1−y)GayO3−δ materials, are significantly affected by Sr content and oxygen partial pressure. Ga has a stabilisation effect on the TEC and has no influence on oxygen permeation flux. A good compromise between dimensional stability and oxygen permeation of materials was found to be La0.7Sr0.3Fe0.7Ga0.3O3−δ compositio

Influence of irradiation parameters on the polymerization of ceramic reactive suspensions for stereolithography

Stereolithography is an additive manufacturing process which makes it possible to fabricate useful complex 3D ceramic parts, with a high dimensional resolution and a good surface finish. Stereolithography is based on the selective UV polymerization of a reactive system consisting in a dispersion of ceramic particles in a curable monomer/oligomer resin. In order to reach a homogeneous polymerization in the green part, and to limit the risk of cracking and/or deformation during subsequent stages of debinding and sintering due to internal stresses, the influence of various fabrication parameters (laser power, scanning speed, number of irradiations) on the degree of polymerization was investigated. In addition, the impact of the irradiation of the subsequent upper layers onto the previously deposited and irradiated layers was evaluated. The degree of conversion was determined by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Raman spectroscopy was also used and a brief comparison between these two methods is given

High permittivity processed SrTiO3 for metamaterials applications at terahertz frequencies

High permittivity SrTiO3 for the realization of all-dielectric metamaterials operating at terahertz frequencies was fabricated. A comparison of different processing methods demonstrates that Spark Plasma Sintering is the most effective sintering process to yield high density ceramic with high permittivity. We compare this sintering process with two other processes. The fabricated samples are characterized in the low frequency and in the terahertz frequency ranges. Their relative permittivities are compared with that of a reference SrTiO3 single crystal. The permittivity of the sample fabricated by Spark Plasma Sintering is as high as that of the single crystal. The role of the signal-to-noise ratio in the measurements at terahertz frequency is detailed

Séminaire invité : Oxygen transport mechanisms through mixed conductors, JSPS projet

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