Evaluation des contraintes subies par les composants électroniques enrobés Objectifs du surmoulage des composants électroniques : permettre une bonne conductivité thermique ; améliorer la tenue mécanique (face aux vibrations, chocs, etc.) ; assurer l isolement électrique ; assurer «l inviolabilité» de la carte électronique ; protéger contre l environnement extérieur ; assurer la biocompatibilité. Conséquence du surmoulage : contraintes thermomécaniques sur les composants. 1
Quelques applications Secteur de l électronique et de la microélectronique : > micropuces de surveillance ; > surmoulage de connections de circuits flexibles ; > dam and fill de micropuces ; > cartes électroniques. Secteur médical : > pacemakers / défibrillateurs. Les résines d encapsulation Deux familles de résines de surmoulage : > Résines thermodurcissables > Résines thermofusibles > Résines thermoplastiques 2
Les résines d encapsulation Deux familles de résines de surmoulage Type de famille de résines Résines thermodurcissables Résines thermofusibles/thermoplastiques Matériaux concernés Silicones Polyuréthannes Méthacrylates Epoxydes Polyamide / Polyamides chargés Polyuréthanne Polypropylène Températures Moulage lors de la réticulation Transitions vitreuses Moulage lors du refroidissement Transitions vitreuses Température de ramollissement Evaluation des contraintes thermiques internes subies par les composants σ 1 = E ε retrait Retrait de réticulation ou de solidification σ 2 = E ε thermique Approximation des petites déformations : ε = e σ = E α (θ θ meo ) 3
DMA (Analyse Mécanique Dynamique) et TMA (Analyse Thermo-Mécanique) Schéma de principe d un appareil de DMA A : Moteur linéaire qui permet d'appliquer une contrainte constante, dynamique ou une combinaison des deux C : Châssis rigide F : Enceinte thermostatée G : Dispositif de mesure mécanique sollicitant l'échantillon H : Enceinte thermostatée de l'échantillon I : Four en céramique permettant de chauffer à très grande vitesse (,1 à 1 C / min) et comprenant un thermocouple de mesure de température de l'échantillon J : Purge de gaz permettant d'avoir une atmosphère constante autour de l'échantillon K : Bloc isolant L : Circuit de refroidissement comprenant une circulation à l'eau au dessus de l'ambiante et un bain d'azote liquide en dessous de l'ambiante. 4
Sollicitation de l échantillon lors d une mesure en DMA Mors mobile + l l - l l +/- l Echantillon Charge statique de l échantillon Sollicitation dynamique autour de la charge statique www.triton-technology.co.uk/ Force Statique et déplacement Force statique (N) 2,5 2, 1,5 1,,5, -75, -55, -35, -15, 5, 25, 45, 65, 85, 15, 125, 145,,1, -,1 -,2 -,3 -,4 -,5 Déplacement statique (mm) Température ( C) Force Statique Déplacement statique 5
www.triton-technology.co.uk/ Dynamic Force and displacement FORCE FORCE DYNAMIQUE DYNAMIQUE ET DEPLACEMENT ET DEPLACEMENT DYNAMIQUE DYNAMIQUE Force dynamique (N) 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, -75, -55, -35, -15, 5, 25, 45, 65, 85, 15, 125, Force Dynamic Dynamique Force Température Déplacement ( C) dynamique 145,,18,16,14,12,1,8,6,4,2, Déplacement dynamique (mm) Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > polyuréthanne «electrolube UR 568» Dynamic Properties vs Temperature - electrolube - 2h à 8 C - DMTA de www.triton-technology.co.uk 1,E+1 1,4 Modulus (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 Tg ( C)=2.2 1,2 1,,8,6,4,2 Tan Delta 1,E+5, -6, -4, -2,, 2, 4, 6, 8, 1, 12, Temperature (C) Modulus Loss modulus Tan Delta 6
Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > polyuréthanne «ICT Icthanne ET 183 A VO / 1722B» Dynamic Properties vs Temperature - ICT - 4h à 6 C - DMTA de www.triton-technology.co.uk 1,E+1 Modulus Loss modulus Tan Delta 1,4 Modulus (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 Tg ( C)=-13.8 1,2 1,,8,6,4,2 Tan Delta 1,E+5, -6, -4, -2,, 2, 4, 6, 8, 1, 12, Temperature (C) Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polyamide «OPTIMEL OM 652» Propriétés dynamiques de la résine OM 652 en fonction de la température (1 Hz) Module (Pa) 1,E+1 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 Temperature =-14.5 C -75-55 -35-15 5 25 45 65 85 15 125 145 Température (C),4,35,3,25,2,15,1,5 7
Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polyamide «OPTIMEL OM 673» Module (Pa) Propriétés dynamiques de la résine OM 673 en fonction de la température (1 Hz) 1,E+1 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 Température =-12.4 C -75-55 -35-15 5 25 45 65 85 15 125 145 Température ( C),3,25,2,15,1,5 Evaluation des contraintes thermiques générées par les résines > Evolution du cœfficient de dilatation en fonction de la température Coefficient de dilatation thermique (1-6/K) 25, 2, 15, 1, 5,, -1, -5,, 5, 1, 15, température ( C) 8
Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > résine époxyde Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > résine époxyde «BFi OPTiLAS ES 1» 1,4E+9 1,32E+9 1,2E+9 1,22E+9 1,E+9 1,3E+9 ES 1 E (Pa) 8,1E+8 6,1E+8 6,E+8 4,1E+8 4,15E+8 2,1E+8 1,7E+8 1,E+7 5,E+6 1,E+6-7 -6-5 -4-3 -2-1 1 T ( C) 9
Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > silicone «SMAC CQX 911» Silicone CQX 911 E (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+9 6,17E+8 3,8E+8,46,35,23 2,29E+8 1,38E+8 6,61E+7 9,77E+7 7,94E+7 7,8E+7,185,18,171,177,18,18 1 Tg pertes 1,E+7-1 -9-73 -48-27 -2,9 12,7 3 46,2 T ( C),1 F = 44,1 Hz Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > polyimide Polyimide 1,E+1 1,4 1,E+9 5,5E+9 4,5E+9 2,57E+9 1,3 1,2 1 E (Pa) 1,E+8 1,E+7,55,56,63 1,5E+8,683 1,45E+7,575 8,5E+6,57 7,5E+6,8,6,4,2 Tan pertes 1,E+6 178 199 25 214 226 229 232 T ( C) 1
Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > La famille des acryliques Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polypropylène 11
Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polychlorure de vinyle Evaluation des contraintes thermiques moyennes générées par les résines polyamides Evolution des contraintes en fonction de la température - OM 652 1,E+8 Contrainte (Pa) 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E+ -6-4 -2 2 4 6 8 1 12 14 Température 12
Allure des courbes Contrainte moyenne/ Température de quelques matériaux Evolution de la contrainte en fonction de la température Comparaison des références Optimel OM 652 et OM 673 avec des résines polyuréthannes Contrainte (Pa) 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 OM 673 OM 652 PU 5 Shore D PU 8 Shore A 1,E+1 1,E+ -6-4 -2 2 4 6 8 1 12 14 Température ( C) Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» et «ICT Icthanne» bords libres > Visualisation du modèle et des déformations T = 1 C T = - 5 C 13
Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» bords libres > Visualisation des contraintes au niveau des soudures des composants Contrainte (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E+ s fonction température -6-4 -2 2 4 6 8 1 12 Température ( C) Calcul analytique (Contraintes moyennes) Cylindre (Contraites à la base) Hexagone (Contraintes à la base) Calcul par éléments finis > Polyuréthanne «ICT Icthanne» bords libres > Visualisation des contraintes au niveau des soudures des composants Contrainte (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E+ s fonction température -1-5 5 1 15 Température ( C) Calcul analytique Contraintes moyennes Cylindre (Contraintes à la base) Hexagone (Contraites à la base) 14
Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» et «ICT Icthanne» dans le boîtier > Visualisation des déformations T = 1 C T = - 5 C Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» dans le boîtier > Visualisation des contraintes au niveau des soudures des composants 1,E+9 1,E+8 1,E+7 s fonction Température Cylindre (Contraintes à la base) Hexagone (Contraintes à la base) Calcul analytique Contraintes moyennes Contrainte (Pa) 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E+ -6-4 -2 2 4 6 8 1 12 Température ( C) 15
Calcul par éléments finis > Polyuréthanne «ICT Icthanne» dans le boîtier > Visualisation des contraintes au niveau des soudures des composants 1,E+8 1,E+7 1,E+6 s fonction Température Cylindre (Contraintes à la base) Hexagone (Contraintes à la base) Calcul analytique Contraintes moyennes Contrainte (Pa) 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E+ -6-4 -2 2 4 6 8 1 12 Température ( C) Conclusions Les calculs analytiques : > nécessitent la connaissance des valeurs expérimentales des modules et CTE en fonction de la température ; > ce sont surtout les évolutions des modules en fonction de la température plus que les dépendances des CTE qui expliquent les variations de contraintes internes ; > ces valeurs peuvent atteindre pour les basses températures des valeurs de l ordre de 1Mpa (1 kg par mm²). 16
Conclusions Les calculs précis par éléments finis : > nécessitent des temps de calculs importants ; > prédisent des valeurs de contraintes maximales locales très élevées et permettent de mieux sélectionner la résine de surmoulage correspondant au cahier des charges défini. 17