Essai de fiabilité qui applique de façon répétée des températures hautes et basses pour évaluer la fatigue des joints de brasure ainsi que la fissuration ou le délaminage du boîtier dus aux différences de dilatation thermique entre matériaux.
Nom japonais: 温度サイクル試験
« Essai de cyclage thermique » apparaît dans 2 questions d'entraînement réparties sur 1 thèmes, dont Fiabilité.
Domaine: Fiabilité
Un boîtier de semi-conducteur est fait de matériaux aux coefficients de dilatation thermique différents : la puce en silicium, le composé de moulage, la grille de connexion ou le substrat, la brasure et la carte de circuit imprimé. Le coefficient du silicium est faible, environ 3 ppm/K, tandis que la carte et la brasure se dilatent plusieurs fois plus ; chaque variation de température transforme donc la différence de dilatation en déformation des joints et des interfaces. Chaque cycle de déformation est faible, mais la répétition fait progresser la fatigue du métal jusqu'à l'apparition de fissures. Le cyclage thermique concentre cette répétition sur une courte période et détermine au bout de combien de cycles la défaillance survient.
Les pièces sont cyclées dans une enceinte à air et maintenues un temps fixé à chacune des températures haute et basse. Dans les normes JEDEC (série JESD22), des plages comme −55 à 125 °C ou −65 à 150 °C sont des conditions typiques, avec des centaines à des milliers de cycles. La norme automobile AEC-Q100 utilise des conditions qui dépendent de la classe de température. Outre les essais au niveau composant, après lesquels on examine le boîtier et les liaisons internes, il existe des essais au niveau carte qui montent les pièces sur une carte de circuit imprimé et comptent les cycles jusqu'à la défaillance des joints de brasure.
Une défaillance typique est une fissure de fatigue dans un joint de brasure ; dans un BGA, les billes proches des coins du boîtier cèdent généralement les premières. À l'intérieur du boîtier apparaissent des fissures aux liaisons réalisées par câblage par fil ou au talon du fil, du délaminage entre le composé de moulage et la puce ou la grille de connexion, et des fissures dans la puce ou la couche de passivation. Les essais au niveau carte détectent les ruptures en surveillant la résistance d'une chaîne en guirlande (daisy chain) qui relie de nombreux joints en série. Le délaminage se contrôle par microscopie acoustique à balayage et les fissures internes par coupes micrographiques.
Les essais de choc thermique appliquent des variations de température plus rapides que le cyclage thermique en déplaçant rapidement les échantillons entre des enceintes chaude et froide ou en les plongeant dans des liquides. Le cyclage en puissance échauffe les composants en y faisant passer du courant plutôt qu'en les chauffant de l'extérieur, en répétant des cycles marche-arrêt ; il est important pour évaluer les modules de puissance. Pour estimer la durée de vie sur le terrain à partir des résultats de cyclage thermique, on utilise la relation de Coffin-Manson, dans laquelle le nombre de cycles jusqu'à la défaillance est inversement proportionnel à une puissance de l'amplitude de température. Pour la brasure, cette puissance serait voisine de 2, si bien que diviser par deux l'amplitude de température multiplie environ par quatre la durée de vie en cycles.
Réponse : B. Les fissures des joints de brasure et des boîtiers dues aux différences de coefficient de dilatation thermique des matériaux
L'essai de cyclage thermique applique de plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois des alternances de haute et basse température, par exemple de −55 à 125 ℃. La puce (environ 3 ppm/K), le substrat, la résine d'encapsulation, la brasure, etc. ayant des coefficients de dilatation thermique différents, chaque variation de température crée des déformations qui provoquent la rupture par fatigue des joints de brasure ainsi que des fissures et délaminations des boîtiers. La relation entre durée de vie et amplitude thermique s'exprime par la loi de Coffin-Manson. Les erreurs logicielles et les défauts de rafraîchissement s'évaluent par d'autres essais.
Les deux alternent températures hautes et basses, mais l'essai de choc thermique applique des variations plus brusques, par exemple en déplaçant les échantillons entre des bains liquides. Le cyclage thermique fait varier la température dans l'air et maintient chaque extrême un temps fixé ; il évalue surtout la fatigue des joints due à la répétition.
Par exemple, −55 à 125 °C ou −65 à 150 °C sont typiques. La plage et le nombre de cycles dépendent de la norme applicable, de la classe de température du produit et du fait que l'essai porte sur des composants seuls ou sur des pièces montées sur carte.
La relation de Coffin-Manson donne un facteur d'accélération à partir du rapport des amplitudes de température en essai et sur le terrain. Pour la brasure, l'exposant serait voisin de 2, et en pratique on utilise des modèles qui tiennent compte aussi des différences de température moyenne et de nombre de cycles par jour.
L'essai de cyclage thermique applique de plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois des alternances de haute et basse température, par exemple de −55 à 125 ℃.
Quelles défaillances l'essai de cyclage thermique évalue-t-…Elle sert à estimer la durée de vie dans l'environnement d'utilisation réel, plus clément, à partir des résultats d'essais de cyclage thermique sévères.
Quel modèle exprime la durée de vie en fatigue des joints d…Rafraîchissement (refresh) Courbe en baignoire Électromigration Erreur logicielle (soft error) ESD (décharge électrostatique) Essai de stockage à haute température (HTS) FIT HTOL (essai de durée de vie en fonctionnement à haute température) Injection de porteurs chauds (HCI) Latch-up