thèse - École Centrale de Lyon

N° d’ordre : 2009-02 Année 2009
THÈSE
Présentée devant
L’ÉCOLE CENTRALE DE LYON
Pour obtenir le grade de DOCTEUR
Spécialité : Génie Des Matériaux
Par
Lamine HATTALI
CARACTÉRISATION ET MODÉLISATION THERMO-MÉCANIQUES
DES ASSEMBLAGES MÉTAL-CÉRAMIQUE ÉLABORÉS PAR
THERMOCOMPRESSION
Soutenue le 03 Février 2009 devant la commission d’examen :
MM. N. EUSTHATOPOULOS
M. JEANDIN
G. LASCAR
H. HAMDI
M. BOUABDALLAH
F. ROPITAL
S. VALETTE
N. MESRATI
D. TREHEUX

RÉSUMÉ
On a souvent recours à des assemblages métal-céramique pour des systèmes complexes
couplant les propriétés, souvent opposées, des alliages métalliques et des céramiques. Les
besoins industriels pour de hautes températures d’utilisation, en milieu corrosifs, restent
toujours difficiles à satisfaire de façon fiable.
Deux céramiques techniques industrielles ont été retenues pour cette étude : le carbure de
silicium SiC et l’alumine Al2O3. Elles ont été assemblées à un superalliage de Nickel
réfractaire (HAYNES™214®), selon le procédé de thermo-compression sous vide, par
l’intermédiaire d’un joint métallique de faible épaisseur.
La forte réactivité du SiC avec le nickel a conduit à rechercher une barrière de diffusion
entre l’alliage et la céramique. Un joint d’argent ne formant aucun siliciure a permis
d’éviter cette réactivité et a conduit ainsi à des tenues mécaniques en cisaillement
significatives (45 MPa).
Pour l’alumine (Al2O3), nous nous sommes orientés vers l’utilisation de joints de nickel,
peu réactif avec cet oxyde. Cependant la différence de coefficient de dilatation thermique
entre la céramique (Al2O3) et les métaux (Ni et HAYNES™214®) conduit à de fortes
concentrations de contraintes résiduelles à l’interface. Une simulation par éléments finis,
en utilisant le code ABAQUS, a permis de localiser le champ de contraintes résiduelles
dans ce type d’assemblage. Une comparaison entre un calcul élasto-plastique et un calcul
élasto-visco-plastique a été réalisée. La distribution des contraintes est sensible à
l’épaisseur du joint de nickel ainsi qu’aux dimensions et formes respectives de l’alliage et
de la céramique. Il a ainsi été montré que le calcul élasto-visco-plastique est
indispensable pour caractériser la liaison Al2O3/Ni/HAYNES™214®, contrairement à des
liaisons Al2O3/Ni/Al2O3 étudiées plus classiquement. De plus, les contraintes de tension
dans la céramique sont beaucoup plus importantes pour l’assemblage alumine/alliage
métallique que pour l’assemblage alumine/alumine. Ceci est retrouvé expérimentalement
par les résultats de caractérisation mécanique (cisaillement, délamination) de ces deux
types d’assemblage et par des mesures expérimentales de contraintes résiduelles par
indentation et par diffraction des rayons X.
La fragilisation de l’alumine près de l’interface est un phénomène connu dû
essentiellement à la diffusion du métal de liaison et au frottement entre le joint métallique
et l’alumine. Une corrélation entre la ténacité, l’intensité des contraintes résiduelles et le
piégeage de charges électriques a été montrée.
Enfin, l’étude de joints multicouches Cu-Ni-Cu a permis d’accommoder les contraintes et
d’améliorer la résistance de l’assemblage Alumine/HAYNES™214®. De plus, la pré-
oxydation des joints de cuivre côté alumine, reproduisant ainsi la méthode de l’eutectique,
ouvre une voie quant à une utilisation des assemblages pour de hautes températures
(> 1200 °C) et l’industrialisation du procédé pour de grandes séries.
Mots clés : Liaison céramique-métal, thermocompression, contraintes résiduelles,
simulation numérique, éléments finis, diffraction X, indentation, carbure de silicium,
alumine.

Remerciements
Ce travail à été réalisé au Laboratoire de Tribologie et Dynamique des systèmes
(LTDS) (UMR 5513) de l’Ecole Centrale de Lyon. C’est avec une certaine émotion et
beaucoup de sincérité que je voudrais remercier toutes les personnes ayant soutenu et
apprécié mon travail.
En premier lieu, je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à mon directeur
de thèse, Monsieur Daniel TREHEUX, de m’avoir accueilli dans son laboratoire à
l’Ecole Centrale de Lyon. J’ai apprécié la liberté que m’a laissée dans la conduite de mes
recherches. Il m’a témoigné une confiance presque illimitée. D’une disponibilité
exemplaire, toujours prêt pour des discussions riches et souvent tardives, il m’a ouvert
l’esprit dans tous les domaines des matériaux. Il restera pour moi l’exemple d’un
professeur qui va toujours de l’avant.
J’adresse mes sincères remerciements à mon co-directeur Monsieur Nadir
MESRATI pour ces précieux conseils qui m’ont permis de bien réussir. Je l’ai largement
alimenté en questions, Il m’a témoigné une disponibilité presque illimitée durant son
année sabbatique. Mes remerciements vont également à mon deuxième co-directeur
Monsieur Stéphane VALETTE, champion de la critique constructive, qui m’a permis
d’approfondir mes connaissances de plus en plus.
Ce travail a été mené en collaboration avec l’Institut Français du Pétrole. Mes
vifs remerciements vont à Monsieur François ROPITAL professeur IFP de m’avoir fait
confiance de m’accorder cette étude et de m’avoir fournie les matériaux nécessaire.
Je tiens à exprimer ma gratitude à Monsieur Gue STREMSDOERFER et son
fils Samuel STREMSDOERFER, PDG de la jeune entreprise JetMétal ® de leur
disponibilité et de leur mise en disposition du matériel technique. Leur contribution à
permis d’enrichir les travaux de cette thèse.
Que Messieurs G.LASCAR et H.HAMDI soient vivement remerciés pour avoir
accepté d’être les rapporteurs de ce travail et pour les remarques intéressantes dont ils
m’ont fait part.
J’exprime ma plus vive reconnaissance à messieurs N.EUSTHATOPOULOS et
M.JEANDIN pour avoir participer à la commission d’examen.
Je tiens également à témoigner toute mon amitié à tous les membres du
Département STMS, qui ont rendu mes années très agréables en particulier madame
Dominique VINCENTELLI et Monsieur Bernard BEAUGIRAUD.

Enfin j’adresse mes plus chaleureux sentiments à mes parents, et au reste de ma
famille pour leur soutien constant. Plus personnellement, je remercie ma fiancée,
Svetlana, pour son aide, son écoute et surtout son amour qui m’a été essentiel durant ces
années. A tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à la formation de ce travail et
également à tous mes amis de la fameuse partie du Tarot.
MERCI BEAUCOUP

SOMMAIRE
INTRODUCTION.......................................................................................................................... 1
PREMIÈRE PARTIE: Étude bibliographique
CHAPITRE I : Technologie et maîtrise des assemblages métal/céramique ......................... 5
I.1. Historique des liaisons métal-céramique........................................................................ 6
I.2. Technique de formation des liaisons métal-céramique.................................................. 6
I.2.1. L’assemblage par soudage diffusion...................................................................... 7
I.2.2. L’assemblage par thermocompression................................................................... 7
I.2.3. Mécanismes de liaison à l’état solide..................................................................... 8
I.2.4. Influence des paramètres d’élaboration ............................................................... 11
I.2.4.1. Influence de la pression appliquée ................................................................... 11
I.2.4.2. Influence mutuelle de la pression et de la géométrie ....................................... 12
I.2.4.3. Influence de la température.............................................................................. 14
I.2.4.4. Influence du temps du palier à la température de thermocompression............ 14
I.2.4.5. Influence de la rugosité .................................................................................... 15
I.2.4.6. Influence du taux d'écrouissage initial du joint métallique.............................. 16
I.2.5. Assemblage par la méthode de l’eutectique gaz-métal........................................ 17
I.2.6. Thermodynamique du système Cu-Al-O ............................................................. 18
I.3. Conclusion.................................................................................................................... 21
CHAPITRE II : Adhésion et adhérence dans les assemblages métal/céramique .............. 22
II.1. Définition de l’adhésion et de l’adhérence................................................................... 23
II.2. Aspect de l’adhesion liquide/solide.............................................................................. 24
II.2.1. Critères énergétiques et mouillabilité (approche thermodynamique) .................. 24
II.2.2. Adhésion : approche physique ............................................................................. 27
II.3. Facteurs influant le travail d’adhésion ......................................................................... 28
II.3.1. Orientation cristallographique.............................................................................. 28
II.3.2. Présence d’impuretés ........................................................................................... 29
II.3.3. Réactions chimiques............................................................................................. 30
II.3.4. Application au système Ni/Al2O3......................................................................... 30
II.4. Adhérence..................................................................................................................... 32
II.4.1. Comportement mécanique à l’interface ............................................................... 32
II.4.2. Énergie de rupture interfaciale ............................................................................. 35
II.4.3. Trajectoire de fissure............................................................................................ 40
II.4.4. Types de rupture................................................................................................... 42
II.5.4.1. Rupture ductile................................................................................................. 42
II.5.4.2. Rupture fragile ................................................................................................. 42
II.5. Les contraintes résiduelles............................................................................................ 42
II.5.1. Définition des contraintes résiduelles : Aspects macro et microscopique ........... 42
II.5.2. Les contraintes résiduelles dans les assemblages métal/céramique..................... 44