Supply chain de développement en haute température

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1 Supply chain de développement en haute température Journée MEITO «Systèmes électroniques et numériques en environnement critique» Intervention du 05 juillet 2012

2 2 / Les enjeux FIABILITE (selon la CEI) Commission électrotechnique Internationale Caractéristique d un dispositif, exprimée par la probabilité qu il accomplisse une fonction requise dans des conditions données, pendant une durée donnée un dispositif fiable est celui qui fonctionne durant une durée déterminée sans aucune défaillance

3 3 / Impacts Haute Température sur PCB: exemples Exemple 1: Décollement du cuivre de surface Dilatation dans l axe Z de la résine de bouchage des vias sous l effet de la température Décollement du cuivre en surface Exemple 2: Délaminage Décollement des couches dans l empilage du PCB Origines possibles: Fabrication du circuit Assemblage: le plus souvent dû à la présence d humidité dans le circuit qui crée une contrainte dans le process d assemblage (choc thermique) Stockage des PCB nus mais aussi des produits semi-finis

4 4 / Sommaire HAUTE TEMPERATURE, UNE DEMARCHE FAIRE AUTREMENT FAIRE MIEUX FAIRE PLUS FAIRE ATTENTION LA DFR (Design For Reliability) : L exemple de Thales Microelectronics

5 5 / Les niveaux de qualifications de Thales Microelectronics PERCEES TECHNOLOGIQUES Fonctions électroniques Technologies Niveaux de qualifications Puissance (module 6cm 2 ) Composants, substrates 2000h à 240 C Puissance de sortie jusqu à Boîtiers, ensembles 300 chocs thermiques (-55/+240 C) 1000W Test & déverminage 100K chocs mécaniques 500G à 210 C Analogue & numérique Composants, substrats 2000h à 220 C Haute densité Boîtiers, ensembles 300 chocs thermiques (-55/+220 C) Test & déverminage 100K chocs mécaniques C Hyperfréquences Substrats, ensembles 1000h à 125 C µbga µballing, sciage 500 chocs thermiques (-55/+125 C) Gamme 1 à 100GHz Test & déverminage High power µwave Boîtiers haute puissance 1000h à 125 C GaN front end Ensembles 500 chocs thermiques (-55/+125 C) Gamme 25 à 100W Test & déverminage

6 6 / Les bases LA TENUE EN HAUTE TEMPERATURE N EST PAS LE FRUIT DU HASARD ELLE RESULTE DE PROCESSUS ITERATIFS DANS LE MOYEN OU LONG TERME ELLE SE NOURRIT DE LA COMPLEMENTARITE DES ACTEURS CONCERNES C EST AVANT TOUT UNE AFFAIRE DE COMPROMIS AU DELA DE +200 C

7 7 / L enchaînement des tâches LE POINT DE DEPART DES COMPOSANTS, DES OUTILS, UNE METHODOLOGIE, DE LA CAPITALISATION.

8 8 / Une complémentarité effective FAIRE AUTREMENT EQUIPE PLURIDISCIPLINAIRE FAIRE MIEUX UNE METHODOLOGIE FAIRE ATTENTION DES REGLES DE CONCEPTION FAIRE PLUS DES MOYENS PERFORMANTS

9 9 / Une équipe pluri-disciplinaire FAIRE AUTREMENT AUTONOMIE OUI MAIS EVOLUTION DES TECHNOLOGIES Savoir-faire pointu Vitesse d implémentation DESIGNERS TECHNOLOGUES FOURNISSEUR PRIVILEGIER UNE DEMARCHE SYSTEMIQUE A UN PROCESSUS SEQUENTIEL : PROJECT MANAGER INDUSTRIEL CO-DESIGN + DFR

10 10 / Une équipe pluri-disciplinaire

11 11 / Une méthodologie FAIRE MIEUX DEUX APPROCHES A MENER EN PARALLELE L UNE CENTREE SUR LA MESURE REELLE Réalisation de véhicules de test Faire subir des tests accélérées en environnement contrôlé L AUTRE BASEE SUR L EVALUATION ET LA PREDICTION DES RISQUES DE DEFAILLANCE Connaissance des mécanismes de défaillance Mécanismes d usure Mécanismes de surcharge Réduction des contraintes qui entraînent les défaillances Augmentation de la résistance des composants pour réduire l impact

12 12 / Des moyens performants (1/3) FAIRE PLUS LABORATOIRE ET EQUIPEMENTS DE CARACTERISATION Dage Multifunction mechanical testing Metallographic Cross section Microscopes with auto analysis software Mechanical traction equipment Contaminometer X ray Fluorescence X SEM analysis with element detection: electron microscope SAM analysis: acoustic microscope DSC, TGA, TMA (Tg) analysis 3D Thermal simulation (Ansys LTD pro) and characterisation set up

13 13 / Des moyens performants (2/3) FAIRE PLUS Simulation électrique : ORCAD Pspice Modélisation analytique : MathCAD Placement et routage : Graffy Conception mécanique 3D : AutoDesk inventor Simulation thermique 3D : Ansys NLT pro Simulation électro-magnétique 3D : HFSS Simulation circuits RF et hyper : ADS

14 14 / Des moyens performants (3/3) FAIRE PLUS LABORATOIRE ET EQUIPEMENTS DE CARACTERISATION Déverminage HALT/HASS Qualmark Typhoon 3.0 Température 100 C à 200 C (60 C/min) Vibration 3 axes / 2Hz à 10kHz / 50gRMS Pot vibrant LDSV axe / 10Hz to 10kHz / 9,8kN Chocs mécaniques AVCO type SM g / 0,5ms 500g / 1ms Centrifugeuse Jusqu à 15000g Chocs thermiques air-air et cyclages Secasi / Climats -55 C à +250 C Equipment Mono-chambre 1 à 10 C/ min Equipement 2 chambres Chambre humide Vösth VC C / 100% HR

15 15 / Règles de conception : considérations générales FAIRE ATTENTION le MCM (Multi Chip Module) correspond à un module composé de plusieurs puces assemblées sur un substrat généralement en céramique, voire un mixte puces et CMS. L avantage de cette filière d assemblage MCM est de pouvoir supprimer les boîtiers unitaires et de connecter les puces à un substrat commun. La solution SiP (System in Package) est une alternative aux modules MCM. Un SiP désigne un ensemble fonctionnel de puces et CMS dans un boîtier ou module réalisant une fonction. Ces composants élémentaires sont empilés verticalement ou horizontalement.

16 16 / Règles de conception : considérations générales FAIRE ATTENTION Connexions externes : ball Au 25µm Renfort CMS : colle HT non conductrice Report CMS : colle HT conductrice Wire (R ou C) : Ball Au 25µm (pad Au) ou wedge AI 32µm (pad alu) Puce active : substrat Si, back metallisation Die attach : colle HT conductrice Wire wedge AI 32µm Boîtier : pour forte fiabilité Ti + insert CuMo Capot : compatibilité boîtier Ti/laser welding Connecteur : NiAu Substrat : HTCC AI Métallisation NiAu Substrat (report) : colle HT non conductrice

17 17 / Règles de conception : les passifs (1/2) FAIRE ATTENTION En version CMS, la taille des boîtiers (condensateurs) est limitée par les choix technologiques (et selon les puissances à dissiper): Taille min : 0603 (1.6 x 0.8 mm) Utilisation de colles conductrices pour l assemblage risque de court circuit entre les électrodes si celles-ci sont trop rapprochées. Taille max : 1812 (4.5 x 3.2 mm) Limite les effets de dilatation différentielle entre les céramiques du circuit, qui ont un CTE (CDT: Coefficient de Dilatation Thermique) différent. Apparition de micro-fissures (cracks) au niveau du renfort de colle Après 1000 h de cycles thermiques -40 C / +220 C Palier de 15 min VLT: Mono-chambre: 10 C / min VRT: Double chambre: 5s

18 18 / Règles de conception : les passifs (2/2) FAIRE ATTENTION Les versions chip offrent, pour les résistances, une meilleure maîtrise de dissipation thermique (connaissances des températures de jonction des chips en silicium) Métallisations des pads en Aluminium. Collage du backside de la résistance (puce silicium) sur le substrat (ou brasage) Apparition de croissance intermétallique (whiskers) Après 2000 h de cycles thermiques -40 C / +220 C Palier de 15 min VLT: Mono-chambre: 10 C / min VRT: Double chambre: 5s

19 19 / Règles de conception : les actifs FAIRE ATTENTION Règles pour le choix des puces : Métallisations autorisées pour le backside : Si, Au (fin ou épais), Ni-Ag, Ag-Pd Métallisations autorisées pour les pads : Al, Al-Cu, Al-Si, Al-Si-Cu, Pd-Ni-Cu Surface de la puce : < 75 mm² Si la densité de courant requise est > 45mA/mm², assemblage sur TAB (Mo) Apparition d éclats (chipout) Après 1000 h de cycles thermiques -40 C / +220 C Palier de 15 min

20 20 / Règles de conception : les substrats (1/2) FAIRE ATTENTION Couche Mince Couche épaisse LTCC HTCC Nombre de couches possibles 1 6 à 7 < 60. < 60 Constante diélectrique De 4 à 40 max De 4 à 40 De 6 à 10 et plus De 6 à 10 et plus Conductivité thermique (W/mK) # 2 à 170 # 2 à 170 # 1 à 20 # 20 à 200 Tenue en température. Matériaux conducteurs. < 150 C Base Ag/Au/Pt/P d < 150 C Base Ag/Au/Pt/P d < 150 C Métaux «précieux» Ag/AgPd/Au/Cu. > 200 C Métaux «réfractaires» W/Mo/MoMn.

21 21 / Règles de conception : les substrats (1/2) FAIRE ATTENTION

22 22 / Règles de conception : les substrats (2/2) FAIRE ATTENTION APPARITION DE TACHES DUES A DE LA POLLUTION CHIMIQUE APRES 2000 h A +220 C Résidus détectés par analyse EDX Chlore, Sodium, Potassium, Arrachement du bonding si la pollution est au niveau de l ancrage

23 23 / Règles de conception : les reports (1/2) FAIRE ATTENTION Apparition de micro-fissures (cracks) au niveau du joint Après 1000 h et 2000h de cycles thermiques -40 C / +220 C Palier de 15 min VLT: Mono-chambre: 10 C / min VRT: Double chambre: 5s Collage Brasage Perle de verre (défaut d herméticité)

24 24 / Règles de conception : les reports (2/2) FAIRE ATTENTION Délamination (cracks / liftings) entre puce et TAB Après 2000h de cycles thermiques -40 C / +220 C P alier de 15 min Apparition de trous due à des phénomènes d électro-migration Après 2000h de cycles thermiques -40 C / +220 C P alier de 15 min

25 25 / Règles de conception : les bondings FAIRE ATTENTION Pour des raisons de fiabilité durant les tests de stress mécaniques, la longueur max des fils de bonding est limitée : Ball Au 25µm: Wedge Al 32µm Lmax = 120 x diamètre du fil (soit 3mm pour ball Au 25µm) Lmax = 100 x diamètre du fil (soit 3.2mm pour wedge Al 32µm) Apparition de micro-fissures (cracks) au niveau du ball Après 2000 h de cycles thermiques -40 C / +220 C 1000 h 2000 h

26 26 / En amont du derisking technologique FAIRE ATTENTION Interconnexion souple connecteur coaxial vers ligne micro-ruban: La connexion est de type rigide par brasure SnPbAg Le raccordement se fait avec un ruban d Au Une analyse détaillée pour éviter le cisaillement

27 27 / Au final de l optimisation industrielle FAIRE ATTENTION Filtre réglable Comp_nom_court_long Lfil_0.7mm Curve Info db(s(2,1)) Setup1 : Sw eep1 db(s(2,1))_1 Imported db(s(2,1))_2 Imported ANSOFT Y Freq [GHz] Des innovations pour s affranchir des dérives structurelles

28 28 / Synthèse UN SCHEMA ETUDIE ET SIMULE SERA FONCTIONNEL, MAIS PAS NECESSAIREMENT FIABLE AU DELA DE +200 C, TOUT PARAMETRE INFLUENCE LA FIABILITE ET LA DUREE DE VIE Les plans d expérience (tests thermomécaniques) effectués sur des véhicules de test produisent plusieurs données qu il faut analyser dans le but de : Mieux comprendre les mécanismes de défaillance, Prévoir des règles de conception qui permettent de réduire le risque de défaillance, Développer des modèles prédictifs dans le but d améliorer la fiabilité.

29 29 / Supply Chain de développement en haute température

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