Etude bibliographique

2.1) Brasage en microélectroniqu Le brasage est une technique clé p d’un alliage métallique ou d’un métal d'années, cette technique est principalem à savoir les films minces de cuivre su rencontré dans la technologie de brasag toutes les techniques d'assemblage. Le d'étain souvent utilisés sous la forme d' la technologie d'assemblage est inférieu La réaction de brasage classique q mouillage réactif du substrat de cuivre solide/brasure liquide [Tu_2007]. L’op refroidissement, au cours duquel la tem degrés et le temps de passage à l’état liq

Figure 1. Profil températures La tendance permanente à la minia problèmes les plus essentiels. La dimin à la tendance suivante [Tu_2013]: (i) la de diamètre d’environ 100 um; (ii) le p um; (iii) la prévision est que le diamètre

(a)

Figure 2. a) Ball Grid Array (BGA méthode flip chip (puce retournée) d’a solder bumps sur un substrat avec de refusion (reflow) (d).

2.2) Le système Cu-Sn dans la tec Il y a deux intermétalliques (IMC forment des couches continues à l’interf

ique

é pour réaliser l’assemblage des parties métalliques tal d'apport placé entre les pièces à assembler. C lement utilisée dans l'industrie microélectronique p sur les circuits imprimés, fils de cuivre, etc. Le

sage en électronique et les brasures à base de Sn Les brasures (alliages de brasure) sont essentiell

d'une bille de brasure. La taille des billes de brasu ieure à 100 µm et diminue avec la tendance de minia e qui se développe au cours du processus de reflo re et la croissance de composés intermétalliques ( ’opération de reflow (voir Figure 1) comprend un température dépasse celle de fusion de la brasure liquide est de quelques minutes (typiquement 2-3 m

res-temps d’une refusion ( reflow) typique [Bert niaturisation conduit à de nouveaux défis et les pro inution significative de la dimension de brasure (ou ) la technologie flip-chip moderne (voir Figure 2) u e passage aux circuits 3D (trois dimmensionnels) i

tre du joint brasé peut être réduit à 1 um.

GA) de billes de brasure sur une surface de la puce d’assemblage de puces [Tung_2014] pour assembl des piliers de cuivre (b) avec un alignement ″pic

technologie de brasage

C) communs dans la brasure, Cu6Sn5 et Cu3Sn, q terface Cu/brasure base Sn. Le taux de germination

(b)

(c)

4

ues séparées avec l’utilisation r. Connu depuis des milliers e pour l’assemblage de UBM, e système Cu-Sn est le plus n sont utilisées dans presque iellement des alliages à base asure modernes utilisées dans iniaturisation.

eflow (refusion) comprend le s (IMC) à l'interface substrat un cycle de chauffage et de ure par quelques dizaines de 3 minutes).

ertheau_2014].

problèmes de fiabilité sont les (ou du joint de brasure) obéit ) utilise des billes de brasure ) intégrés réduit la taille à 20

uce [Tu_2007. Schéma de la mbler la puce contenant des pick and place tool″ (c) et

, qui croissent rapidement et on des IMC, la séquence et le

lieu de germination sont des sujets de grand intérêt scientifique. Les températures de fonctionnement des dispositifs microélectroniques étant significativement inférieures à celle de fusion de la brasure, la croissance rapide des IMC au cours du reflow (refusion) joue un rôle essentiel dans l'établissement de l’adhésion entre le substrat et la brasure.

2.3) Mouillage de Cu et des intermétalliques Cu₆Sn₅ et Cu₃Sn par les alliages liquides base Sn

La mouillabilité des solides utilisés à l'industrie micro-électronique est d'un intérêt essentiel car elle affecte fortement la géométrie et la fiabilité mécanique du joint de brasure ainsi que la réactivité initiale à l'interface entre le substrat d'origine et de brasure. En général, on distingue le mouillage non réactif et le mouillage réactif [Eustathopoulos_1999]. Dans le cas du brassage en électronique on rencontre très souvent le mouillage réactif car les brasures usuelles à base Sn sont très réactives avec Cu, ce qui signifie que le mouillage est suivi par la formation rapide de composés intermétalliques à l'interface [Tu_2007] (souvent les deux processus mouillage et réactivité se déroulent simultanément - c’est le mouillage réactif). Le processus de mouillage est régi par un ensemble de conditions, y compris l'état de surface, la viscosité de la brasure, l'atmosphère ambiante, la réactivité et l'oxydation de la surface du substrat et/ou de la brasure. Nous étudierons plus particulièrement le mouillage du Cu pur et des intermetalliques Cu6Sn5 et Cu3Sn par des alliages de brasures liquides (base Sn).

Toutes les études rapportées dans la littérature sur le mouillage des substrats métalliques par les alliages liquides à base Sn montrent que très peu d’expériences de mouillage sont effectuées avec la méthode de la goutte déposée. La plupart des expériences de mouillage dans ces systèmes sont effectuées en utilisant la méthode classique de la goutte posée où la fusion et l'homogénéisation de l'alliage métallique interfèrent avec le processus d'étalement et de diffusion. En plus ces expériences ne sont pas effectuées dans des conditions isothermes. De plus, la combinaison de la méthode de la goutte déposée avec un contrôle de l'atmosphère n’est indiquée que par un nombre très limité d'études. La majorité des études rapportent des angles de contact finaux, mesurés pour Sn liquide ou pour des alliages à base de Sn liquides sur des substrats de Cu, dans la gamme de 26 à 43°. Il convient de noter que l'addition d’Ag, Cu ou Bi dans la brasure conduit à diminuer de l'angle de contact vers 13°. Notez cependant que, en général, ces angles de contact finaux sont obtenus après l’interaction de la brasure liquide avec Cu solide pendant au moins quelques minutes et leur signification physique n’a pas été précisée.

Seulement très peu d’études ont porté leur intérêt sur le mouillage des phases intermétalliques Cu6Sn5 et Cu3Sn par des brasures liquides à base de Sn. Jusqu'à présent ces études comprennent la mise en œuvre de la seule technique de la goutte posée avec l'utilisation de flux. Ainsi, il est difficile de conclure si l'angle de contact de l'étain liquide sur les phases intermétalliques (IMC) est inférieur ou supérieur à l'angle de contact sur le substrat de Cu non réagi. Néanmoins, le fort effet de l'oxydation de surface a été détecté pour le mouillage des phases IMC.

Des études récentes sur les étapes initiales d'étalement non réactif (jusqu'à 10 ms) dans les systèmes métalliques (gouttelettes d’Ag, Cu et Au liquide sur substrat Mo) est une sorte de guide pour la détection de l'étape d'étalement non réactif dans les systèmes Cu/Sn liquide et Ag/Sn liquides. La détection de cette étape (et des angles de contact correspondants) serait essentielle pour la détermination de l'angle de contact d’équilibre de Sn liquide sur les substrats de Cu et Ag avant la formation d'un produit de réaction à l’interface liquide/solide.

2.4) Réactions interfaciales Cu et les alliages liquides base Sn

La croissance des phases intermétalliques entre le cuivre solide et les brasures à base d'étain liquides, pendant les dernières étapes de la réaction, est bien étudiée expérimentalement. Le modèle FDR [Gusak_2002] peut être utilisé pour la description de la croissance lors du processus de refusion (reflow) lorsque le temps de réaction avec la brasure liquide ne dépasse pas quelques minutes. Néanmoins, des résultats récents montrent que les modèles de cinétique de croissance devraient être revus pour l'étape initiale de la réaction (temps de réaction t < 10 s), ainsi que pendant les derniers étapes de la réaction (t > 30 min). La séquence de germination des IMCs à l’interface Cu/Sn est encore en discussion et devrait être revue. De même le critère de suppression de la croissance de la phase ε-Cu3Sn (si ce critère existe) doit être défini.

Au cours de réaction à l'état solide, la cinétique de croissance des IMCs obéit à une loi parabolique. Le processus de croissance peut être bien décrit par les modèles existants de croissance de phase au cours de réactions à l'état solide. Cependant, l'ambiguïté des résultats expérimentaux dans la compétition de la croissance au cours des dernières étapes du recuit à l'état solide (lorsque la phase dominante n'est pas clairement identifiée) doit être étudiée en détails. Un effort particulier devrait être fait pour révéler les facteurs conduisant au développement des porosités à l'interface.

6 2.5) Germination hétérogène pendant la cristallisation de Sn liquide ou des alliages liquides Sn-Ag-Cu: solidification des billes de brasure et des joints de brasure

Le fait que le substrat de cuivre et aussi les autres substrats métalliques (Ni, Ag, ... voir par exemple les réf. [Chang_2003, Wang_2006, Sobczak_2007, Matsumoto_2008, Kim_2009]) sont très bien mouillés par les alliages de brasure liquides (mouillage réactif), peut conduire à une conclusion préliminaire que la germination au cours du refroidissement d'une brasure liquide devient plus facile par une germination hétérogène sur le substrat métallique (en fait, sur la couche de réaction intermétallique formée à interface substrat/brasure).

Cependant, le degré de surfusion pendant le brasage des alliages à base de Sn (ou Sn pur) sur Ag ou Cu est encore élevé (> 15 K). Ceci a conduit récemment Belyakov et Gourlay [Belyakov_2014] à la conclusion que les composés intermétalliques rencontrés dans le brasage, Ag3Sn et Cu6Sn5 sont inefficaces à catalyser la germination de Sn. Ces auteurs [Belyakov_2014] ont montré que cristaux d'autres composés intermétalliques NiSn4, PdSn4 et PtSn4 sont des sites de germination hétérogène pour Sn, ce qui réduit la surfusion de germination de Sn de 35 K à 3-4 K seulement.

Malgré le fait que plusieurs travaux ont récemment été consacrés à la germination de l'étain dans le volume de la brasure, le rôle des différents sites potentiels de germination hétérogènes d'étain à l'intérieur de la bille de brasure n'a pas encore été élucidé. En outre, il n'y a pas d'études spécifiques traitant la comparaison des degrés de surfusion obtenus après une fusion partielle de la brasure et après une refusion (reflow) dans les configurations: (i) billes de brasure et (ii) joint de brasure préparés par refusion (reflow) d'alliage de brasure sur le substrat de cuivre.

3) Méthodes expérimentales et matériaux