Développement de procédés avancés d'encapsulation de composants microélectroniques basés sur les techniques de thermocompression

L'un des grands défis de la recherche et développement est d'optimiser l'ensemble du cycle de fabrication d'un produit microélectronique, depuis sa conception jusqu’à sa tenue mécanique en service. Un objectif essentiel des entreprises était de réduire le temps de cycles d’assemblage afin de minimiser les coûts de production. La phase d’assemblage des composants microélectroniques est l'une des étapes clé qui doit être bien optimisée afin d’atteindre l’objectif de minimisation du temps de cycle. La méthode d'assemblage traditionnelle des puces par refusion (en anglais mass reflow MR) convenait généralement à une fabrication à grand volume, en particulier pour des puces à pas standard d'environ 150 μm. Cependant, la forte demande du marché pour des interconnexions à pas plus fin, pour permettre un nombre d'entrée/sortie (Input/Output : I/O) plus élevé dans un facteur de forme plus petit, a entraîné une transition du processus de la liaison MR conventionnel à l'assemblage par thermocompression (en anglais ThermoCompression Bonding TCB). Bien que le procédé TCB offre un assemblage de plus grande précision et permet l'utilisation des pas d'interconnexion plus fins, il présente également de nouveaux défis. L'un des problèmes majeurs de l'assemblage TCB est qu'il s'agit d'un processus assez long, dans lequel chaque puce doit être passée indépendamment à travers un cycle TCB complet, incluant le chauffage, le maintien de la température et le refroidissement. Cela entraîne une diminution significative de la productivité par rapport au MR. Le débit de production peut être amélioré en réduisant le temps nécessaire pour atteindre les températures de processus requises. Cependant, des variations thermiques peuvent se produire aux interfaces de liaison, entraînant une mauvaise uniformité de température sur la surface de la puce et conduisant à des régions où le point de fusion de la brasure n'est pas atteint. Ainsi, il est extrêmement important de prévoir et contrôler la température réelle à l'interface de liaison afin d’obtenir une bonne uniformité thermique et des joints de brasure sans défaut. C'est dans cette perspective que s'inscrit les travaux menés dans la première partie de la thèse. Le premier objectif de cette étude était donc de déterminer la durée minimum de temps de chauffe nécessaire assurant une uniformité de température optimal et par conséquent des joints de brasure de bonne qualité. Pour atteindre cet objectif, il fallait alors proposer et valider une nouvelle méthodologie pour estimer la température d'interface lors d'un processus TCB. Une évaluation de l'influence de différentes vitesses de chauffe sur la distribution de température à travers la surface de la puce, ainsi que sur la qualité de liaison résultante, a été réalisée à l’aide d’un capteur de type RTD (). Les résultats ont montré que les défauts de brasure observés aux interfaces de liaison peuvent éventuellement être liés à une mauvaise uniformité de température, liée à des vitesses de chauffe élevées. Des variations thermiques acceptables ont été trouvées à une faible vitesse de chauffage de 80°C/s. Par conséquent, pour surmonter les températures de processus élevées et leurs effets néfastes sur la productivité, le développement d'une nouvelle méthode d’assemblage TCB à basse température devient primordiale. Le développement d’une nouvelle méthode de liaison par thermocompression à l'état solide détecteur de température résistif, Resistance Temperature Detector en anglais était donc notre second objectif dans cette étude. Cette méthode est basée sur la création d'une liaison mécanique temporaire initiale au début du processus de packaging (en utilisant une pression à une température inférieure au point de fusion de la brasure). Les joints de iv brasure seront entièrement refondus à la fin du processus de packaging, lorsque les billes de brasure BGA (ball-grid-array) seront brasées au substrat. Cette nouvelle méthode peut surmonter les limitations associées au processus TCB conventionnel, notamment la température élevée, le processus d'assemblage lent et les contraintes mécaniques élevées. Une investigation a été menée pour déterminer les conditions d'assemblage appropriées à appliquer pendant ce processus. Des investigations supplémentaires ont été également menées pour explorer le mécanisme d'assemblage responsable de l’assemblage mécanique temporaire. Les résultats préliminaires de cette méthode sont prometteurs, montrant des joints de brasure de bonne qualité formés en un temps d'assemblage très court (6 secondes) et à des températures bien inférieures au TCB conventionnel (200°C)

Experimental and Numerical Thermal Analysis for Advanced Flip Chip Thermo-Compression Bonding via CMOS Microsensor Arrays and Finite Element Modelling

Thermo-compression bonding (TCB) relies on uniform thermal distribution during microelectronic packaging processes to ensure reliable interconnects are formed. During any TCB processes, the thermal application must uniformly distribute heat in order to produce robust, thoroughly bonded packages without being damaged due to thermo-mechanical effects. To better control and develop TCB processes, further insight through thermal analysis is required. Due to the form factors and complexity involved in TCB, it is difficult to accurately extract viable information such as temperature variation, lateral and vertical gradients, or interfacial bonding temperatures. To extract real time in-situ temperature and force signals, a microsensor array was used to observe any thermo-mechanical features recorded during emulated TCB processes. Algorithms were developed to post-process the signals and produce quantifiable data. Finite element models were developed to verify the experimental thermal responses and subsequently post-analyze the numerical results. Models formed through hybridized contact resistance layers as well as surface contact models are also discussed. Several features were identified and quantified: maximum heating rates, location of maximum lateral thermal gradients, internal joint thermal distributions, knee-region slope analysis and joint to joint thermal variation. The experimental responses in combination with numerical analyses show evidence that thermal applications during TCB is robust. Low thermal variation was found with respect to joint to joint temperatures. Chip design was found to heavily influence cooling on the periphery edges of the bump array. The sensor chip temperatures were to found to be about ≈ 6 °C lower than the extracted bump temperatures, signifying the use of microsensor arrays could be developed as accurate tools for thermal process control during TCB