Développement de la technique de sérigraphie pour la formation de billes de connexions inférieures a 100µm pour l'assemblage 3D : optimisation et étude de fiabilité, Stencil printing of Pb-free solder paste for formation of bumps smaller than 100μm : optimization and reliability study

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Sous la direction de Jean-Yves Fourniols, Josiane Tasselli
Thèse soutenue le 18 février 2010: INSA de Toulouse
L’assemblage et le conditionnement en électronique représentent un enjeu de création de nouveaux systèmes électroniques hybrides rassemblant sur un même substrat des éléments électroniques, optiques, mécaniques… La technologie Flip-chip , introduite par IBM et baptisée C4 (Control Collapse Chip Connection), garantit une plus grande densité d’intégration tout en gardant les mêmes dimensions de puce. Au coeur de cette technologie, le « Bumping » est un procédé qui consiste en l’introduction d’une microbille conductrice entre deux plots de connexion des puces afin de réaliser une liaison électrique et mécanique avec le niveau de packaging suivant. 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'un faible coût et d'une possible production à grande échelle. Nous avons donc choisi de développer cette technique afin d’obtenir des matrices de connexions électriques de dimensions comprises entre 50 μm et 100 μm, pour une pâte à braser de type Sn3.0Ag0.5Cu. Nous avons déterminé les paramètres de sérigraphie afin d’obtenir un minimum d’étalement de pâte pour un remplissage maximum des ouvertures du masque choisi en Ni-électroformé d’épaisseur 50μm : une vitesse de racle de 20mm/s et une vitesse de démoulage de 4mm/s sont par exemple à retenir pour une pâte de type 5. L’étude du masque de sérigraphie a conduit au choix d’ouvertures circulaires. Des formes de billes circulaires ont été obtenues pour des UBM (Under Bump Metallurgy) également circulaires, de diamètre ¼ et ½ le diamètre de l’ouverture du masque. L’optimisation du profil de refusion a permis de déterminer qu’un palier à 180°C, un TAL de 90s ou plus et une température maximale à 250°C favorisaient l’obtention de billes circulaires avec absence de vides. Pour une pâte de type 6, des billes de 60à 70μm de diamètre ont été obtenues pour des ouvertures de masque de 100μm. Une étude de fiabilité de ces billes à partir de tests de cisaillement et de l’analyse des IMC (composés intermétalliques) formés après refusion a permis de montrer que des UBM en Cr-Cu-Au, de diamètre égal à la moitié de l’ouverture du masque, permettaient d’assurer un meilleur maintien mécanique des billes
-Pâte à braser sans-Plomb
-Technologie Flip-Chip
-Sérigraphie
The semiconductor industry has continuously improved its products by increasing the density of integration resulting in an increasing of the I/Os, always with a low cost requirement. To obtain high-density and high-speed packaging, the Flip-Chip interconnection technology was introduced by IBM also called C4 (Control Collapse Chip Connection). Solder bumps have been widely used in electronic industry and were generally based on the Sn-Pb alloy, for its low melting point and good wetting property. Containing highly toxic element (Pb), Pb-Sn solder alloy has been banned. The ternary alloy Sn-Ag-Cu seems to be the best compromise, in fact it as physical and chemical characteristics equivalent to that of Sn-Pb.In this study we are interested to optimize stencil printing process and adjust it with the flip-chip technology, in order to obtain solder bumps which height is between 50µm and 100µm associated to pitches less than or equal to 200µm, using Sn-3.0Ag-0.5Cu solder paste. We have optimized the stencil printing parameters machine, the stencil apertures shape and size (circular shape and 50µm height, for a Ni-electroformed stencil). Spherical solder balls have been achieved with circular UBM (Under Bump Metallurgy), which diameter is ¼ and ½ the diameter of the stencil aperture. The reflow thermal profile is the key to the formation of a reliable solder bump. It must allow a homogeneous reflow for all particles of the metallic solder paste. We define a thermal profile with a Time above liquidus (TAL) of 90s, a temperature in soaking zone (Ts) of 180°C and a maximum temperature (Tmax) of 250°C. For type 6 solder pastes, balls of 60-70µm diameter have been obtained for 100µm stencil apertures.The quality of a solder joint is directly related to the adhesion of the solder ball to the substrate. Among the various methods of mechanical testing, shear testing is the most widely used to assess the strength of the attachment of beads to the substrate and determine the fragility of the ball at the interface caused by the intermetallic layer compounds (IMC) formed after the reflow step. We have shown that Cr-Cu-Au UBM, with a diameter equal to the half of the stencil aperture, ensure the mechanical adhesion of the balls
-Pb-free solder paste
-Flip-Chip Technology
-Stencil printing
Source: http://www.theses.fr/2010ISAT0010/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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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
5



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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
8


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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