3D thermomechanical modeling of printed circuit board
Modélisation thermomécanique 3D de circuits imprimés
Abstract
The rapid changes in the industry and the increasing integration of electronics in new environments require the control of the reliability of electronic boards. The integration of electronics in severe environments within the MAPP platform (Mechatronics for the Improvement of Products and Processes) of CEA Tech Grand Est deal with this problem. In these environments, defects such as delamination and via cracking can occur in printed circuit boards (PCB). From this perspective, this thesis proposes a contribution to creating a numerical tool to prevent these defects. For a realistic modeling, the thermomechanical characterization of the different layers of the PCB has been performed through experimental tests. Nevertheless, this characterization was incomplete because of the thinness of the PCB, which motivated the implementation of a multi-scale method. An inverse method based on Mechanics of Structure Genome (MSG) was developed and implemented as a Python script. Microscopic observations were coupled to Gmsh software to create the microscopic model and then to TexGen modeling software for the mesoscopic model. The presence of inclusions inside the matrix between the yarns was confirmed by nanoindentation. The influence of yarns' geometrical parameters and phase properties was analyzed. Adapting a hybrid optimization method was implemented to minimize the discrepancies between the experimental and numerical properties. Obtained results were used to simulate the behavior of an electronic board in operation using ABAQUS/Standard finite element software. Thermomechanical tests at the board scale were implemented to validate the simulations. The comparison shows good agreement between results as predicted by both numerical and experimental approaches. The mechanical field analysis showed contrasts that could lead to thermomechanical fatigue. Nevertheless, delamination tests to feed cohesive zones at the interfaces between layers were not performed due to the small thickness.
Les évolutions rapides dans l'industrie et l'intégration croissante de l'électronique dans de nouveaux environnements ont créé une nécessité accrue de maîtrise de fiabilité des cartes électroniques. L'intégration de l'électronique dans des environnements sévères au sein de la plateforme MAPP (Mécatronique pour l'Amélioration des Produits et Procédés) du CEA Tech Grand Est s'inscrit dans cette problématique. Dans ces environnements, des défauts notamment du délaminage et de la fissuration de via, peuvent apparaître dans les circuits imprimés (PCB). Dans cette optique, la présente thèse propose une contribution à la création d'un outil numérique de prévention de ces défauts. Pour une modélisation réaliste, la caractérisation thermomécanique des différentes couches du PCB a été réalisée par le biais d'essais expérimentaux. Néanmoins, cette caractérisation fut incomplète à cause de la faible épaisseur du PCB ce qui a motivé la mise en œuvre d'une méthode multi-échelle afin d'estimer les propriétés manquantes. Cette méthode inverse basée sur la Mécanique du Génome de Structure (MSG) a été développée puis implémentée sous la forme d'un script Python. Des observations microscopiques ont été couplées au logiciel Gmsh pour créer le modèle microscopique puis au logiciel de modélisation TexGen pour le modèle mésoscopique. La découverte d'inclusions dans la matrice entre les torons a été confirmée par nanoindentation. L'influence des paramètres géométriques des torons et des propriétés des phases a été analysée. Une adaptation d'une méthode hybride d'optimisation a été mise en œuvre dans le but de minimiser les écarts entre les propriétés expérimentales et numériques. Les résultats ainsi obtenus ont servi à simuler le comportement d'une carte électronique en fonctionnement au moyen du logiciel d'éléments finis ABAQUS/Standard. Des essais thermomécaniques à l'échelle de la carte ont été mis en œuvre pour valider les simulations. La comparaison montre une bonne concordance entre les deux. L'analyse des champs mécaniques a montré des contrastes pouvant entraîner de la fatigue thermomécanique. Néanmoins, les essais de délaminage devant servir à alimenter les zones cohésives aux interfaces entre les couches n'ont pas pu être mis en œuvre en raison de la faible épaisseur.
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