Modeling of delamination and interface strength in printed circuit boards
Étude du délaminage et de la résistance des interfaces dans les circuits imprimés
Résumé
In this thesis, the identification of the interface strength in Printed Circuit Boards (PCBs) is assessed. A PCB is a passive component, which allows to interconnect electronic components soldered on the outer layers in order to realize a complex electronic system. It is a multiple layer assembly made of woven composite and copper foil. Copper plays a major role in Printed Circuit Boards (PCBs) since it is the carrier of the electrical information. During its lifetime, the PCB undergoes a large number of thermal cycles, which can lead to the failure of copper path. In addition, it has been detected that the use of certain combinations of based materials leads to delamination, which limits the PCB service-life. The measurement of interface strength between copper layer and composite substrate is critical and the usual method for measuring the interface properties in PCB industry is the peel test. The PhD is divided in three main parts. In the first experimental part, peel tests at various peel angles are performed using specimens, which consist of a copper foil bonded on a woven composite substrate. Interface separation between the copper film and the composite substrate is observed. During the test, the peel force per unit width and the copper film radius at steady state are measured. Next, a theoretical analysis of the peel test for an elastic-plastic material is proposed. A precise definition of the work done by bending plasticity for a particular class of material response is established. Indeed, we have extended previous works of the literature by considering that the plastic hardening behavior of the film is modeled by a Voce type law. Finally, finite element (FE) simulations of peeling are conducted at various peel angles by considering that the copper material response is elastic-plastic. The isotropic hardening is identified based on uni-axial tensile tests. The woven composite is assumed to remain elastic with an orthotropic response. The interface is modeled by cohesive elements using a bilinear traction separation law. FE results are compared to experimental data. It is shown that the peel force and the film curvature are predicted accurately, for a large range of peel angles. 125 Therefore, from the dialog between finite element calculations and experiments, the interface fracture energy is obtained.
Dans cette thèse, la résistance des interfaces dans les circuits imprimés (PCB) est étudiée. Un PCB est un élément passif permettant d’interconnecter des composants électroniques soudés sur les couches externes. Un PCB est un assemblage multicouche, multi-matériaux fait de composites tissés et de feuillards de cuivre. Le cuivre joue un rôle majeur dans les circuits imprimés car il est le support de l’information électrique. Pendant son cycle de vie, le PCB subit un grand nombre de cycles thermiques pouvant entraîner la rupture des fûts de cuivre. Par ailleurs, l’utilisation de certaines combinaisons de matériaux peut entraîner du délaminage ce qui limite la durée de vie du PCB. La mesure de la résistance de l'interface entre la couche de cuivre et le substrat composite est alors très importante. Pour l’industrie du PCB, le test de pelage reste la méthode courante pour mesurer les propriétés de l’interface entre deux matériaux. Cette thèse comporte trois parties. Premièrement des tests de pelage sont réalisés pour différents angles de pelage et à température ambiante. Les échantillons étudiés et testés sont constitués d'un feuillard de cuivre assemblé à un substrat composite tissé. Lors de l’essai, la décohésion au niveau de l’interface est bien observée. Par ailleurs, la force de pelage et le rayon de courbure du film de cuivre sont mesurés en régime stationnaire. En parallèle, une analyse théorique du test de pelage est conduite pour des matériaux élasto-plastiques. Le chemin de déformation du film de cuivre lors du test de pelage est assimilé à un mode de flexion – flexion inverse. Nous proposons une analyse théorique de ce trajet de chargement pour un matériau élasto-plastique obéissant à une loi d’écrouissage de type Voce. Enfin, des simulations de pelage par éléments finis sont effectuées pour différents angles. Le comportement du cuivre identifié à l’aide d’un essai de traction est considéré comme élasto-plastique. Une loi d’écrouissage de type Voce est utilisée. Le substrat est supposé élastique orthotrope. L’interface est modélisée par des éléments cohésifs en utilisant une loi de type traction séparation bilinéaire. Les résultats des simulations (EF) sont comparés aux données expérimentales de la thèse. On observe un bon accord au niveau à la fois de la force de pelage mais aussi du rayon de courbure. Au final, ce travail de thèse permet de proposer un dialogue essai / simulations numériques pour définir précisément l’énergie de rupture de l’interface.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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