Prédiction de la fiabilité de composants élecroniques de type WL-CSP soumis à des sollicitations mécaniques, Reliability study of electronic wafer-level chip-scale packaged components subjected to mechanical loadings

Cédric Le Coq

Description

Sous la direction de Abdellah Tougui
Thèse soutenue le 07 juillet 2010: Tours
L’étude présentée s’inscrit dans le cadre général de l’amélioration de la fiabilité mécanique des composants électroniques. Les composants de type WL-CSP (Wafer-Level Chip-Scale Package : boîtier aux dimensions comparables à celles de la puce) sont couramment utilisés dans les appareils nomades (par exemple les téléphones) et assurent de nombreuses fonctions. La tenue dans le temps de ces appareils passe par l’allongement de la durée de vie de leurs éléments. Ce sujet est une problématique complexe car la structure des composants peut varier selon les technologies employées et nécessite des essais spécifiques, qui consomment beaucoup de temps et de ressources.Un modèle numérique est développé afin d’accélérer le développement des boîtiers de ces composants et d’optimiser les ressources disponibles. Des essais de fiabilité sont menés sur le test de chute et un banc d’essai de flexion est mis en place. Les résultats de ces essais permettent de valider la simulation numérique et de mettre au point un modèle de fatigue.D’autre part, une campagne de caractérisation des matériaux permet de déterminer les propriétés mécaniques de la structure étudiée. La caractérisation concerne notamment les couches minces pour lesquelles les propriétés mécaniques sont fortement dépendantes de leurs conditions de dépôts.Ces éléments sont incorporés dans un modèle numérique incluant un certain nombre d’hypothèses. Le modèle est confronté à l’expérience pour déterminer les constantes d’un modèle de fatigue. Ensuite, la simulation et le modèle de fatigue sont utilisés conjointement pour évaluer l’influence de paramètres géométriques et matériaux sur la fiabilité des composants de type WL-CSP.
-Composants de type WL-CSP (Wafer-level chip-scale package)
The work described in this report is related to the mechanical improvement of electronicdevices mechanical reliability. WL-CSP (Wafer-Level Chip-Scale Package) components are widely used in handheld devices and run many functions. The longevity increase of such adevice necessarily requires progresses in its components reliability. This subject is complexas the component structure can vary depending on the employed technologies. So, it requires time and ressources.A numerical model is developed to enhance the packages development as well as available resources. Reliability tests are performed on the drop-test bench and a bend-testbench is designed. These tests provide results to validate the numerical results and to establish a fatigue model.Aside from these tests, the component materials are characterized to determine the studied structure properties. It specifically concerns the thin layers for which mechanical properties strongly depends on the deposition process. All of this is incorporated in a numerical model which includes hypotheses. The model is compared with the experiments to determine fatigue model constants. Then, modeling and experiments are used together to evaluate material and geometrical parameters influence.
Source: http://www.theses.fr/2010TOUR4025/document

Informations

• Publié par: Thesee
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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

UNIVERSITÉ
FRANÇOIS RABELAIS
DE TOURS
École Doctorale SST
LABORATOIRE de MÉCANIQUE et RHÉOLOGIE
THÈSE présentée par :
Cédric LE COQ
soutenue le : 7 juillet 2010
pour obtenir le grade de : Docteur de l’université François - Rabelais
Discipline/ Spécialité : Génie Mécanique et Systèmes
PRÉDICTION DE LA FIABILITÉ DE COMPOSANTS
ÉLECTRONIQUES DE TYPE WL-CSP
SOUMIS A DES SOLLICITATIONS MÉCANIQUES
THÈSE dirigée par :
TOUGUI Abdellah Maître de Conférences HDR, Université de Tours
RAPPORTEURS :
FRÉMONT Hélène Maître de Conférences HDR, Université de Bordeaux
HÉNAFF Gilbert Professeur - ENSMA
JURY :
FRÉMONT Hélène Maître de Conférences HDR, Université de Bordeaux
HÉNAFF Gilbert Professeur - ENSMA
LETHIECQ Marc Professeur, Université de Tours
RANGANATHAN Narayanaswami Pro Université de Tours
STEMPIN Marie-Pascale Docteur R&D, entreprise CANOE
TOUGUI Abdellah Maître de Conférences HDR, Université de ToursRemerciements
Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une Convention Industrielle de Formation par
la REcherche (CIFRE) entre le département d’ingénierie des boîtiers de STMicroelectronics
et le Laboratoire de Mécanique et Rhéologie de l’Université François Rabelais à Tours.
En premier lieu je tiens à remercier les trois personnes qui ont assuré l’encadrement
des mes travaux de recherche pendant trois ans : Abdellah Tougui, Laurent Barreau et
Marie-Pascale Stempin. Chacun à sa manière et dans son domaine m’a apporté ce qui était
nécessaire au bon accomplissement de ces recherches.
Cette thèse s’est effectuée dans le cadre d’un contrat CIFRE. Je me dois donc de
remercier STMicroelectronics et le LMR pour leur soutient, tant managérial que matériel.
Hélène Frémont et Gilbert Hénaff m’ont fait l’honneur d’accepter de rapporter mon
manuscrit; Marc Lethiecq et Narayanaswami Ranganathan d’être également membres du
jury.
Merci également aux responsables du CEROC et du CERMEL, René Leroy et Florian
Lacroix pour leur accueil au sein de ces Centres d’Etudes et de Recherche. Leurs conseils
et appuis m’ont beaucoup apporté. Merci à Damien Joly et Jean-Louis Poisson, thésards
dans les CER pour leur aide.
Du LMR et de STMicroelectronics, beaucoup de monde a participé au bon déroulement
de ma thèse. Je n’ose citer les personnes de peur d’en oublier, cependant mes remerciements
s’adressent également à toutes les personnes du service de Fiabilité, du LAT, de R&D, du
Laboratoire d’Applications, du service communication et bien sûr du PE&D qui m’ont
également apporté leurs contributions et leurs encouragements.
Enfin, je remercie ma famille et tous mes amis qui m’ont écouté et supporté en toutes
circonstances durant ces trois ans.
3REMERCIEMENTS
4R sum
L’étude présentée s’inscrit dans le cadre général de l’amélioration de la fiabilité mécanique
des composants électroniques. Les composants de type WL-CSP (Wafer-Level Chip-Scale
Package : boîtier aux dimensions comparables à celles de la puce) sont couramment uti-
lisés dans les appareils nomades (par exemple les téléphones) et assurent de nombreuses
fonctions. La tenue dans le temps de ces appareils passe par l’allongement de la durée de
vie de leurs éléments. Ce sujet est une problématique complexe car la structure des com-
posants peut varier selon les technologies employées et nécessite des essais spécifiques, qui
consomment beaucoup de temps et de ressources.
Un modèle numérique est développé afin d’accélérer le développement des boîtiers de
ces composants et d’optimiser les ressources disponibles. Des essais de fiabilité sont menés
sur le test de chute et un banc d’essai de flexion est mis en place. Les résultats de ces essais
permettent de valider la simulation numérique et de mettre au point un modèle de fatigue.
D’autre part, une campagne de caractérisation des matériaux permet de déterminer les
propriétés mécaniques de la structure étudiée. La caractérisation concerne notamment les
couches minces pour lesquelles les propriétés mécaniques sont fortement dépendantes de
leurs conditions de dépôts.
Ces éléments sont incorporés dans un modèle numérique incluant un certain nombre
d’hypothèses. Le modèle est confronté à l’expérience pour déterminer les constantes d’un
modèle de fatigue. Ensuite, la simulation et le modèle de fatigue sont utilisés conjointe-
ment pour évaluer l’influence de paramètres géométriques et matériaux sur la fiabilité des
composants de type WL-CSP.
Mots clés : Essais mécaniques; analyse mécanique dynamique; nanoindentation; fia-
bilité; modélisation; fatigue mécanique
5RÉSUMÉ
6Abstract
The work described in this report is related to the mechanical improvement of electronic
devices mechanical reliability. WL-CSP (Wafer-Level Chip-Scale Package) components are
widely used in handheld devices and run many functions. The longevity increase of such a
device necessarily requires progresses in its components reliability. This subject is complex
as the component structure can vary depending on the employed technologies. So, it requires
time and ressources.
A numerical model is developed to enhance the packages development as well as avai-
lable resources. Reliability tests are performed on the drop-test bench and a bend-test
bench is designed. These tests provide results to validate the numerical results and to
establish a fatigue model.
Aside from these tests, the component materials are characterized to determine the
studied structure properties. It specifically concerns the thin layers for which mechanical
properties strongly depends on the deposition process.
All of this is incorporated in a numerical model which includes hypotheses. The model is
compared with the experiments to determine fatigue model constants. Then, modeling and
experiments are used together to evaluate material and geometrical parameters influence.
Keywords : Mechanical tests; Dynamic Mechanical Analysis; nanoindentation; relia-
bility; modeling; mechanical fatigue
7ABSTRACT
8Table des matières
Introduction 23
I Présentation de la technologie et état de l’art 27
1 Mise en boîtier des composants 29
1.1 La mise en boîtier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.1.2 Le soudage par fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.1.3 Les boîtiers avec matrice de billes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.1.4 Description d’un WL-CSP et applications . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2 Etapes de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2.1 Etapes de diffusion : procédés de dépôts . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.2.2 Etapes de finition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.3 Assemblage sur circuit-imprimé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3 Etat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.3.1 Essais de chute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.3.2 Essais de flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.3.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.3.4 Alliages avec et sans plomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1.4 Résumé de la première partie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
II Essais mécaniques 75
2 Les essais mécaniques 77
2.1 Essais de chute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.1.1 Résultats des essais de chute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.1.2 Essai de relaxation des contraintes résiduelles . . . . . . . . . . . . . 80
2.2 Essai de flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9TABLE DES MATIÈRES
2.2.1 Conception du banc de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.2.2 Essais de flexion : présentation des résultats . . . . . . . . . . . . . . 95
2.3 Statistiques et fiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.1 Introduction à la fiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.2 Lien entre loi statistique et modèle de dégradation . . . . . . . . . . 105
2.4 Etude sur la fatigue mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.4.2 Comportement cyclique, fatigue oligocyclique . . . .