Wetting, nucleation and growth in soldering

Mouillage, germination et croissance lors du brasage en électronique Dans ce travail, nous avons étudié certains aspects fondamentaux (i) du mouillage, (ii) de germination aux interfaces réactives et au sein de la brasure et (iii) de la cinétique de croissance de couches intermétalliques au cours de l'assemblage par brasage en électronique (système Cu/liquide Sn).Le mouillage de Cu, Ag et de leurs composés avec Sn (Cu3Sn, Cu6Sn5 et Ag3Sn) par les brasures liquide Sn-Cu a été étudié par la technique de la goutte déposée dans un four à vide et suivi d'une caméra rapide. Dans la gamme de températures 300-6000C, la première étape de mouillage a lieu en moins de 10 ms et la vitesse d'étalement est d'environ 0.25 m.s-1. Au cours de cette étape (étalement non réactif) la cinétique d'étalement est pratiquement indépendante de T et similaire à celui non réactif du Pb liquide sur Cu. L'angle de contact d'équilibre de Sn liquide sur une surface non-réagi de Cu est inférieur à 300. Les angles de contact non réactifs sur Cu3Sn, atteints en moins de 10 ms, diminuent de 23 à 100 lorsque T augmente de 300 à 5000C. Au cours du mouillage sur Cu6Sn5 à 3900C, de faibles angles de contact (200) sont atteints en moins de 10 ms. Les résultats des expériences de mouillage sur Ag et Ag3Sn ont permis de proposer un mécanisme d'étalement en deux étapes: une première étape de mouillage non réactif très rapide et une seconde de mouillage réactif lente.En mettant en œuvre un dispositif expérimental d'immersion rapide et les techniques de TEM et SEM-FEG, nous avons réussi à étudier, pour la première fois, la séquence de formation des intermétalliques à l'interface Cu/alliage liquide au début de la réaction (1 ms à 1 s) à 2500C. Ces expériences donnent, pour la première fois, la réponse à une des questions les plus ouvertes et intéressantes concernant le brasage en électronique: la première phase qui se forme à l'interface Cu/Sn liquide est Cu6Sn5. Ensuite, nous avons développé une approche théorique sur les critères de suppression de la seconde phase (Cu3Sn) en supposant que Cu6Sn5 est la première qui se développe à l'interface sous forme d'une couche continue. Par ailleurs une modélisation théorique des étapes antérieures, lorsque la germination d'un embryon isolé de Cu3Sn se développe, est proposé.La cristallisation de l'alliage eutectique Sn-Cu a été étudiée par DSC en appliquant des cycles thermiques de fusion complète et partielle. Différentes catégories de degrés de surfusion ont été obtenues. En particulier, des degrés de surfusion faibles (1-7K) ont été détectés pour la première fois dans le cas de la fusion partielle. Une approche théorique sur la nucléation hétérogène est développée et les sites responsables de la germination ont été proposés.La comparaison directe de la cinétique de croissance dans le couple standard Cu/Sn liquide et celui incrémental Cu3Sn5/Sn liquide nous a permis de proposer un mécanisme de croissance de Cu6Sn à l'interface de Cu/Sn liquide. Les résultats obtenus sont compatibles avec le modèle FDR.Des expériences spécifiques de réactions interfaciales entre Cu et l'alliage liquide métastable Sn-0.7wt.%Cu à 2220C et pour des temps de réaction aussi long que 32 h ont été effectuées pour la première fois. Ceci est réalisé par des expériences spécifiques de DSC afin de contrôler l'état physique de l'alliage et la température. La comparaison directe des cinétiques de croissance et de la morphologie des couches réactionnelles formées entre les couples Cu/liquide et Cu/solide, à la même température, a conduit à la conclusion suivante: la grande différence de cinétique de croissance est due à la diffusion à l'état liquide par l'intermédiaire des canaux liquide de largeur nanométrique formés entre les joints de grains de Cu6Sn5 et/ou par des canaux cylindriques de rayon de quelques dizaines de nm formées aux joints triples des grains de Cu6Sn5. Une évaluation théorique de la largeur de ces canaux est effectuée pour la première fois et son évaluation est cohérente avec le modèle FDR.