Conception d’un circuit pour la lecture de capteurs de température et d’humidité à base de nanotube de carbone intégré au sein d’assemblages microélectroniques

Ma thèse s’inscrit dans une chaire de recherche CRSNG/IBM dans lequel le groupe de recherche travail sur l’encapsulation innovante de puces microélectroniques en partenariat avec IBM et Université de Sherbrooke. Elle repose sur la mise en place et la lecture de capteurs permettant l’analyse de la température et de l’humidité au sein d’assemblage de puces retournées sur laminé organique à des fins d’études des procédés d’assemblage, mais aussi de fiabilité par le suivi des facteurs de défaillance. Mon projet consiste, dans un premier temps, en la réalisation d’un système de lecture permettant de suivre la température et l’humidité en temps réel sur une puce d’un module microélectronique par l’utilisation de 108 capteurs à base de CNT in situ développés par le groupe de recherche sur les assemblages. Dans un second temps, il a pour objectifs la caractérisation des différents modules de capteurs ainsi que l’étude de la propagation de l’humidité au sein de ces modules dans différents environnements réalisés par des chambres environnementales. Durant mon projet, j’ai réalisé un système de lecture pouvant extraire les mesurandes de 108 capteurs, avec une précision jusqu’à 0,3 °C et 0,2 %RH. Ceci a permis de suivre localement la répartition d’humidité en temps réel et d’en estimer la vitesse de propagation de 85 à 95 µm/h au sein de matériaux de remplissage ainsi que le temps d’absorption en stockage dans un environnement humide à 1200 h et l’efficacité du procédé de désorption du module pour se rapprocher d’un état sec à 250 h.Abstract: My thesis is part of the NSERC/IBM Industrial Research Chair in Smarter Microelectronics Packaging for Performance Scaling in partnership the Universite de Sherbrooke. The objective of the research project is the integrations and readout of sensors embedded in a microelectronic flip-chip package for temperature and humidity monitoring for the assembly processes study and package reliability. In which, my thesis will be focused on the readout system for the sensors and their uses to monitor the humidity in a flip-chip package. My project consists, in a first step, in the realisation of a readout circuit for real time monitoring of temperature and humidity in an assembled microelectronic chip using 108 sensors based on CNT. In a second step, the objective was to characterise the humidity propagation within these modules in different environments using control environmental chambers. During my project, I realised a readout system able to extract measurands from 108 sensors, with a measurement precision up to 0.3 °C and 0.2 %RH. This allowed to monitor locally the humidity distribution in real time and to estimate the humidity propagation speed at 85 to 95 μm/h as well as the absorption time in storage in a humid environment at 1200 h and the efficiency of the desorption process of the module to reach a complete dry state at 250 h

Conception d’un circuit pour la lecture de capteurs de température et d’humidité à base de nanotube de carbone intégré au sein d’assemblages microélectroniques

Ma thèse s’inscrit dans une chaire de recherche CRSNG/IBM dans lequel le groupe de recherche travail sur l’encapsulation innovante de puces microélectroniques en partenariat avec IBM et Université de Sherbrooke. Elle repose sur la mise en place et la lecture de capteurs permettant l’analyse de la température et de l’humidité au sein d’assemblage de puces retournées sur laminé organique à des fins d’études des procédés d’assemblage, mais aussi de fiabilité par le suivi des facteurs de défaillance. Mon projet consiste, dans un premier temps, en la réalisation d’un système de lecture permettant de suivre la température et l’humidité en temps réel sur une puce d’un module microélectronique par l’utilisation de 108 capteurs à base de CNT in situ développés par le groupe de recherche sur les assemblages. Dans un second temps, il a pour objectifs la caractérisation des différents modules de capteurs ainsi que l’étude de la propagation de l’humidité au sein de ces modules dans différents environnements réalisés par des chambres environnementales. Durant mon projet, j’ai réalisé un système de lecture pouvant extraire les mesurandes de 108 capteurs, avec une précision jusqu’à 0,3 °C et 0,2 %RH. Ceci a permis de suivre localement la répartition d’humidité en temps réel et d’en estimer la vitesse de propagation de 85 à 95 µm/h au sein de matériaux de remplissage ainsi que le temps d’absorption en stockage dans un environnement humide à 1200 h et l’efficacité du procédé de désorption du module pour se rapprocher d’un état sec à 250 h.My thesis is part of the NSERC/IBM Industrial Research Chair in Smarter Microelectronics Packaging for Performance Scaling in partnership the Universite de Sherbrooke. The objective of the research project is the integrations and readout of sensors embedded in a microelectronic flip-chip package for temperature and humidity monitoring for the assembly processes study and package reliability. In which, my thesis will be focused on the readout system for the sensors and their uses to monitor the humidity in a flip-chip package. My project consists, in a first step, in the realisation of a readout circuit for real time monitoring of temperature and humidity in an assembled microelectronic chip using 108 sensors based on CNT. In a second step, the objective was to characterise the humidity propagation within these modules in different environments using control environmental chambers. During my project, I realised a readout system able to extract measurands from 108 sensors, with a measurement precision up to 0.3 °C and 0.2 %RH. This allowed to monitor locally the humidity distribution in real time and to estimate the humidity propagation speed at 85 to 95 μm/h as well as the absorption time in storage in a humid environment at 1200 h and the efficiency of the desorption process of the module to reach a complete dry state at 250 h

Moisture Diffusion Inside the BEOL of an FC-PBGA Package

International audienceMoisture diffusion into the back end of line (BEOL) can be critical for the reliability of electronic devices. With the objective of studying moisture diffusion into critical areas, such as the silicon-organic substrate interfaces of a flip chip plastic ball grid array (FC-PBGA), a multitude of impedance sensors sensitive to moisture are integrated inside the BEOL of a 17 mm × 17 mm silicon die. The sensors are read by a dedicated custom circuit which allows an accurate characterization of the moisture with in situ spatial measurements. This article presents the results obtained by the experimental acquisition system on the FC-PBGA module under a high relative humidity level of up to 75%. This study shows the moisture behavior of the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) sensors inside the BEOL during absorption and desorption. The behavior initially follows Fick’s law, with a constant increase in the relative humidity. For long-term tests of more than 400 h, an asymptotic behavior is observed; when the concentration of a sensor reaches a value close to saturation, two dimensions finite-difference methods (2D FDM) is used to estimate the saturation value. Thanks to the large number of sensors distributed on the BEOL, we first detect, during an absorption test, an increase in the relative humidity. This increase is due, first of all, to a lateral moisture front with a constant velocity of about 90 μm/h moving through the underfill. Then, after 30 h of storage, a more complex diffusion through the organic substrate occurs, affecting the BEOL

Readout Circuit Implemented on PCB-Level for Embedded CNT Sensors

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Smart Packaging - Microscopic Temperature and Moisture Sensors Embedded in a Flip-Chip Package

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