Qualification accélérée des composants SiP, Fast Reliability Qualification of SiP products

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Sous la direction de Helene Fremont
Thèse soutenue le 04 novembre 2010: Bordeaux 1
NXP Semiconductor à Caen ayant des compétences dans le développement destechnologies System in Package (SiP) et NXP Semiconductor à Eindhoven ayant unespécialité en qualification virtuelle, deux partenariats ont été mis en place pour réaliser uneétude sur la qualification accélérée des composants SiP. Une thèse orientée simulations a étéréalisée à l'université de Delft (Pays-Bas) par Xiaosong Ma et dirigée par Kaspar Jansen, enparallèle une thèse plus expérimentale a été réalisée avec l'université de Bordeaux 1 parCharles Regard, à Caen, et dirigée par Hélène Frémont. Ces deux thèses ont été effectuées enproche collaboration. Dans un premier temps, des véhicules de test ont été définisconjointement. Puis un ensemble de caractérisations des matériaux et de simulations a étémené à Delft, alors que des essais expérimentaux de qualification et des analyses dedéfaillance étaient menés à Caen. Tout au long de ces deux thèses, des échanges constants ontété entretenus afin de corréler les simulations par les expérimentations. Ce besoin industrield'étude sur la qualification des composants SiP vient de la très forte augmentation del'intégration des fonctions au sein des équipements mobiles. En effet la technologie SiPpermet de répondre dans des délais intéressants aux nécessités de miniaturisation imposéespar ces nouveaux développements.L'objectif de ce travail de thèse est donc de mettre en place des méthodes et destechniques pour optimiser la qualification des composants System in Package (SiP).
-Sip
NXP Semiconductor at Caen, which has System in Package (SiP) technologiesdevelopment competences and NXP Semiconductor at Eindhoven, which has virtualqualification specialization jointed to study fast reliability qualification of SiP products. Athesis focused on simulations started at TU Delft University (Netherlands) with Xiaosong Madirected by Kaspar Jansen and another thesis focused on experimentation started atBordeaux 1 University with Charles Regard directed by Hélène Frémont. These thesis werelead on close collaboration. In a first time, the tests vehicles were defined by both the PhDstudents. Then materials characterizations and simulations were performed at TU Delft, andexperimental qualification tests and physical analyses were performed in Caen. A long ofthese thesis, constant exchanges allowed to correlate simulations by experimentation. Thisindustrial need of SiP product qualification study is due to the strong increase of functionsintegration into mobile equipments. Thus the SiP technology allows to provide in relativeshort time miniaturized products imposed by the new developments.This thesis work's goal is to get methods and techniques to optimize System inPackage (SiP) reliability qualification.
-Sip
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14097/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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Thèse
PRÉSENTÉE À
N° d’ordre : N*4097 L’université de Bordeaux I
ÉCOLE DOCORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR
Par Charles Regard
Pour obtenir le grade de
Docteur
Spécialité : Électronique
Qualification accélérée des composants SiP
Thèse dirigée par Hélène FRÉMONT
Soutenue le : 4 novembre 2010
Devant la commission d’examen composée de :
Maître de Conférences HDR Université de Bordeaux 1 Directrice de thèseHélène FRÉMONT
Christian GAUTIER Ingénieur Presto Engineering Examinateur
Jean-Pierre LANDESMAN Professeur Université de Nantes Rapporteur
Mauro CIAPPA Chercheur Université de Zurich Rapporteur
Université de Bordeaux 1Geneviève DUCHAMP Professeur Examinateur
Université de Bordeaux 1Éric WOIRGARD Professeur Président du jury
Université de TU DelftKaspar M.B. JANSEN Professeur associé Examinateur
Les Sciences et les Technologies au service de l'Homme et de l'environnementRésumé
NXP Semiconductor à Caen ayant des compétences dans le développement des
technologies System in Package (SiP) et NXP Semiconductor à Eindhoven ayant une
spécialité en qualification virtuelle, deux partenariats ont été mis en place pour réaliser une
étude sur la qualification accélérée des composants SiP. Une thèse orientée simulations a été
réalisée à l'université de Delft (Pays-Bas) par Xiaosong Ma et dirigée par Kaspar Jansen, en
parallèle une thèse plus expérimentale a été réalisée avec l'université de Bordeaux 1 par
Charles Regard, à Caen, et dirigée par Hélène Frémont. Ces deux thèses ont été effectuées en
proche collaboration. Dans un premier temps, des véhicules de test ont été définis
conjointement. Puis un ensemble de caractérisations des matériaux et de simulations a été
mené à Delft, alors que des essais expérimentaux de qualification et des analyses de
défaillance étaient menés à Caen. Tout au long de ces deux thèses, des échanges constants ont
été entretenus afin de corréler les simulations par les expérimentations. Ce besoin industriel
d'étude sur la qualification des composants SiP vient de la très forte augmentation de
l'intégration des fonctions au sein des équipements mobiles. En effet la technologie SiP
permet de répondre dans des délais intéressants aux nécessités de miniaturisation imposées
par ces nouveaux développements.
L'objectif de ce travail de thèse est donc de mettre en place des méthodes et des
techniques pour optimiser la qualification des composants System in Package (SiP).
Une étude générale des essais accélérés, des techniques d’analyse de défaillance, des
définitions de base de la fiabilité et des principaux mécanismes de défaillance des
assemblages a été réalisée. Les différentes technologies SiP et une description des véhicules
de test ont ensuite été présentées. Une étude bibliographique sur la classification des
principaux mécanismes de défaillance et sur les méthodes d’analyse pour la localisation et
l’observation des défauts a été détaillée. Le composant WLSiP de test dédié à l'étude de la
fatigue des joints brasés est utilisé en vue de la définition de l’ensemble des paramètres idéaux
autant en termes de matériaux que de schéma. Une recherche bibliographique ayant pour
objectif l’identification de la matrice d’expérimentation et du plan d’expérience a été décrite.
iPuis, le véhicule de test a été soumis à un ensemble d’essais virtuels par simulation
numérique. Enfin un plan d’expérimentation basé sur des normes internationales suivi
d’analyses de défaillance a permis de vérifier qu’une telle procédure de qualification permet
de réduire fortement le temps nécessaire à la qualification d'une nouvelle technologie. Un
outil de simulation permettant de prévoir la localisation de l'apparition de la délamination
pour l’ensemble des technologies SiP a été proposé et validé par des études expérimentales
sur la reprise de poids globale des composants en stockage humide et en cours de cycles
thermiques. Après avoir introduit, pour les principaux polymères d’enrobage, les mécanismes
de l’absorption, de la diffusion de l’humidité et l'impact de l'humidité sur leurs propriétés
intrinsèques, une méthode a été identifiée pour prédire les zones critiques dans un SiP. À la
suite des résultats expérimentaux, il a été confirmé que si les matériaux époxydes sont
exposés à des températures qui excèdent la température de transition vitreuse, des
modifications de la structure interne peuvent être engendrées agissant sur les mécanismes
d’absorption. La comparaison de différentes conditions d’exposition a permis de montrer que
la condition 85°C/85%RH est la plus efficace en ce qui concerne l'absorption d'humidité au
niveau de la zone de délamination critique. Finalement des techniques de suivi in situ de
l’intégrité des interfaces ont été proposées. Pour ce qui concerne le suivi de la fatigue des
joints brasés, une méthode a été proposée pour mesurer in situ l’augmentation de la résistance
série des diodes de protection ESD à la suite de la dégradation des billes. Il a, cependant, été
montré, par simulation numérique, que la technique proposée n’est pas en mesure de détecter
des fissurations partielles dans les billes. En ce qui concerne la délamination aux interfaces
non conductrices, une technique basée sur l’analyse de la réponse thermique transitoire des
diodes de protection ESD est proposée et appuyée par simulation numérique. Cependant,
aucune corrélation évidente avec les données expérimentales n’a pu être montrée.

iiThesis
PRESENTED AT
University of Bordeaux I
ÉCOLE DOCORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR
By Charles Regard
To get the grade of
Doctor
Spéciality : Electronics
Fast Reliability Qualification of SiP products
Thesis directed by Hélène FRÉMONT
thDefended the : 4 of november 2010
vAbstract
NXP Semiconductor at Caen, which has System in Package (SiP) technologies
development competences and NXP Semiconductor at Eindhoven, which has virtual
qualification specialization jointed to study fast reliability qualification of SiP products. A
thesis focused on simulations started at TU Delft University (Netherlands) with Xiaosong Ma
directed by Kaspar Jansen and another thesis focused on experimentation started at
Bordeaux 1 University with Charles Regard directed by Hélène Frémont. These thesis were
lead on close collaboration. In a first time, the tests vehicles were defined by both the PhD
students. Then materials characterizations and simulations were performed at TU Delft, and
experimental qualification tests and physical analyses were performed in Caen. A long of
these thesis, constant exchanges allowed to correlate simulations by experimentation. This
industrial need of SiP product qualification study is due to the strong increase of functions
integration into mobile equipments. Thus the SiP technology allows to provide in relative
short time miniaturized products imposed by the new developments.
This thesis work's goal is to get methods and techniques to optimize System in
Package (SiP) reliability qualification.
A general study of accelerated tests, failure analyses techniques, basic reliability
definitions and major package failure mechanisms is presented. SiP technologies and test
vehicles are described. A bibliographical study on classification of major failure mechanisms
and analyses methods of failure localization and observation are also detailed. WLSiP
component, dedicated to solder fatigue study, is used to define optimized material and design
parameters. A bibliographical search to identify the experimental matrix and the design of
experiment is described. Then a combination of virtual tests by numerical simulations is
performed on the test vehicle. Finally a design of experiments based of international norms
followed of failure analyses allowed to verify that such a qualification procedure leads to
strongly reduce the time to qualify a new technology. A simulation tool to anticipate the
localization of the delamination for the whole combination of SiP is proposed and validated
by experimental studies on the global weight change during moisture and thermal cycling.
viiAfter introducing the absorption and diffusion mechanisms of major packaging resins and the
impact of moisture on intrinsic properties, a predictive method is identified to localize critical
zone in a SiP. After experimental results, it is confirmed that epoxy materials exposed to high
temperature, above the glass temperature, can experiment some internal structure
modifications modifying absorption mechanisms. Comparison between different exposition
conditions allowed to demonstrate that the 85°C/85%RH condition is the most efficient about
moisture absorption amount at the critical delamination location. Finally techniques for in situ
control of surface integrity are proposed. About the control of the solder joints fatigue a
method is proposed to measure the serial ESD diode resistance increase during solder
degradation. By numerical simulation, is established that the technique proposed can not
detect partial cracks into the joints. About the interfacial delaminations, a technique based on
the transient thermal response of ESD diodes is proposed and reinforced by numerical
simulations. Nevertheless, no obvious correlations with experimental data can be established.
viii

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