Étude de l'influence de l'assemblage sur le comportement des composants électromécaniques intégrés dans des systèmes radiofréquences, Study of the assembly influence on the behaviour of integrated electromechanical components in radiofrequency systems

Vincent Georgel

Description

Sous la direction de Gaëlle Lissorgues, Patrick Poulichet
Thèse soutenue le 13 juin 2008: Paris Est
Afin d'étendre la diversité des composants intégrables dans un System in Package (SiP), il apparaît nécessaire de développer l'intégration de composants hétérogènes. Cette étude présente une solution par report avec un scellement en polymère. L'utilisation de ces matériaux entraîne des problèmes de fiabilité thermomécanique. Grâce à un prototype virtuel, il est possible d'évaluer les sollicitations et de comprendre ce comportement de la structure. Cela permet de mieux appréhender les mécanismes de défaillance et d'optimiser la structure avant sa fabrication. Pour démontrer la faisabilité, nous avons utilisé des filtres à ondes acoustiques de surfaces (SAW filters). Nous avons étudié trois types de polymères (BCB, SU8 et TMMF) pour réaliser le scellement et protéger le filtre. Différents tests mécaniques, électriques et de fiabilité ont permis de valider cette solution. Nous avons réalisé un SiP comprenant un tuner et un filtre SAW dans un même boîtier pour de la télévision sur mobile
-System in Package
-SiP
-Intégration
-Composant hétérogène
-Filtre SAW
-Simulation par éléments finis
-Packaging
In the objective to extend the variety of the integrated components inside a System in Packahe (SiP), it is necessary to develop the integration of heterogeneous component. This study presents a flip-chip solution with an adhesive bonding. The use of such materials involves some problems of thermo-mechanical reliability. With virtual prototyping, it is possible to evaluate the strains and to understand the behaviour of the structure. These allow us to know the origin of the failure and to optimize its design before the fabrication. The feasability of the technique is demonstrated with a surface acoustic waves filter (SAW). We study three different types of polymer (BCB, SU-8 and TMMF) for the sealing and for the protection of the active area of the filter. Different tests : mechanical, electrical and reliability validate our solution. We have made a complete SiP composed by a silicon tuner and a SAW filter inside a single package for a television on mobile application
Source: http://www.theses.fr/2008PEST0214/document

Sujets

• System in package
• Intégration
• Packaging

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

UNIVERSITÉ PARIS-EST
ÉCOLE DOCTORALE
Thèse de doctorat
Electronique, Traitement du signal et des Images
Ecole doctorale : ICMS
VINCENT GEORGEL
ETUDE DE L'INFLUENCE DE L'ASSEMBLAGE SUR LE
COMPORTEMENT DES COMPOSANTS
ELECTROMECANIQUES INTEGRES DANS DES SYSTEMES
RADIOFREQUENCES
Thèse dirigée par Gaëlle LISSORGUES.
Soutenue le 13 Juin 2008.
Jury :
Claude PELLET Professeur des Universités IMSRapporteur
Souhil MEGHERBI Maître de conférences HDR Rapporteur
Gilles POUPON Ingénieur CEA LETI/DIHS Examinateur
Christian VAL PDG société 3DPlus Examinateur
OdilPe ICON Professeur univ Paris-Est Examinateur
Gaëlle LISSORGUES Professeur, ESIEE Directeur de thèse
Patrick POULICHET EC, ESIEE Co-Directeur
tel-00432057, version 1 - 13 Nov 2009tel-00432057, version 1 - 13 Nov 2009Remerciements
Le travail présenté dans ce mémoire a éteéffe ctué à Caen au sein de NXP
Semiconductors. Il a été réalisé en collaboration avec le laboratoire d’ Electronique,
Systèmes de Communication et Microsystèmes (ESYCOM) rataché à l’éc ole
d’ingénieur des sciences et technologies de l’information et de la comm unication
(ESIEE), au CNAM et à l’université Paris-EST à Noisy le Grand.
Je tiens tout d’abord à remercier Alain Rougier, responsable du group e System in
Package de NXP, Peter Biermans SiP Integral Project Manager pour m’avaoccuieri ll i
dans leur service et pour m’avoir ainsi permis de mener à bien ca t ravail de
recherche. Je souhaite également remercier Gaëlle Lissorgues et Patrick Po ulichet
pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire ESYCOM et pour avoir accepté de co-
diriger ma thèse. Merci à Tarik Bourouina pour avoir dirigé la premiè re année de ma
thèse.
Je suis sincèrement reconnaissant envers Souhil Megherbi et Claude Pellet p our leur
lecture attentive et critique de ce manuscrit et pour avoir accepté d’en être
rapporteurs.
Mes plus sincères remerciements à Fabrice Verjus, ingénieur développement à N XP,
pour m’avoir encadré au quotidien pendant toute cette thèse. Merci pour la qua lité de
son aide et pour son soutien.
Merci à Eric van Grunsven chef de projet à Philips ATppechlnioedlo gies et à so n
collègue Jan van Delft, ingénieur, sans qui une grande partie de ce trav ail n’aurait
été possible. Je remercie aussi Stéphane Chamaly, ingénieur à EPCOS, q ui nous
fournit les filtre SAW et qui m’a donné de précieux conseils et mesurer l es filtres
assemblés.
Je tiens à remercier toute les personnes de NXP et du Lamips pour les d ifférents
tests de fiabilité qui ont été mis en place pour mon assemblage.
Ainsi que toutse les pesonnes qui sont passés dans l’open space déd ié aux
doctorants, stagiaires à :C aVenincent K, Guillaume B, Ziad N, Aurelien F, Ju lien R,
Olivier M, Arnaud T, Arnaud C. Et aussi Vincent F (dit laton), Jerem y B et tous ceux
que j’ai oubliés.
tel-00432057, version 1 - 13 Nov 2009tel-00432057, version 1 - 13 Nov 2009Introduction générale
tel-00432057, version 1 - 13 Nov 2009Introduction générale
tel-00432057, version 1 - 13 Nov 2009Introduction générale
L'industrie de la microélectronique augmente sans cesse la densité d'inté gration de
transistors par puce, dans le but d'améliorer les performances des circu its intégrés.
La loi de Moore énoncée dès 1965 par Gordon Moore, ingénieur de F airchild
Semiconductor (co-fondateur d’Intel), indiquait que la densité d'in tégration sur
silicium doublerait tous les 18 mois, ce qui implique la réduction de taille des
transistors. A ce jour, cette prédiction s’est révélée exacte, avec pour con séquences
l’apparition sur le marché de systèmes électroniques de moins en moins coûteux et
de plus en plus performants. Cette évolution quasi-exponentielle est le fruit de
progrès fulgurants de la recherche en microélectronique tant aux niveau x des
procédés, des techniques de conception que des architectures. Cependant des
limites technologiques semblent se profiler à l'horizon comme la finesse de la
gravure, l'interconnexion, la densité de composants… Une des solutions pour passer
outre ces difficultés liées aux étapes de fabrication amont ou "Front-En d" est de
développer l'aspect intégratiDoenux. technologies, principalement, sont en
concurrence dans ce domaine:
• Le "System in Package" ou "SiP"
• Le "System On Chip" ou "SOC"
Chacune de ces solutions amène son lot d’avantages et d’inconvénients. A insi il
n’existe pas de solution idéale mais plutôt deux possibilités offertes au concepteur
face au cas particulier auquel il est confronté. Eno uetf feit ndt ustriel qui veut in tégrer
un système électronique dans un seul boîtier doit choisir entre le SiP, fl exible mais
plus cher, et le SOC, plus complexe à concevoir et plus compétitif... à con dition de
fabriquer quelques millions d’unités.
Il semble cependant possible d'allier ces deux technologies dans un même boîtier
pour les combiner et ainsi tirer avantage des deux approches.
Malgré tout, à notre connaissance il n'est pas possible d'intégrer la totalité des
composants dans un procédé de fabrication standard. Pour remédier à cela de
nouvelles technologies d'intégration doivent être mises en place. Nou s avons
développé une technologie permettant l'intégration d'un composant hétéro gène
nécessitant une cavité pour son fonctionnement sur un substrat en silicium. Co mme
véhicule de test nous avons choisi un filtre à ondes de surface ou " filtre SAW ". Ce
type de composants a pris une importance considérable dans le doma ine des
communications mobiles. Mais une des difficultés rencontrées reste leur int égration
au sein d'un système ainsi que leur mise en boîtier. Car le fonctionnement de ce type
de composant est basé sur la propagation des ondes dans un ma tériau
piézoélectrique.
Leur fonctionnement est très proche de celui des microsystèmes électromécaniqu es
ou "MEMS", c'est pour cela que nous l'avons choisi comme véhicule de test. En effet
l’intégration de ces filtres pourra être généralisée part la suite à d’au tres composants
de type "MEMS" et ainsi couvrir une plus grande variété de composants.
Dans ce mémoire nous nous sommes intéressés à deux thèmes principaux:
• Aspect intégration dans un "System in Package" qui traitera des d ifférentes
techniques d'intégration et du développement d'un nouvel assemblage à base
de polymère qui permettra d'intégrer les filtres à ondes de surf ace sur un
substrat silicium.
• Aspect filtre à ondes acoustiques de surface qui traitera de la géné ration et la
propagation des ondes de surface dans un substrat piézoélectrique.
tel-00432057, version 1 - 13 Nov 2009Introduction générale
Chacun de ces deux thèmes sera abordé dans les trois parties de ce m anuscrit.
Elles se découpent de la façon suivante:
Dans la première partie servant d'introduction et d'état de l'art nous int roduirons les
différentes techniques possibles liées à l'intégration de composants dan s un system
in package ainsi que les différentes étapes de fabrication de ce type de co mposants.
Puis nous nous intéresserons au fonctionnement et aux caractéristiques des fi ltres à
ondes de surface d'un point de vue assez général.
Dans la deuxième partie, nous développerons la conception et la modélisa tion de ce
type de filtre. Nous terminerons cette partie par les aspects technologiques que nous
avons mis en place pour intégrer le filtre à ondes de surfaces sur un substrat silicium.
Enfin la troisième partie présentera les résultats obtenus en ce qui concerne
l'intégration du filtre. Une étude complémentaire dédiée à la simulation par éléments
finis sera présentée. Elle nous permettra d'étudier le comportement thermo-
mécanique d'un assemblage hétérogène, d'évaluer l'impact des diff érents
composants sur la rigidité et la fiabilité du composant ainsi constitué.
Ce travail s'inscrit dans une collaboration entre l'ESIEE (Ecole d'i ngénieurs des
sciences et technologies de l'information et de la communication) à Noisy-le-G rand et
NXP Semiconductors (anciennement la division Semi-conducteurs de Phili ps