Fractography and crack propagation in functional crystals

Moulins, Anthony (2021). Fractography and crack propagation in functional crystals. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Failure in structural materials is generally well-known and documented with established standards. Unfortunately, for the case of functional crystals that are found in all our smart devices, failure remains poorly understood and studied although being a very common part of our daily lives. Conventional rupture often occurs catastrophically. The propagation of cracks is sudden and can often be disturbed by instabilities of physical nature, by the orientation of the crystal and/or mechanical stresses. The local stress intensity factor (SIF) is a preeminent element in the study of brittle functional crystals. The SIF changes when the topographic characteristics of the fracture surface are modified during propagation, for example when crystallographic facets are formed. At the time of failure, these singularities remain inscribed on the surfaces newly created and are often the only clues still visible and available to investigate the mechanical history of the crystal. Therefore, the study of SIF in correlation with fractographic traces is the most powerful indicator for understanding the fracture mechanics in the processes of rapid crack propagation. On the other hand, no standards exist for the evaluation of the mechanical failure of functional crystals where their study becomes more complex regarding their strongly anisotropic mechanical behavior. To date, there are very few studies to understand and assess the level of stresses in these materials when a failure occurs with a sufficient resolution, without homogenizing the anisotropic elastic properties. The project focuses on the analytical and experimental understanding of crack propagation in silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) single crystals as model semiconductor materials. The goal is the acquisition of fundamental knowledge in fractography to understand the morphology of fracture surfaces and relate them to the applied mechanical stresses. The project integrates the development of innovative methods and procedures for estimating the mechanical properties of GaAs and Si considering the intrinsic anisotropy of single crystals. This work includes the advanced analysis of the fracture surface of single crystals, which is generally found in micro-electromechanical systems (MEMS) whose properties and behaviors are often subject of debate as no established standard reference exists. The crack surfaces are analyzed to identify and characterize the topographic singularities of the experimentally overloaded samples. Preliminary sample preparation work, as well as mechanical testing at different scale lengths, is part of this study. Along with the experimental work, aspects of unstable crack propagation are studied with analytical modeling that includes dynamic instability, anisotropy, the study of stresses in the vicinity of a crack, and the evaluation of physical properties directly related to the release of strain energy in the crystal. The analytical modeling is validated by the experimental results to predict the behavior of functional crystals.

Titre traduit

Fractographie et propagation de fissure dans les cristaux fonctionnels

Résumé traduit

La rupture dans les matériaux de structure est assez bien connue et documentés avec des standards bien établis. Malheureusement, celle des cristaux fonctionnels qui se retrouvent dans tous nos appareils intelligents, fait partie de notre quotidien et reste encore mal comprise et peu voire pas étudiée. Une rupture conventionnelle se produit de manière catastrophique. La propagation des fissures est brutale et peut être perturbée par des instabilités de nature physique, par l'orientation du cristal et/ou des contraintes mécaniques. L'intensité locale des champs de contraintes (SIF) est un élément prééminent dans l'étude des cristaux fonctionnels fragiles. Le SIF change dès lors que les caractéristiques topographiques de la surface de rupture sont modifiées au cours de la propagation par exemple lors de la formation de facettes cristallographiques. Au moment de la fissuration, ces singularités, restent inscrites sur les surfaces crées et sont souvent les seuls indices encore visibles et exploitable pour connaitre l’histoire mécanique du cristal. Par conséquent, l'étude du SIF en corrélation avec les traces fractographiques est un indicateur puissant pour comprendre la mécanique de la rupture dans les processus de la propagation rapide des fissures. En revanche aucun standards n’existe pour l’évaluation de la défaillance mécanique des cristaux fonctionnels où leur étude se complexifie au regard de leur comportement fortement anisotrope. Il n’existe à ce jour que très peu d’études pour comprendre et évaluer le niveau de contraintes dans ces matériaux au moment de la rupture avec une résolution suffisante et sans homogénéiser les propriétés élastiques de ces matériaux. Le projet se concentre sur la compréhension analytique et expérimentale de la propagation des fissures dans les monocristaux de silicium (Si) et d'arséniure de gallium (GaAs) en tant que matériaux modèles. Le but est l’acquisition de connaissances fondamentales en fractographie pour comprendre la morphologie des surfaces de rupture en lien avec les contraintes mécaniques appliquées. Le projet intègre le développement de méthodes et de procédures innovantes d'estimation des propriétés mécaniques de GaAs et de Si prenant en compte l’anisotropie intrinsèque des monocristaux. Ce travail inclut l’analyse avancée de la surface de rupture des monocristaux, que l'on trouve généralement dans les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) et la généralisation des méthodes d’analyse développées pour les systèmes isotropes vers les systèmes anisotropes. Les fissures générant des surfaces sont analysées pour identifier et caractériser les singularités topographiques des échantillons surchargés expérimentalement. Les travaux préliminaires de préparation des échantillons, ainsi que les essais mécaniques à différentes longueurs d'échelles font parties de cette étude. Les aspects de la propagation instable de la fissure sont étudiés avec une modélisation analytique qui comprend l'instabilité dynamique, l'anisotropie, l’étude des contraintes au voisinage d'une fissure et l’évaluation des propriétés physiques directement reliées à la libération d'énergie de déformation dans le cristal. La modélisation analytique est validée par les résultats expérimentaux pour prédire le comportement des cristaux fonctionnels.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 107-119).
Mots-clés libres:	propagation des fissures, fractographie, monocristaux, anisotropie, résistance mécanique, caractéristiques de rupture, semi-conducteurs, modélisation analytique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zednik, Ricardo
Codirecteur:	Codirecteur Dugnani, Roberto
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	05 avr. 2022 19:05
Dernière modification:	05 avr. 2022 19:05
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2954

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