Essais préliminaires sur les étapes de conditionnement jusqu’à assemblage

Introduction

Les différentes parties constituant les assemblages avec les caractérisations associées viennent d’être décrites dans la partie précédente. Afin de réaliser les nombreux assemblages nécessaires à l’étude, plusieurs étapes sont indispensables et ont fait l’objet d’une mise au point préalable. Ces différentes étapes ont été des éléments essentiels à la préparation des assemblages.

L’objectif de ces différentes étapes est de valider le procédé d’assemblage des puces sur les substrats. Les deux méthodes de report envisagées sont la thermocompression et la refusion collective. Chacune des méthodes a ses propres caractéristiques comme vu dans la première partie du mémoire, page 36. La méthode par refusion collective a l’avantage de permettre d’assembler plusieurs puces en même temps en amenant l’ensemble à la température de fusion de la brasure. Il s’agit du procédé le plus largement utilisé aujourd’hui. Cependant, la méthode par thermocompression a l’avantage de monter à une moindre température le substrat, ce qui, pour des raisons de contraintes thermomécaniques, est un avantage. Toutefois, cette seconde méthode ne permet d’assembler qu’une seule puce à la fois.

Du point de vue de la réalisation, l’assemblage par refusion collective nécessite une meilleure planéité du substrat alors que la thermocompression nécessite une précision de placement accrue. C’est donc pour ces différentes raisons que les deux méthodes sont testées afin de voir laquelle donne les meilleurs résultats.

Tests de fixation des puces faisant 50 µm d’épaisseur sur le film adhésif

La première interrogation concernait la manipulation des plaques de silicium ayant une épaisseur de 50 µm. Lors de cette étude, à différents moments, il est nécessaire de placer les plaques de silicium sur un adhésif pour les découper en nappes ou en puces unitaires. C’est de cette étape dont il est question dans ce premier essai.

Les puces de 50 µm ne sont pas une configuration standard au sein du LETI. Il a donc fallu s’assurer que les plaques de silicium ne se cassent pas lors des différentes manipulations. Le premier test consiste à l’application puis à l’enlèvement de l’adhésif sur les plaques de silicium amincies. Afin de réaliser cette étape, l’outil présent sur la photo en Figure 76 a permis de faire le vide afin de maintenir la plaque de silicium pour enlever l’adhésif. Cette étape s’est déroulée avec succès.

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Figure 75 : Plaque de silicium sur l’adhésif.

Figure 76 : Outil permettant de placer/enlever l’adhésif.

Tests de découpe des substrats et silicium

Dans un premier temps, il a fallu découper les plaques de silicium par nappes. Ces nappes correspondent aux différentes tailles de puces. Les programmes de découpe ont été validés par l’équipe de découpe du LETI et des tests ont été effectués afin de vérifier la qualité de celles-ci. Le choix a été fait d’utiliser une lame de 40 µm de large. Cette découpe a été réalisée et les plaques ont été stockées dans des boîtes appelées canisters comme sur l’image ci-dessous.

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Figure 77 : Canister de rangement des plaques de silicium.

Par la suite, chaque nappe de silicium a été replacée sur un adhésif pour effectuer la découpe unitaire des puces. Une fois découpées, elles sont laissées sur l’adhésif afin d’être reportées sur les substrats pendant l’étape de l’assemblage.

D’autre part, la découpe des différentes panoplies de substrats organiques a été réalisée pour que chaque substrat soit individualisé. Cela a permis de les ranger par configuration et donc, a posteriori, d’assembler par série de substrats ayant la même configuration.

Tests de support des substrats

Une fois les puces en silicium obtenues de manière unitaire ainsi que les substrats, il a fallu mettre au point la technique pour réaliser les assemblages. La première étape était la mise en œuvre d’un support collectif des substrats. Le choix a été fait, afin de gagner en temps, d’assembler les substrats par lots de 25 de configuration identique. Habituellement, la machine DATACON est utilisée pour faire le placement de puces sur des plaques de silicium. Le LETI ne disposant pas de support pour substrats organiques, le développement d’une méthode originale a été testé consistant à utiliser un film adhésif tendu sur un cadre comme support des substrats. Un des points clefs pour cette méthode est que le film doit résister à la température de refusion (260 °C environ). Pour cela, un adhésif haute température en kapton (polyimide) a été placé sur un cadre en inox de 200 mm. Dans un premier temps, une matrice de puces en silicium (faisant office de substrat) a été placée avec succès sur l’adhésif comme représenté ci-dessous :

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Une fois les puces déposées, l’ensemble a été placé dans un four à passage pour simuler le procédé de refusion à 255 °C et vérifier la bonne tenue en température de l’adhésif. En effet, si l’adhésif venait à se détendre cela pourrait poser des problèmes pour la mise en œuvre de l’underfill. Après passage au four, la position des puces a été vérifiée pour s’assurer qu’elles n’avaient pas bougé et que l’adhésif restait bien tendu.

Tests par soudure collective

Cette méthode, comme expliquée précédemment, se compose de deux grandes étapes. La première est le positionnement de la puce sur le substrat d’accueil. Celui-ci est fait à l’aide des deux croix permettant l’alignement sur le substrat.

Figure 79 : Croix d'alignement utilisées pour le placement des puces silicium sur le substrat.

De plus, une reconnaissance des piliers de cuivre permet un centrage de la puce. La valeur de la précision donnée par le fabriquant lors du placement est de 7 µm. La deuxième étape de l’assemblage consiste en l’introduction des substrats dans un four à passage permettant d’effectuer la refusion de l’alliage. A noter que dans cette méthode, le flux permet non seulement de favoriser le brasage en éliminant les couches oxydées mais également de maintenir en contact les deux parties de l’assemblage entre le report et la refusion. Il faut cependant enchaîner les deux étapes rapidement et faire attention lors du transport à ce qu’ils ne bougent pas.