Les capots collés: un vieux problème revisité pour les MEMs O. PUIG CNES 1
L'herméticité: Un problème pour les MEMs, commun à tout packaging à cavité: Besoin/stockage longue durée et volume de cavité Validité de la théorie? Quel niveau limite pour un microsystème? Limite de détection de la méthode Etude en cours au CNES 2
Le wafer level packaging Quelquefois proposé avec des scellements organiques (collage de deux wafers, capot plastique, etc ) En plus des pb d'herméticité, se pose le problème de la diffusion dans le matériau. 3
Les joints collés: un vieux pb. Beaucoup de détecteurs pour l'imagerie satellitaire utilisent un collage pour le scellement de la vitre sur le boîtier Une certaine expérience a été acquise 4
La spécificité des matériaux organiques Matériaux organiques/minéraux Possibilité d'insertion de petites molécules (eau, ) dans la matrice suivant leur polarité 5
La diffusion Le phénomène de diffusion est prépondérant par rapport aux fuites vis à vis de l'eau pour la plupart des matériaux organiques Tester l'herméticité d'une cavité avec de l'hélium n'est donc pas une garantie suffisante. 6
Les lois de la diffusion Diffusion: Lois de Fick: J = D C. D C = Absorption: Loi de Henry P = S * H O CH 2O 2 Non pris en compte: Adsorption Non linéarité de la loi de Henry C t Autres lois de diffusion (langmuir) 7
Lois de diffusion: Deux paramètres majeurs: D: Coefficient de diffusion D = D e 0 E kt S: Coefficient de saturation a E kt S = S0e Nota: P: Perméabilité= D.S.d (d:densité) a 8
Simulation du joint seul: t0 C1 constant sur une face C1 constant sur une face t C0 l: longueur Résolution des équations de Fick (une dimension): C C 1 C C Soit à C donné, t prop. à l 2 /D C=?? n 2 π (2 + 1). 0 4 ( 1) D n t 2 + 1 = 2 n 4l 1.. e.cos(. π. x) 0 π n= 0 2n + 1 2l 2 Ox 9
Simulation du joint avec la cavité: Résolution directe des équations de Fick complexe (conditions aux limites variables) Lorsque la cavité est très petite par rapport à la surface du joint, on s'approche du cas précédent (t prop. à l 2 /D) Dans le cas inverse, le joint peut être assimilé à une simple résistance (dc/dx=cste: t prop. à l.v/dsda avec A=aire du joint, V: volume de la cavité) Dans les deux cas, diviser par 10 les dimensions revient à diviser par 100 le temps. 10
Simulation numérique Simulation d'une cavité à l'échelle centimétrique (boîtier CCD sans puce collée, humidité ext.=50%rh) Humidité relative 35.0% 30.0% 25.0% 20.0% 15.0% 10.0% 5.0% 350 300 250 200 150 100 50 Température K RH cavité C Colle2 T Pt de rosée Dew point 0.0% 0 0 20 40 60 80 100 120 t 50% =85h Temps (heures) 11
Simulation numérique Simulation d'une cavité à l'échelle millimétrique par homothétie Humidité relative 35.0% 30.0% 25.0% 20.0% 15.0% 350 300 250 200 150 Température K RH cavité C Colle2 T Pt de rosée Dew point t 50% =0.85h 10.0% 5.0% 100 50 0.0% 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 Temps (heures) 12
Effet de D: bien choisir le matériau Température ( C) Moisture diffusion and heat transfer... Novalac Epoxy 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 1.00E-03 The effect of network structure... The effect of network structure... 1.00E-04 Influence of preheat and... Biphenyl Coefficient de diffusion (mm2/s) 1.00E-05 1.00E-06 1.00E-07 Influence of preheat and... Multifonctional Influence of preheat and... Novalac Epoxy Studies of moisture in... Polyimide Moisture transport in Polyimide 1.00E-08 Moisture absorption and mechanical performance... Epoxy (60% RH) Moisture absorption and mechanical performance... Epoxy (100% RH) 1.00E-09 On the Mechanical Reliability of photo- BCB Thin Film Dielectric Polymer for Microelectronic applications BCB 13
Effet de l (longueur de joint) Dans une configuration donnée, calcul du t 50% pour plusieurs l. Regression en fonction de l et l 2 Temps pour atteindre 50% de RH extérieur 100000 10000 1000 100 10 1 0.05 0.0760438 0.115653 0.1758938 0.2675125 0.4068531 0.6187727 0.9410759 1.4312588 2.1767657 stationnaire Transitoire Largeur de joint (mm) 14
Enfin, bien dimensionner l'essai de validation: Prendre en compte le stockage au sol et le vol 7.0% 350 6.0% 5.0% Lancement: RH extérieur=0 300 250 Humidité relative 4.0% 3.0% 200 150 RH cavité C Colle2 T 2.0% 100 1.0% 50 0.0% 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Temps (h) 15
Valider le modèle Validation pour un boîtier type MIR avec capteur d'humidité 20 18 16 100 90 80 % internal moisture 14 12 10 8 6 Calculated inner atmosphere Epoxy middle of substrate Epoxy middle CCD Measured inner atmosphere 70 60 50 40 30 % external moisture 4 Outer atmosphere 20 2 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 Time (h) 16
Conclusion (1) Un scellement organique pour une encapsulation de MEMs est bien plus critique s'il est réalisé au niveau wafer. Sont primordiaux au premier ordre: D et l, puis au deuxième ordre, S et les autres facteurs dimensionnels. Les caractéristiques hydriques du matériau de scellement doivent être connues (y compris en température) 17
Conclusion (2) Les essais de validation passent par une modélisation afin de pouvoir réduire le temps d'essai, donc par une validation du modèle. Il est souhaitable d'éviter cette ingénierie en se passant de solutions organiques dans le cas de cavités Demeurent alors les problèmes d'herméticité... 18