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Année : 2010
THESE
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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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.

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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
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TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES ................................................................................................................. 7
INTRODUCTION GENERALE ..... 11
Chapitre I ................................................................................................................................ 15
L’ASSEMBLAGE EN MICROELECTRONIQUE............. 15
Introduction Chapitre I......................................................................................................... 16
I - 1 - Multi-Chip-Modules (MCM) ..................... 17
I - 2 - Transfert Automatique sur Bande (TAB)................................................................. 17
I - 3 - Flip-Chip ....................................................................................... 18
I - 3 - 1 - Connexions Filaires 19
I - 3 - 2 - Connexion par Microbilles ou « Bumping » ...................................................... 22
I - 3 - 3 - Étude Comparative des Différentes Techniques ............... 32
Conclusion Chapitre I .......................................................................................................... 34
CHAPITRE II ............................................................. 35
WAFER BUMPING PAR SERIGRAPHIE POUR UN ALLIAGE SANS-PLOMB ................................ 35
II - 1 - Les Under-Bump-Metallurgy (UBM) ...................................... 36
II - 1 - 1 - Piste de Connexions ............................................................. 37
II - 1 - 2 - Couche d’Accroche Mécanique .......................................................................... 37
II - 1 - 3 - Barrière de Diffusion ............................................................ 37
II - 1 - 4 - Couche de Mouillabilité....................................................... 38
II - 2 - Technique de Dépôt de pâte à braser par Sérigraphie ......................................... 39
II - 2 - 1 - Caractéristiques de la sérigraphie ...................................... 40
II - 2 - 2 - La Pâté A Braser .................................................................... 46
II - 3 - La refusion De La Pâte A Braser .............................................. 53
II - 3 - 1 - Réaction Chimique et Interface .......................................... 54
II - 3 - 2 - Profil Thermique de Refusion............. 55
7


II - 3 - 3 - Modes de Refusion ............................................................................................... 57
Conclusion Chapitre II.......................................... 62
CHAPITRE III ............................................................ 64
RESULTATS EXPERIMENTAUX ET OPTIMISATION DU PROCEDE ............. 64
III - 1 - Méthodologie du Plan Factoriel ............................................................................. 65
III - 1 - 1 - Définition des Facteurs Etudiés et du Domaine Expérimental .................... 66
III - 1 - 2 - Analyse des Résultats ......................................................................................... 67
III - 2 - Optimisation des Paramètres de la machine de sérigraphie .............................. 71
III - 2 - 1 - Caractéristiques d’un dépôt Par Sérigraphie .................................................. 71
III - 2 - 2 - Caractéristiques du Masque de Sérigraphie.................... 72
III - 2 - 3 - Démarche et Méthodologie (Pâte type 4) ........................................................ 73
III - 2 - 4 - Dépôt de Pâte type 5 ........................................................... 76
III - 3 - Optimisation des formes et des dimensions d’ouvertures du masque de
sérigraphie .............................................................................................. 77
III - 3 - 1 - Pâte type 4 ............................................................................................................ 77
III - 3 - 2 - Pâte type 5 ............ 79
III - 3 - 3 - Pâte type 6 ............ 81
III - 4 - Étapes Technologiques pour la Formation des UBM.......................................... 82
III - 4 - 1 - Étape 1: Dépôt des Pistes de Connexions ........................................................ 82
III - 4 - 2 - Étape 2: Passivation des Pistes de Connexions ............... 82
III - 4 - 3 - Étape 3: Dépôt de L’UBM................................................................................... 83
III - 5 - Optimisation Des Formes et Des Dimensions D’UBM ....... 85
III - 5 - 1 - Formes et Dimensions Mises en Evidence....................................................... 85
III - 5 - 2 - Résultats et analyse ............................................................. 86
III - 6 - Formation de Billes Dont La Taille Est Comprise Entre 50µm et 100µm ......... 89
III - 6 - 1 - Dessin De Masque ............................................................... 90
III - 6 - 2 - Le Profil Thermique de Refusion pour une Pâte Sans-Plomb ...................... 90
III - 6 - 3 - Résultats expérimentaux .................................................................................... 91
III - 7 - Premiers essais d’assemblage Flip-Chip ............................... 96
Conclusion Chapitre III ...................................................................................................... 101
CHAPITRE IV .......................................................... 102
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ÉTUDE DE FIABILITE DES BILLES DE CONNEXION SANS-PLOMB ......................................... 102
IV - 1 - Les Contraintes ....................................................................... 103
IV - 1 - 1 - Les Déformations .............................. 104
IV - 1 - 2 - La Dilatation Thermique .................................................................................. 104
IV - 2 - Test de Cisaillement (Shear-Test)......... 105
IV - 3 - Etude de la Défaillance de la bille de connexion ............... 107
IV - 3 - 1 - Influence De La Taille D’UBM Sur La Force de Rupture ............................ 107
IV - 3 - 2 - L’influence de la métallurgie de l’UBM sur la force de cisaillement et
analyse des IMC................................................................................................................... 111
IV - 4 - La variation de la force de cisaillement suivant la vitesse de l’outil............... 115
Conclusion Chapitre IV ...................................................................................................... 120
CONCLUSION GENERALE....... 122
BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................... 129
Indexe d’Abréviation .......... 140
INDEX DES FIGURES ................................................................................................................ 141
INDEX DES TABLEAUX ............ 146
ANNEXE 1 : DEFINITIONS....................................................................................................... 147
Annexe 2 : Fiches techniques ...




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