THESE. En vue de l obtention du. DOCTORAT de l'universite DE TOULOUSE. Délivré par l université Toulouse III INSA Discipline ou Spécialité :

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1 THESE Année : 2010 En vue de l obtention du DOCTORAT de l'universite DE TOULOUSE Délivré par l université Toulouse III INSA Discipline ou Spécialité : Conception des circuits Microélectroniques et Microsystèmes Présentée et soutenue par Norchene JEMAI Le 18 Février 2010 DEVELOPPEMENT DE LA TECHNIQUE DE SERIGRAPHIE POUR LA FORMATION DE BILLES DE CONNEXIONS INFERIEURES A 100µm POUR L ASSEMBLAGE 3D : OPTIMISATION ET ETUDE DE FIABILITE JURY RAPPORTEURS M. LUCAT Claude Directeur de recherche Laboratoire IMS, Bordeaux M. PIJOLAT Christophe Professeur, Ecole des Mines de Saint-Etienne EXAMINATEURS M. CAMPS Thierry Professeur, Université Paul Sabatier, Toulouse M. KAISER Clément Ingénieur, société Novatec, Montauban M. BEQUET Stéphane Directeur du service du développement économique Communauté d agglomération Montauban 3 Rivières. Mme. TASSELLI Josiane Co-directrice de thèse, Chargée de recherche CNRS, LAAS-CNRS, Toulouse. M. FOURNIOLS Jean-Yves Directeur de Thèse, Professeur INSA de Toulouse, LAAS-CNRS. Ecole Doctorale: Génie Electrique, Electronique, Télécommunications Unité de recherche : LAAS/CNRS

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3 REMERCIEMENTS Je tiens à remercier en tout premier lieu Josiane TASSELLI et Jean-Yves FOURNIOLS qui ont dirigés cette thèse. Tout au long de ces trois années, ils ont su orienter mes recherches aux bons moments, merci pour leurs nombreux conseils. Je tiens aussi à remercier Samuel CHARLOT. Il a toujours été disponible pour d intenses et rationnelles discussions. Pour tout cela, leur confiance, du temps qu ils ont consacré à redonner un peu de rigueur à ma plume qui a tendance quelquefois à déraper... Je tiens à remercier les rapporteurs de cette thèse LUCAT Claude et PIJOLAT Christophe pour la rapidité avec laquelle ils ont lu mon manuscrit et l intérêt qu ils ont porté à mon travail. Merci également aux autres membres du jury qui ont accepté de juger ce travail : CAMPS Thierry, KAISER Clément et BEQUET Stéphane. Je voudrais remercier tous les membres de l équipe Team qui ont joué un rôle fondamental dans ma formation, une intuitive mais solide formation à la métrologie en salle blanche. J ai eu également le plaisir de collaborer avec la plateforme technologique d assemblage électronique Micropacc et l entreprise Novatec. Merci aussi pour la communauté d agglomération 3 rivières de Montauban, je pense à M.BEQUET et Mme.ALKOUF qui ont initié et soutenu le projet. Je souhaite remercier les chercheurs du groupe N2IS Georges LANDA, Alain ESTEVE, Christophe ESCRIBA et Antoine MARTY Un grand merci à mes amies pour leur soutien dans les moments difficiles et cruciaux de ma thèse K.Salsabil, B.Nesrine. Enfin, une pensée émue pour tous les doctorants avec qui j ai partagé une salle, un café, un repas, une situation stressante pendant ces trois années : Hamida, Hamada, Ahmed, Lamine, Sofiene, Samir, Hakim et Mathieu. 3

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5 À LA MEMOIRE DE MON GRAND-PERE CHE À MON ADORABLE GRAND-MERE JAMILA À MA TRES CHERE MERE SAHA À MES CHERES FRERES MEHER ET MAHRANNE 5

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7 TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES... 7 INTRODUCTION GENERALE Chapitre I L ASSEMBLAGE EN MICROELECTRONIQUE Introduction Chapitre I I Multi-Chip-Modules (MCM) I Transfert Automatique sur Bande (TAB) I Flip-Chip I Connexions Filaires I Connexion par Microbilles ou «Bumping» I Étude Comparative des Différentes Techniques Conclusion Chapitre I CHAPITRE II WAFER BUMPING PAR SERIGRAPHIE POUR UN ALLIAGE SANS-PLOMB II Les Under-Bump-Metallurgy (UBM) II Piste de Connexions II Couche d Accroche Mécanique II Barrière de Diffusion II Couche de Mouillabilité II Technique de Dépôt de pâte à braser par Sérigraphie II Caractéristiques de la sérigraphie II La Pâté A Braser II La refusion De La Pâte A Braser II Réaction Chimique et Interface II Profil Thermique de Refusion

8 II Modes de Refusion Conclusion Chapitre II CHAPITRE III RESULTATS EXPERIMENTAUX ET OPTIMISATION DU PROCEDE III Méthodologie du Plan Factoriel III Définition des Facteurs Etudiés et du Domaine Expérimental III Analyse des Résultats III Optimisation des Paramètres de la machine de sérigraphie III Caractéristiques d un dépôt Par Sérigraphie III Caractéristiques du Masque de Sérigraphie III Démarche et Méthodologie (Pâte type 4) III Dépôt de Pâte type III Optimisation des formes et des dimensions d ouvertures du masque de sérigraphie III Pâte type III Pâte type III Pâte type III Étapes Technologiques pour la Formation des UBM III Étape 1: Dépôt des Pistes de Connexions III Étape 2: Passivation des Pistes de Connexions III Étape 3: Dépôt de L UBM III Optimisation Des Formes et Des Dimensions D UBM III Formes et Dimensions Mises en Evidence III Résultats et analyse III Formation de Billes Dont La Taille Est Comprise Entre 50µm et 100µm III Dessin De Masque III Le Profil Thermique de Refusion pour une Pâte Sans-Plomb III Résultats expérimentaux III Premiers essais d assemblage Flip-Chip Conclusion Chapitre III CHAPITRE IV

9 ÉTUDE DE FIABILITE DES BILLES DE CONNEXION SANS-PLOMB IV Les Contraintes IV Les Déformations IV La Dilatation Thermique IV Test de Cisaillement (Shear-Test) IV Etude de la Défaillance de la bille de connexion IV Influence De La Taille D UBM Sur La Force de Rupture IV L influence de la métallurgie de l UBM sur la force de cisaillement et analyse des IMC IV La variation de la force de cisaillement suivant la vitesse de l outil Conclusion Chapitre IV CONCLUSION GENERALE BIBLIOGRAPHIE Indexe d Abréviation INDEX DES FIGURES INDEX DES TABLEAUX ANNEXE 1 : DEFINITIONS Annexe 2 : Fiches techniques... 9

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11 INTRODUCTION GENERALE L assemblage et le conditionnement en électronique représentent une part importante du prix de revient d une réalisation «système» puisque l on estime à un facteur variant entre 5 et 10 entre la valeur de l approvisionnement en composant et le prix de revient industriel. Parmi les nombreuses solutions proposées pour remplacer les systèmes traditionnels basés sur le couple cuivre-diélectrique, la plus prometteuse est l intégration tridimensionnelle, connue sous le nom d assemblage 3D qui consiste en un empilement de tranches électroniques dont l'interconnexion s'effectue en trois dimensions en utilisant les faces de l'empilement pour réaliser les connexions entre les tranches (1) (2) (3). On distingue trois principales technologies : Multi-Chip- Module (MCM), Tape-Automated-Bonding (TAB) et la technologie Flip-chip. Introduite par IBM où elle est appelée C4 (Control Collapse Chip Connection) (1) (4), la technologie Flip-chip favorise la miniaturisation des assemblages : en effet c est la technologie qui garantit une plus grande densité d intégration tout en gardant les mêmes dimensions de puce. Elle résulte d un choix de construction de packaging où les interconnexions sont sous forme matricielle tout au long de la chaîne d interconnexion. Au cœur de la technologie de connexion flip-chip, le «Bumping» est un procédé qui consiste en l introduction d une microbille conductrice entre deux plots de connexion de puces empilées, réalisant ainsi les liaisons électrique et mécanique entre chaque niveau de l assemblage ou packaging. Le laboratoire a développé ces dernières années des techniques d intégration verticale de dispositifs microélectroniques et microsystèmes. En effet les travaux de thèse d Alexandre VAL (5) ont concerné, dans le cadre du projet Européen BARMINT, le développement de l intégration d un microsystème complet d administration de médicaments à partir des technologies MCM-V, fer de lance de la société 3DPlus. Le but était l empilement vertical de différentes puces telles que des capteurs de pression, d une micropompe et d un circuit de contrôle, le tout enrobé dans une résine epoxy et moulé dans un cube, les faces du cube permettant la réalisation des connexions électriques. Plus récemment, les travaux de thèse de Stéphane PINEL (6) ont porté sur l intégration ultra-compacte de circuits: dans ce cas des puces du commerce étaient amincies en dessous de 50µm, reportées sur un wafer de silicium, enrobées et 11

12 planarisées avec du BCB (Benzocyclobutène), puis interconnectées avec des pistes métalliques, formant ainsi un premier niveau d interconnexion. Les niveaux suivants de l empilement étaient alors réalisables de la même façon. Ces travaux ont été conduits dans le cadre du projet européen UTCS (Ultra Thin Chip Stacking) avec entre autres comme partenaire l IMEC, pour son savoir-faire en intégration microélectronique et en interconnexions. Bien que différentes, les deux technologies précédentes d intégration verticale présentent une certaine complexité dans la maîtrise des matériaux d enrobage, et des contraintes mécaniques liées à l empilement de matériaux hétérogènes. Dans le but d étudier de nouvelles voies pour l assemblage électronique et la demande se faisant forte au sein du laboratoire pour l utilisation de la technologie flip-chip pour l intégration des microsystèmes développés, nous avons choisi d envisager la fabrication de billes de connexion. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous présentons les différentes techniques utilisées pour l assemblage de composants et en particulier la fabrication de billes métalliques afin de justifier le choix qui a été le nôtre. Différentes techniques, connues sous le nom de «Wafer-Bumping», peuvent être mises en œuvre: dépôt en phase vapeur, en phase liquide, en phase solide ou dépôt par électrochimie. Cependant les trois principales techniques qui ont eu un succès commercial sont le dépôt de billes métalliques par évaporation, le dépôt électrolytique et la sérigraphie (7) (8) (9). Nous avons choisi d analyser les potentialités de la technique de sérigraphie de pâte à braser sans-plomb pour la réalisation de ces billes de connexion. En effet, cette technologie est récemment devenue pratique en raison de sa capacité de production à grande échelle, son adaptation aux nouveaux matériaux non toxiques et son faible coût. Ce choix a été fait en collaboration avec la société NOVATEC, partenaire privilégié du LAAS pour des projets liés à l assemblage. La société NOVATEC est en effet leader dans le développement de procédés innovants pour l assemblage électronique et en particulier pour la sérigraphie. Bien que ce procédé se heurte à la difficulté de maîtrise des matériaux et de leurs interactions, il nous est apparu qu il pouvait être un bon point de départ pour de nouvelles investigations en explorant les possibilités offertes par les nano matériaux actuellement développés. Nous nous sommes fixés comme objectifs la réalisation des matrices de billes de connexions électriques dont les dimensions sont comprises entre 50 µm et 100 µm, pour des pâtes à braser sans plomb, avec comme application les assemblages haute densité flip-chip. 12

13 Le principe de la sérigraphie de pâte à braser est décrit dans le deuxième chapitre, en mettant l accent sur les différents paramètres qui influent sur le procédé et que nous optimiserons dans le chapitre 3, à savoir : l UBM (Under Bump Metallurgy) constitué d un multicouche métallique sur lequel est déposé la pâte à braser, les paramètres machine tels que la pression et la vitesse de racle, la géométrie des ouvertures du masque de sérigraphie, les paramètres liés à la constitution de la pâte à braser et enfin le choix du mode de refusion. Nous présentons dans le troisième chapitre les résultats expérimentaux et les différentes étapes qui ont conduit à l optimisation des paramètres précédemment cités et à la réalisation de billes de connexion de diamètre inférieur à 100µm. Nous avons testé différents types de pâte à braser (type 4, type 5 et type 6) qui se différencient par la taille des particules métalliques qui les constituent. Nous avons comparé différentes ouvertures du masque de sérigraphie (carrée ou circulaire), en faisant varier le diamètre d ouverture et l écartement (ou pitch). Nous avons procédé également à l étude de l influence de la forme de l UBM (carré, rond ou en étoile) et du rapport entre la taille de l UBM et le diamètre de l ouverture du masque. Nous avons enfin étudié l influence du profil thermique de refusion sur la formation de billes sphériques. Nous montrons, à la fin du chapitre 3, les premiers essais d assemblage Flip-chip que nous avons menés à partir des billes de connexions que nous avons obtenues. Enfin dans un dernier chapitre nous présentons l étude de fiabilité qui a été faite sur les billes de connexion ainsi réalisées au moyen de tests de cisaillement (ou Shear-test) afin de mesurer la force de rupture conduisant à l arrachement de la bille. Des analyses EDX ont également été menées afin d analyser la constitution des intermétalliques formés à l interface bille/ubm et ainsi valider le mode de refusion. Ces travaux étant supportés financièrement par la communauté d agglomération Montauban 3 rivières dans le cadre de la plate forme technologique Micropacc, nous envisagerons le transfert de nos résultats pour incrémenter le savoir faire technologique de cette plate forme. A noter que durant ces trois dernières années nous avons été également sollicités pour assister et encadrer technologiquement la plateforme Micropacc du lycée Bourdelle dirigée par M. le Proviseur JP. AIMONETTO, dont nous tenons à remercier sa volonté de faire prospérer cet outil technologique. 13

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15 CHAPITRE I CHAP I : L ASSEMBLAGE EN MICROELECTRONIQUE 15

16 INTRODUCTION CHAPITRE I L évolution qui caractérise principalement le domaine de la microélectronique est la réduction des dimensions des circuits intégrés. Au cours des quatre dernières décennies l industrie des semi-conducteurs n a cessé d améliorer ses produits grâce à l augmentation de la densité d intégration, de la vitesse de fonctionnement et de la diminution du coût de fabrication. Pourtant, les effets de la réduction des dimensions ne se limitent pas à un simple facteur d échelle : des effets secondaires apparaissent, des limitations physique et technologique font surgir de nouvelles contraintes. L introduction de solutions innovantes se révèle indispensable : parmi les nombreuses solutions proposées pour remplacer les systèmes traditionnels basés sur le couple cuivre-diélectrique, la plus prometteuse est l intégration tridimensionnelle. L intégration tridimensionnelle connue sous le nom d assemblage 3D consiste en un empilement de tranches électroniques dont l'interconnexion s'effectue en trois dimensions en utilisant les faces de l'empilement pour réaliser les connexions entre les tranches. On distingue trois principales technologies : la MCM, la TAB la Flipchip. Un exemple d assemblage 3D est présenté dans la Figure 1. L objectif de ce chapitre est de présenter les différentes technologies d assemblage. Le choix de la technique qui nous permettra une miniaturisation du circuit intégré tout en assumant les contraintes physique, technologique ainsi que économique sera justifié par une étude comparative du point de vue coût et marché industriel. Figure 1 : Exemple d assemblage 3D structure Flip-chip sur MCM (10) 16

17 I MULTI-CHIP-MODULES (MCM) Dès les années 80, IBM inventa le concept du MCM, en reportant un nombre élevé de pastilles de circuits intégrés nues, directement sur un substrat multicouches en céramique cofrittée (Figure 2) : c est la MCM-C (Multi-Chip Module-Ceramic). Les MCM représentent le plus récent et le plus important pas en avant en packaging micro-électronique. Avec l arrivée de ces technologies, on a assisté à une amélioration significative des performances des fonctions électroniques, accompagnée d une réduction importante des tailles et du poids des cartes électroniques. Avec l augmentation prévisible des volumes en micro-électronique, la technologie MCM représente une alternative plus économique que les actuels boîtiers mono-chip (11). Figure 2 : Exemple d une structure MCM (10) I TRANSFERT AUTOMATIQUE SUR BANDE (TAB) La TAB est une technique d assemblage développée en 1969 par la société «General Electric». Le mérite principal de cette technique est de faciliter le test du composant électronique avant qu il ne soit assemblé (11). Elle est basée sur l utilisation d un ruban de format cinématographique sur lequel un réseau de conducteur est obtenu par gravure ou croissance chimique constituant ce qui est communément appelé une «araignée» d interconnexions. Le ruban peut donc être considéré comme un support d interconnexions particulier, constitué d un seul niveau conducteur sur un isolant très stable dimensionnellement. Dans les débuts du procédé d assemblage de circuits intégrés par TAB, les plots de sorties devaient recevoir un traitement spécifique, qui consistait à déposer une barrière de diffusion métallique (titane ou tungstène), puis une épaisseur d or d une vingtaine de micromètres d épaisseur. Cette exigence imposait aux fabricants de circuits intégrés une étape supplémentaire. Cette soudure collective a été un argument dans le développement de cette technique dans les années 70 pour des puces ayant 14 à 28 fils, mais l augmentation de la complexité et la dimension des circuits intégrés ont provoqué des problèmes d homogénéité au niveau des soudures et de leurs contrôles. En effet, la soudure collective d un grand nombre de plots nécessite une force unitaire considérable, qui peut conduire au clivage de la puce (10). Pour pallier à cet inconvénient de lourds 17

18 investissements sont nécessaires pour les équipements «ILB» (Inner Lead Bonding) ce qui restreint l utilisation de cette technique à des puces de petites dimensions (10/10mm 2 ). Pour les grandes puces montées en TAB, l obligation a été le retour à la soudure point à point. Entre-temps les machines de micro-câblage ont évolué de façon à rendre celui-ci plus rapide et plus fiable. Le circuit intégré est assemblé au centre de l araignée par l opération d ILB; la zone des soudures peut éventuellement recevoir une résine de protection. Le composant est testé et peut être assemblé ensuite sur un support d interconnexion. Cette dernière étape s appelle OLB (Outer Lead Bonding) (12) : on peut envisager deux zones d OLB successives comme le montre la Figure 1. I FLIP-CHIP La technologie Flip-chip a été introduite par IBM où elle est appelée C4 : elle résulte d un choix de construction d assemblage où les interconnexions sont sous forme matricielle tout au long de la chaîne d interconnexion. Les billes de soudure réalisent la liaison électrique et mécanique avec le niveau d assemblage suivant. La principale caractéristique de cette technologie d assemblage est qu elle permet un plus grand nombre de connexions (12). L assemblage d un circuit intégré sur son support, dans la configuration Flip- Chip, peut s effectuer par soudure ou par collage. Dans le premier cas, des billes de soudure sont disposées sur la puce, et permettent de créer un lien mécanique et électrique avec le support (Figure 4). Dans le second cas, c est une substance adhésive qui provoque la jonction des deux corps ; trois types d adhésifs sont à distinguer : conducteur, isolant et isotrope (c'est-à-dire que le passage de courant s effectue uniquement selon une direction précise). La technologie Flip-Chip favorise la miniaturisation des microsystèmes : en effet c est la technologie qui garantit une plus grande densité d intégration tout en gardant les mêmes dimensions de puce. Comme indiqué précédemment, la technologie Flip-chip se compose de deux principales filières : on trouve les connexions filaires et les connexions par microbille. Après avoir décrit les différents procédés conduisant à ce type de connexions, nous effectuerons une étude comparative de marché, afin de définir les interconnexions nous permettant d obéir aux critères suivants: interconnexions fiables, permettant une augmentation de la densité d intégration et donc la miniaturisation du composant, garantissant un faible coût et une grande échelle de production, et respectant l environnement. 18

19 Figure 3 : Structure TAB (12) Figure 4 : Schéma en coupe d une structure d assemblage en flip-chip (10) I CONNEXIONS FILAIRES La technique du câblage filaire ou «wire bonding» est développée depuis de nombreuses années. Cette technique permet, après positionnement et fixation d une puce sur son support, de connecter électriquement la puce au moyen d un fil soudé sur sa périphérie (Figure 5) : les machines automatiques fonctionnent à des cadences très élevées (>10fils/seconde) (13) (14) et permettent de satisfaire les assembleurs de composants. Selon le type de composant et la nature des fils (Au, Al, Cu), leurs diamètres varient de 17µm à quelques centaines de microns, ainsi que le pas qui varie à son tour de 50 µm à quelques centaines de micromètres. Pour faire face à la réduction des pas d interconnexion, on trouve aujourd hui des puces superposées présentant plusieurs niveaux de connexions filaires. Cette méthode économique possède un très fort degré d industrialisation ; elle montre ses limites en termes d intégration face à l augmentation de la densité d interconnexions (la densité est limitée à la périphérie de la puce) et aussi au niveau électrique (la fréquence de fonctionnement est de plus en plus élevée). Deux techniques sont possibles pour le wire bonding : le «ball bonding» (15) (16) (17) et le «wedge bonding» (18) (19) (20). 19

20 I BALL BONDING Figure 5 : Schéma du principe du «wire bonding» (18) La première méthode assurant le «Ball-bonding» a été la thermocompression. Ce procédé permet d'obtenir une jonction par diffusion, avec apport de pression et de chaleur. Un fil d'or passe à travers un capillaire chauffé par la décharge d'un condensateur ou par une flamme d'hydrogène (100 à 200 C). Une boule formée à la sortie du capillaire, est soudée sur un plot de sortie du circuit. Le capillaire est ensuite déplacé pour effectuer la deuxième soudure. Le fil est arraché par le capillaire, une nouvelle boule est reformée et une nouvelle connexion peut être effectuée. Ce procédé est décrit sur la Figure 6. La deuxième méthode, appelée câblage thermosonique, a remplacé la thermocompression dans la plupart des applications. Comme précédemment, on réalise une diffusion métal/métal sous pression mais à température peu élevée (substrat maintenu entre 100 C et 150 C). C'est l'énergie ultrasonore appliquée à l'interface aluminium/boule d'or qui permet d'obtenir une bonne jonction (18) (Figure 7). Les risques de formation des composants intermétalliques (IMC) et de dégradation des composants se trouvent donc minimisés. I WEDGE BONDING / WIRE BONDING La principale méthode qui garantit le «Wedge Bonding» est le câblage ultrasonique (Figure 8). Il s'agit d'une soudure à froid assurée par l addition de l énergie ultrason et la pression. Un fil est amené par le stylet, puis appliqué sur le plot à souder. La liaison entre le fil et la zone à connecter s'effectue en combinant pression et vibration ultrasonore (21) (22). C'est l'énergie ultrasonique qui entraine un ramollissement du fil, semblable à l'effet obtenu par une élévation de température. Le fil est ensuite guidé par l'outil sur le second plot et une soudure est effectuée. La soudure étant effectuée à froid, la formation d IMC est évitée (23) (24) (25). Avec cette méthode on peut avoir un pas de 50µm comme le montre la Figure 9. 20

21 Figure 6 : Séquences de câblage «Ball-bonding» (12) Figure 7 : Microcâblage ball bonding à 50 μm de pas (12) Figure 8 : Schéma du principe du câblage ultrasonique pour le «Wedge Bonding» (23) 21

22 Figure 9 : Zone câblée en Wedge Bonding au pas de 50µm (12) I CONNEXION PAR MICROBILLES OU «BUMPING» Au cœur de la technologie de connexion flip-chip, le «Bumping» est un procédé qui consiste en l introduction d une microbille conductrice entre les deux plots de connexion des puces (Figure 10). Ces plots sont recouverts d une couche adéquate d accroche appelée UBM (Under-Bump-Metallurgy) (26) (27) (28) qui assure deux fonctions : la connexion électrique entre le composant à assembler et son support, et l établissement d un lien mécanique. L un des points les plus importants dans ce procédé est de limiter la taille de la bille sur la puce (29). Par rapport à la technique de Wire-Bonding, la technologie flip-chip par bumping permet d obtenir un assemblage à haute densité d interconnexions (nombreuses entrées/sorties électriques) hautement performant (connexions plus courtes, faible inductance, faible bruit) (30), de diminuer la taille des composants et la taille finale du packaging. Différentes méthodes d obtention de ces microbilles sont mises en œuvre selon quatre techniques (31): dépôt en phase vapeur, en phase liquide et en phase solide, et dépôt par électrochimie (32). Dans les paragraphes suivants, nous allons exposer chacun des principes régissant ces méthodes et leurs procédés (33). I DEPOT EN PHASE VAPEUR Souvent cité comme étant un procédé physique de dépôt (PVD = Physical Vapor Deposition. Ce dépôt peut être mis en œuvre selon deux procédés distincts mais très similaires : l évaporation (electroplating) (34), (35) (36) et la pulvérisation cathodique (Sputtering). 22

23 I a - PROCEDE PAR EVAPORATION OU «ELECTROPLATING» Mise au point en 1968 par IBM, elle est devenue la technique la plus mature, connue sous le nom du procédé C4 (37). Les microbilles sont formées par évaporation de l alliage, dans une chambre sous vide. L alliage est placé dans un creuset puis chauffé au-dessus de sa température de vaporisation. Les vapeurs de métal se condensent sur toutes les surfaces intérieures de la chambre, y compris le substrat. Des plots de brasage se forment sélectivement à la surface du substrat au travers des ouvertures d un masque, qui possède deux niveaux de métal ; le premier niveau permet le dépôt par évaporation de l UBM sur le substrat et le deuxième niveau permet la formation des billes comme le montre la figure 11. Par ce procédé, il est possible de faire des microbilles de faible pitch (le pitch est défini comme la distance entre les centres de deux billes ou deux ouvertures d écrans) 40µm à 50µm (38). Utilisant deux niveaux de masque et le procédé d évaporation, cette technique a un faible taux de reproduction et est relativement chère du point de vue industriel (39) (Figure 11). Figure 10 : Principe de formation des billes pour les connexions Flip-chip (18) Figure 11 : Principe du procédé d évaporation sous vide ou «electroplating» (37) 23

24 I b - PULVERISATION CATHODIQUE La pulvérisation cathodique (Sputtering) est une technique qui autorise la synthèse de plusieurs matériaux à partir de la condensation d une vapeur métallique issue d une source solide (cible) sur un substrat. Elle est très employée pour réaliser les plages d accueil (Under Bump Metallurgy UBM), mais peu utilisée pour l obtention des microbilles. Elle conduit également à la réalisation de dépôts de faible épaisseur (quelques micromètres) ; mais elle est moins générique et moins flexible que l évaporation sous vide, donc peu pratiquée. Dans le cas précis des alliages contenant de l étain et du plomb, la consistance du dépôt (plutôt mou) n est pas très favorable (13). I DEPOT EN PHASE LIQUIDE La plupart des alliages de brasage sont des solutions solides qui sont dans un état métastable au cours de leur solidification à partir de la phase liquide gouvernée par la cinétique de solidification. Les alliages fondus sont également très réactifs, ils conduiront à la lixiviation (technique d extraction de produit soluble des métaux de n importe quelle surface mouillée) et s oxyderont aisément. Trois méthodes sont les plus fréquentes : le brasage par immersion, le brasage par jet et le brasage par injection d alliage (37). I a - BRASAGE PAR IMMERSION OU «DIP SOLDERING» Le procédé de trempe d un substrat dans un bain de brasage a été mis au point par Toshiba. Il s agit d une méthode de dépôt sans masque où les plots de connexion se forment directement sur les plages d accueils (UBM). Une source ultrasonique (19.5 khz) est utilisée pour amorcer une cavitation à la surface du plot et enlever l oxyde. En moyenne, on peut déposer environ 14µm d alliage sur un plot de 100µm2 (40). Cette technique est aujourd hui très peu employée car, d une part, elle nécessite l immersion d un substrat dans une solution portée à haute température (280 C) et, d autre part, le procédé dissout une part significative de l aluminium des plots (18). I b - BRASAGE PAR JET DE METAL LIQUIDE OU «SOLDER JET» L un des plus récents développements est le jet de gouttelettes d alliage de brasure. Il est basé sur le principe de l impression par jet d encre qui est utilisé pour des volumes importants à bas coût. Proposé par IBM en 1972, deux techniques de brasage par jet sont adaptées pour le bumping : formation d une bulle de vapeur, dans l encre, obtenue en chauffant un élément résistif (Continuous Mode) (Figure 12) ou par le déplacement d un matériau piézoélectrique couplé au fluide (Drop-on- Demand) (Figure 13) (37). Le Continuous Solder droplet printing mode est une technique qui permet de former des gouttes uniformes à partir d un jet de liquide provenant d un orifice de 24

25 délivrance. Un changement volumétrique provoque des variations de pression dans le fluide qui produisent la formation d une goutte à l extrémité d un orifice. Une gouttelette est créée dans le système: sa taille est approximativement égale au diamètre d orifice du générateur de gouttelettes. C est une technique à fort rendement avec une fréquence qui varie entre 5000 et Hz, permettant d avoir des billes de diamètre qui varie entre µm (41). L un des inconvénients de cette technique est que le réservoir doit contenir une importante quantité de métal liquide même si on a seulement besoin de faire peu d impression. Le Drop-on-Demand obéit au même principe que celui de la Continuous Solder droplet printing mode. Par contre un changement de volume est induit soit par le déplacement du matériel piézoélectrique qui est couplé au fluide, soit par la formation des bulles de vapeur dans le liquide produite par une résistance chauffante. La boule est créée seulement à la demande et elle a approximativement un diamètre égal à celui de l orifice. Figure 12 : Le Continuous Solder droplet printing mode (37) Figure 13 : Le Drop-on-Demand printing system (37) 25

26 I c - BRASAGE PAR INJECTION D ALLIAGE FONDU (EXTRUSION) Un creuset percé de trous du diamètre requis et contenant un bain d alliage de brasure est aligné sur l UBM. La tension de surface qui s'exerce au niveau des trous empêche l alliage fondu de se déverser au travers. L application d une pression à la surface du liquide permet un écoulement contrôlé (42) (43). Une fois que la brasure mouille les plots, le creuset est retiré. Un ensemble de forces agit sur la soudure fondue au niveau de chaque plot : des forces de tension superficielle, des forces de mouillage et des forces de gravité. Lorsque le creuset est remonté, la brasure forme des colonnes dont le diamètre diminue jusqu à ce que la colonne ne puisse plus s allonger et qu elle casse. Il reste sur le plot un volume régulier de brasure, cette technique est montrée dans la Figure 14. I DEPOT PAR ELECTROCHIMIE Figure 14 : IBM s Solder Injection Process (37). La plupart des métaux utilisés en assemblage (Pb, Sn, Au et Ag) s ionise facilement en solution. En effet le potentiel d électrolyse du Pb et du Sn est similaire, ce qui rend possible le dépôt électrolytique de la soudure (37). C est une technique qui vise la technologie flip-chip pour des faibles pitchs. L électrodéposition se base sur le principe de l électrolyse : c est un dépôt électrolytique (PVD) qui consiste à réduire un métal présent sous forme ionique en solution sur une cathode grâce à l apport d un courant extérieur. Il s agit d une réaction qui se déclenche par la source de courant. Le substrat représente la cathode. L anode est réalisée par une barre de métal. A travers un masque de résine on vient 26

27 faire croître le métal dans les zones ciblées. La formation des billes est achevée par une refusion (44) (Figure 15): un exemple de dépôt par électrodéposition avant et après refusion est donné sur la Figure 15. Comme on utilise la résolution des procédés de microlithographie pour définir le moule, le diamètre des billes possible varie entre 5µm et 10µm, pour une production de 25 wafers par heure. Figure 15 : Formation des billes par électrodéposition (45) 27

28 I DEPOT EN PHASE SOLIDE Les alliages utilisés pour le brasage ont des températures de fusion de quelques centaines de degrés (180 C à 300 C), leurs constantes de diffusion sont relativement élevées. Il est donc possible d effectuer un brasage par diffusion à des températures qui n affectent pas thermiquement les circuits intégrés. D où l avantage du soudage ainsi que la possibilité d assembler des matériaux de microstructures très différentes avec une déformation plastique limitée. Il existe plusieurs méthodes de formation de billes en phase solide : le «stud bumping», le microemboutissage (ou micropunching), le placement de billes préformées («ball placement» (11)) et la sérigraphie (37). I a - BALL OU STUD BUMPING C est une méthode qui dérive de la soudure par fils, utilisant la même machine avec quelques modifications. Les fils, formés par des métaux purs, sont produits directement à partir de la coulée par melt-spinning, en rotation d eau. Après l insertion du fil dans le capillaire de la machine, la bille est formée par une décharge d arc électrique (18). Le principe ainsi qu une photo de bille ainsi formée sont reportés sur la Figure 16. Figure 16 : Dépôt de billes par Stud Bumping (37) A partir de fils d Or de 17µm à 50µm de diamètre et de fils de Cuivre de 20 à 33µm de diamètre, cette technique permet d obtenir des billes de diamètre inférieur à 28

29 100µm avec des pitchs de 50 à 60µm. La capacité de production est de l ordre de 30 à 40 billes par seconde (46). I b - MCROEMBOUTISSAGE OU «PUNCH AND DIE» Cette technique de micro-emboutissage consiste à transpercer un ruban constitué par l alliage de brasure au niveau de la couche d UBM (Figure 17). Un recuit, où on atteint la température de fusion de l alliage, permet ensuite de former le plot de soudure. Cette méthode unitaire, peu utilisée, s applique à des substrats ou des puces de petite série. Elle trouve son intérêt pour des états de surface non uniformes comme des canaux en V utilisés pour des composants optiques (47). I c - SOLDER SPHERE Figure 17 : Principe de dépôt par micro-emboutissage (13) Il s agit du placement individuel de microbilles préformées ; elles sont déversées une par une au travers d un tube pour venir se placer sur les UBM (figure18). Cette méthode, brevetée par la société Pac-tech en 2000 (48), nécessite l application d une force à température élevée, à laquelle on adjoint une courte impulsion laser. Cependant, son débit très faible (49) et ses caractéristiques techniques (Tableau1), excluent l utilisation de cette technique dans un réseau surfacique très dense. Hauteur de billes Alliages Compatibilité machine Production 60 à 500µm Pb-Sn / Au-Sn / Sn-Ag- Cu BGA / Flip-Chip 10Billes/s Tableau 1 : Caractéristiques techniques du dépôt par solder sphere-transfer 29

30 Figure 18 : Dépôt de billes préformées par solder-sphere-transfer (48) I d - PLACEMENT DE BILLES PREFORMEES OU «BALL PLACEMENT» Les billes peuvent être déposées soit sur boîtiers de type BGA (Ball Grid Array) soit sur wafers. Comme le montre le tableau 2, cette méthode est limitée à des billes de grande dimension, supérieures à 100µm, de par l utilisation du masque de sérigraphie ; la capacité de production est cependant importante, avec le dépôt de 10 4 à billes par passage dans le cas d un wafer. Les photos de la figure 19 représentent la tête contenant les billes préformées et un exemple de dépôt de billes de 300µm de diamètre réalisé sur un substrat de silicium. Cette technique est développée par DEK et utilise le principe de la sérigraphie Dans ce cas, le placement des microbilles préformées est collectif ; les microbilles sont déversées collectivement au travers d un masque pour venir se placer sur les UBM. Le principe utilisé est schématisé sur la figure

31 Micro-BGA Wafer Diamètre bille 300µm à 400µm 200µm à 500µm Pitch 500µm à 750µm 400µm à 800µm Production (billes/passage) Tableau 2 : Capacité de production du «Ball placement» (DEK) Figure 19 : Schéma du principe de placement de billes préformées (DEK) I e - DEPOT PAR SERIGRAPHIE OU «STENCIL PRINTING» Le procédé de sérigraphie permet un transfert sélectif de matière, à travers un écran, vers un substrat. L écran, percé d ouvertures, placé au-dessus du substrat, est balayé par une racle qui distribue la matière, à travers les ouvertures de l écran, pour la déposer sur le substrat comme le montre la Figure 20. C est une technique très connue et très utilisée par l industrie d assemblage électronique pour les CMS 31

32 (Composant Monté en Surface) à très grande série (37). Ce procédé nécessite un faible investissement ce qui le rend accessible aux PME. Il permet une production à grande échelle ( billes déposées par passage de racle), et il est compatible avec les alliages sans-plomb. Figure 20 : Principe du dépôt par sérigraphie (37) I ÉTUDE COMPARATIVE DES DIFFERENTES TECHNIQUES Le tableau 3 compare les différentes techniques de formation des billes de connexion, en termes de coût, de densité, de taille de pitch (à savoir distance entre billes, voir définition en annexe 1) et de respect de l environnement. Nous avons utilisé trois niveaux de comparaison : procédé bien adapté (+), moyennent adapté (0) et pas du tout adapté (-). Les trois principales techniques qui ont eu un succès commercial sont le dépôt par évaporation, le dépôt électrolytique et la sérigraphie. Les techniques de dépôt électrolytique et par évaporation ont progressé à un stade où elles peuvent atteindre actuellement la viabilité commerciale. Quelques inconvénients cependant liés à l'environnement car le choix de la composition d'alliage est limité. La technique de dépôt par sérigraphie de pâte à braser est récemment devenue pratique en raison de son adaptation aux alliages sans plomb. Cette méthode présente l'avantage d'une plus grande capacité dans le choix de compositions d alliages, d'un faible coût et d'une possible production à grande échelle; cependant son inconvénient majeur est qu elle n est pas adaptée à l obtention de faibles pitchs. C est donc cette technique que nous avons choisie d introduire au laboratoire afin de mettre au point les assemblages de type flip-chip pour l intégration des microsystèmes qui y sont développés. 32

33 Coût Temps de procédé Production Densité I/O Faible pitch Application sans Plomb Respect de l environnement Evaporation Electrolytique Sputtering Sérigraphie Stud bumping Tableau 3 : Comparaison de différentes techniques de connexion par microbilles (50). 33

34 CONCLUSION CHAPITRE I Gagner le défi économique de l assemblage passe par la réduction du coût et la miniaturisation des contacts. L idée que l on va explorer dans ces travaux de recherche est celle de la création directe de la bille intermédiaire sur la puce pour n avoir à réaliser qu une soudure unique lors du procédé d assemblage terminal. Cette idée est aussi compatible avec la réalisation de contacts encore plus petits et de matrices encore plus denses. Nous avons opté pour ce faire pour la technique de sérigraphie de pâte à braser sans plomb. Dans ce contexte, notre travail de thèse portera sur la maîtrise d un nouveau matériau de soudure par sérigraphie, la mise au point de procédés de réalisation de matrices de points de soudure, l étude et l expérimentation de véhicules de tests pour valider tous les procédés réalisés, la fiabilisation des procédés, l analyse des modes de défaillance et le transfert industriel. Le défi à relever est l adaptation de la technique de sérigraphie, assurant une très grande densité d intégration par la réalisation simultanée de plusieurs milliers de connexions électriques sur les substrats, avec un procédé d assemblage de type «Wafer Level Package», ou assemblage au niveau du substrat, avec de nouveaux matériaux, tels que l alliage sans Plomb. 34

35 CHAPITRE II CHAP II : WAFER-BUMPING PAR SERIGRAPHIE POUR UN ALLIAGE SANS-PLOMB 35

36 INTRODUCTION CHAPITRE II L. a sérigraphie de pâte à braser se définit comme le dépôt d une quantité de pâte à braser à travers un masque. Faire de l assemblage Flip-chip par sérigraphie consiste à faire du Wafer-Bumping, à savoir la formation de billes de connexion électrique directement sur substrat silicium. C est un procédé technologique que l on définit comme suit : - Formation des Under-Bump-Metallurgy (UBM) ou couches métalliques intermédiaires entre la piste d interconnexion et la pâte à braser ; - Dépôt de pâte à braser sur substrat par sérigraphie ; - Refusion thermique de la pâte permettant de la transformer en bille de connexion ; Dans la première partie de ce chapitre nous définirons les UBM (Under Bump Metallurgy), à savoir les couches métalliques qui les constituent et le rôle de chacune d elles. La seconde partie sera dédiée à la présentation de la technique de sérigraphie et la détermination des paramètres qui influent sur le dépôt : pression et vitesse de racle par exemple, nature du masque de sérigraphie. Nous discuterons des différents types de pâtes à braser ainsi que des alliages qui les constituent. Nous définirons enfin le profil thermique de refusion ainsi que chaque phase qui le constitue, puis nous décrirons les différents types de refusion (conduction, convection et rayonnement infra rouge) en définissant les lois qui les régissent. II LES UNDER-BUMP-METALLURGY (UBM) L UBM constitue la première étape dans la formation des billes de connexions pour l assemblage flip-chip. Dans l assemblage à très forte densité d'interconnexion, en particulier flip-chip, le point de soudure est de petite taille, formé à partir d un alliage à grande teneur en étain. La sélection d'un bon UBM est très importante, car il est souvent responsable des échecs de connexion (51). L UBM est donc l élément qui permet de maintenir le point de connexion attaché au substrat. Il repose sur la piste métallique d interconnexion déjà présente sur le circuit silicium recouverte partiellement par une couche de passivation. Il est constitué de plusieurs couches métalliques qui ont chacune une fonction bien précise. La figure 21 montre une vue en coupe de l ensemble substrat-ubm bille de connexion. 36

37 UBM : Couche de mouillabilité Barrière de diffusion Couche d accroche Piste de connexions électrique Passivation Wafer Figure 21 : Vue en coupe schématique d un UBM On distingue trois parties essentielles dans la constitution d UBM : - La couche d accroche mécanique de la bille de connexion sur le substrat. - La barrière de diffusion des atomes des différents matériaux dans l'alliage de la bille. - La couche qui assure une bonne mouillabilité de la pâte à braser sur la surface du substrat. Nous allons décrire chacune de ces parties en mettant l accent sur les matériaux qui les constituent. II PISTE DE CONNEXION C est la toute première couche à réaliser, elle assure l acheminement du courant, d une part entre deux puces à travers une bille, et d autre part entre des billes sur une même puce. Comme toute piste de connexion électrique, le métal utilisé doit avoir une excellente conductivité électrique avec une résistance à l oxydation. II COUCHE D ACCROCHE MECANIQUE À travers cette couche d adhérence, qui couvre la métallisation de la puce, l interface entre le plot de la puce et le substrat est renforcée. Le choix du matériau dépend donc de la nature de la piste de connexion, et du matériau de la seconde couche. Les couches les plus employées et qui permettent d'accrocher une large variété de matériaux sont à base de chrome (Cr), de Titane (Ti), de Nickel (Ni), de Tungstène(W) ou des alliages tels que (TiW, CrCu). II BARRIERE DE DIFFUSION La couche barrière a pour rôle de bloquer la diffusion des atomes de la couche d accroche ainsi que ceux des pistes de connexions, vers l alliage de la bille et ce dans le but d éviter toute formation de microstructures à l interface entre la couche d UBM 37

38 et la bille. La présence de ces microstructures limiterait l homogénéité de la structure de la bille et favoriserait donc sa cassure. La microstructure des points de connexions riches en étain est fortement influencée par des éléments d'alliage tels que l Ag, Cu, Sb, Bi, In, Zn, et Co. La formation des dendritiques primaire β-sn, est assez fréquente dans les alliages binaires ou ternaire riches en étain tels que Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, et Sn-3.8Ag-0.7Cu (52). II COUCHE DE MOUILLABILITE Par définition, le mouillage d'un liquide (pâte à braser dans le cas présent) sur un solide (UBM), désigne la forme que prend le liquide à la surface du solide. La mouillabilité est généralement caractérisée par l angle de contact θ formé à la ligne triple du système (solide, liquide, vapeur) (Figure 22). On parle de mouillage total lorsque le liquide s'étale totalement, et de mouillage partiel lorsque le liquide forme une goutte sur le solide (53) c'est-à-dire que l angle formé par la surface du métal avec la tangente de la goutte d alliage fondu est inférieur à 90. Figure 22 : Représentation schématique de la mouillabilité d un solide par un liquide (54) Le Ni a été largement utilisé en tant que barrière de diffusion en raison de la rapide réaction entre l étain, alliage principal du point de soudure et le cuivre, matériau des pistes de connexions, dans le but d éviter la formation des intermétalliques (Cu-Sn). L angle de contact résultant du dépôt de pâte braser Sn- 3Ag-0.5Cu sur une surface de Ni-P (de 7% à 13% de phosphore) est compris entre 18 et 27 (55). Mais en ajoutant une couche d Or (Au) on assure un meilleur mouillage : l Au agit également en tant que barrière de diffusion en plus de sa résistance à l oxydation (56). Le Tableau 4 présente quelques matériaux utilisés comme UBM pour l assemblage flip-chip. 38

39 UBM Technique Alliage de la bille TiW/Cu/ Cu Electroplating Sn-3.5Ag, Sn37Pb (51) Cr/Cr-Cu/Cu Electroplating Ni-W/Cu Electroplating TiW /NiV Electroplating Ni-P/Au Electroless Nickel immersion Gold Sn-Pb (57) (58) (59) Ti/Cu/Ni-P Ellectroplated SAC (55) Tableau 4 : Alliages candidats pour la formation des UBM II TECHNIQUE DE DEPOT DE PATE A BRASER PAR SERIGRAPHIE Le dépôt de la pâte à braser par sérigraphie est conditionné par de multiples facteurs: le masque de sérigraphie à travers lequel on a un transfert sélectif et localisé de la pâte à braser et qui définit l épaisseur de dépôt, la nature de pâte à braser et sa métallurgie et les paramètres de la machine de sérigraphie. Suivant ces facteurs, différentes formes de dépôt de pâte peuvent apparaître après enlèvement du masque de sérigraphie comme le montre la Figure 23. Figure 23 : Variation de forme de dépôt de pâte suivant le dessin de masque Un dépôt par sérigraphie sera considéré comme satisfaisant s il présente : Une hauteur uniforme égale ou légèrement inférieure à l épaisseur du masque de sérigraphie, Une forme qui correspond à la forme gravée sur le masque de sérigraphie c'est-à-dire cylindrique pour les ouvertures circulaires et cubique pour celles rectangulaires, Une largeur correspondant à l ouverture du masque avec un minimum d étalement, Un dépôt uniforme sur toutes les ouvertures. 39

40 II CARACTERISTIQUES DE LA SERIGRAPHIE Nous allons dans cette partie décrire les différents éléments qui constituent une machine de sérigraphie : le masque ou pochoir, et la racle. Nous définirons également les différents paramètres machine qui influent sur le dépôt. II MASQUE DE SERIGRAPHIE Le masque de sérigraphie conditionne un grand nombre de paramètres de par ses obligations : faciliter le dépôt de la pâte en transférant une quantité précise de matière à un endroit donné sur le PCB (Printed Chip Board ou circuit imprimé) ou, dans notre cas d assemblage direct, sur le substrat semi conducteur. Un masque de sérigraphie se distingue par sa technologie de fabrication, sa matière et le dessin de ses ouvertures (Figure 24). On dénombre trois technologies de fabrication de masque de sérigraphie : la gravure chimique, la découpe laser et la croissance électrolytique. Chacune se distingue par la qualité des parois d ouverture et son coût ainsi que par son aptitude à produire des pas d ouverture fins. II a - GRAVURE CHIMIQUE Figure 24 : Coupe transversale du masque La gravure chimique se fait des deux côtés du métal qui constitue le masque (Figure 25). Le masque qui est conçu par voie chimique est généralement utilisé pour des applications avec de grands pitchs de l ordre de 1400µm (60). Ce procédé de fabrication est à éliminer dans le cas de notre étude, puisque notre objectif est de réaliser des billes avec un faible pitch. Un exemple de réalisation est donné sur la Figure 26. II a - GRAVURE LASER Avec la gravure laser les ouvertures de masque sont découpées une par une de façon séquentielle. Ce procédé, plus précis que la gravure chimique, est nettement plus onéreux et présente des parois d ouverture granuleuses comme le montre la Figure 27. II b - LA CROISSANCE ELECTROLYTIQUE Procédé d électrodéposition de matière, il est le plus adapté pour les applications visant des faibles pitchs (20µm). Le processus consiste à une croissance 40