adhérence aux interfaces

Adhérence aux interfaces

Muriel BRACCINI, laboratoire SIMaP

G. Parry, R. Estevez

collaborations : O. Dezellus (LMI, Lyon), T. Pardoen (IMAP, Louvain)

Introduction

2

1 cm

PLAN

• Définition de l’adhérence

• Influence de certains paramètres

– chimie et microstructure : aluminiage de base fer

– géométrie : bonding Si/BCB/Si

– mécaniquecouche de cuivre sur acier

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A

B

A

B

Définition de l’adhérence

ABBAadhésionW

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• création de liaisons o interatomiqueso à longues distances (Van der Waals,…)

• réversibilité

• ordre de grandeur = 1 J.m-2

Adhésion Wadhésion

Définition de l’adhérence

5plasticitémicro-contact

micro-fissures secondaires

Définition de l’adhérence

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Gc = Wadhesion + Wdissipatif

Définition de l’adhérence

• Comment mesurer l’adhérence d’une interface ?

– propagation d’une fissure• à l’interface concernée• de façon stable

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flexion 4-points

clivage au coin

essai de gonflement-décollement

Définition de l’adhérence

– taux de restitution d’énergie• propagation de la fissure : G =Gc

• problème de la dissipation plastique

– modélisation numérique (MEF)• calcul de la mixité modale • modèle de zone cohésive

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Gc

max

Définition de l’adhérence

– fractographie• faciès de rupture : chemin de la fissure adhésif, cohésif ou

mixte ?

• corrélation avec chimie et microstructure de la zone interfaciale

scénario de la fissure : amorçage/propagation/déviation

mécanismes de l’adhérence

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Définition de l’adhérence

• Quels paramètres influencent l’adhérence ?

– chimie : • nature des liaisons, • chimie de la zone interfaciale

– physique : • singularités,• rugosité, structuration

– mécanique : • sollicitations externes, • contraintes résiduelles, • propriétés mécaniques des matériaux

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• Chimie et microstructure interfaciale

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couche de réaction

zone de diffusion

microstructure

Influence de la chimie

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[M. Zhe, O. Dezellus, G. Parry, M. Braccini, J. C. Viala, Journal of Adhesion Science and Technology (2011)]

Interface aluminium/fer(thèse Miao ZHE, 2011)

Spires d’induction

ThermocoupleLame Fe

60x10mmAS7G03

Influence de la chimie

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fil de fer lame Fe

Suspension Y2O3 (zone sans réaction)

zone réactionnelleAS7

Fefissure

entaille

zone pré-fissure

zoom

Influence de la chimie

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G = 23±3 J/m2

47N ≤ F ≤ 53N

Déplacement (mm)

Forc

e (N

)

Plateau de force

[P.G.Charalambides et al., Journal of Applied Mechanics 56, 77-82]

Influence de la chimie

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Côté Fe

Côté Al

Al Fe

10µm

Fe

1-9

5

fissure

Influence de la chimie

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Cristaux Couche fine

Aluminiage à 680°C

Déplacement (mm)

Force moyenne

linéaire

Surmoulage XES(1mm)/AS7G03(2mm)

Propagation dans

40N ≤ F ≤ 51N14J/m2≤ G ≤ 23J/m2

Influence de la chimie

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20µm

40µm

+

Traitement thermique 15h@535°C Traitement thermique 50h@535°C

80 µm

+

porosité Kirkendall

Influence de la chimie

• Conclusion sur la chimie et la microstructure d’interface

– chimie et microstructure de la zone interfaciale

adhésion ;

propriétés mécaniques locales :– chemin de fissuration ;– mécanismes dissipatifs : plasticité, fissuration

secondaire…

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• Géométrie de l’interface

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Singularité matérielle

Singularité géométrique

rugositédiscontinuité

Influence de la géométrie

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Si-substrate

BCB polymer

- Largeur des cordons : 100 ou 200 µm-Largeur motif = 400 µm- Epaisseur constant de l’ordre de 4 µm

Bonding Si/BCB/Si(thèse Coraly Cuminatto, en cours*)

* en collaboration avec l’IEF, dans le cadre de l’ANR TransFilm

Influence de la géométrie

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Nettoyage

Dépôt BCB

Collage

Gravure face arrière

Alignement

Découpe

compression 3,5 kN

150°C

250°C

15 min

1 h

sous videou N2 à Patmo

T

tps

Influence de la géométrie

22[Penado F.E., Journal of Composites Materials 27(4) 383-407 (1993)]

Influence de la géométrie

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y

x

y(x) flexion de plaque L

Influence de la géométrie

24[R. Tadepalli, K. T. Turner, C. V. Thompson, Acta Materialia, Vol. 56 (2008) 438-447]

orthogonal

parallèle

Influence de la géométrie

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Adhesion of polymer thin-films and patterned lines, C. S. LITTEKEN and R. H. DAUSKARDT, International Journal of Fracture 119/120: 475–485 (2003)

SEM image of a FIB sectioned polymer /SiO2

patterned structure

Tapping mode AFM cross-section

Polymer/SiO2 adhesion measured by 4-points bending test as a function of feature aspect ratio

Lignes parallèles à la direction de propagation

Influence de la géométrie

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Lignes orthogonales à la direction de propagation

0

m

separation

traction

f

m

CG

Tmax

BCB

Silicium

symétrie

Influence de la géométrie

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Abaqus modelingExprimental (vacuum)Experimental (N2)

Influence de la géométrie

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effet des comportements non linéaires (plasticité)

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• Mécanique

contraintes résiduelles

mixité modaleplasticité

Aspects mécaniques

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Films de cuivre sur acier(thèse F. Strepenne, 2010, U.C.Louvain, dir. T. Pardoen)

acier inox (400 µm)

dégraissagedécapage plasmadépôt PVD de Cuivre

(0,5 à 2,5 µm) collecyanoacrylate

Aspects mécaniques

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Taux de restitution mesuré en fonction des épaisseurs de film

Aspects mécaniques

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iraidP

adhP

fP

SPO GGGGGGG

énergie de rupture de l’interface

énergie dissipée plastiquement

j=S dans le substrat f dans le film adh dans l’adhésif raid dans le raidisseur en acier

contribution des contraintes internes partiellement relaxées pendant la propagation de la fissure

iG

jPG0G

Gc

Aspects mécaniques

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Contraintes résiduelles dans les films de cuivre

mesures sur substrat de silicium avec sous couche d’acier (300 nm)

Aspects mécaniques

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Limite élastique du cuivre

[Y.Xiang, J.J. Vlassak, Acta mater 54, 5449-5460, 2006]

Aspects mécaniques

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interface : éléments cohésifs avec loi de traction-séparation (max, G0)

matériaux bulk : lois élasto-plastiques isotropes (E, , Y, n)

calcul des différents termes énergétiques

ouvertureimposée

longueur de fissure aciercuivreadhésif

Aspects mécaniques

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t (µm) 0,5 1 1,5 2

G0

G(ζσi)Gf

Gs

Gadh

0,800,0022,120,076,30

0,800,0871,650,130,93

0,800,1531,470,140,27

0,800,2201,450,170,15

Gc 3,00 2,58 2,41 2,43

Gtot 9,31 3,52 2,69 2,58

Gexp 11,68 3,75 2,68 2,56

contraintes résiduelles

effet positif

favorisent la dissipation plastique pendant la

propagation de la fissure

effet négatif

augmentent la limite élastique du film

Conclusions

• Effets d’échelle sur différents aspects

– chimie : liaisons atomiques à l’interface mais également chimie de la zone interfaciale

– géométrie : dimensions caractéristiques de la géométrie de l’interface (structuration) et de son environnement

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