Expériences d’assemblage avec épaisseur de SnAg (e SnAg ) élevée

Pour obtenir des assemblages avec une épaisseur élevée de SnAg, ceux-ci sont réalisés avec un substrat sur lequel on dépose 15µm de SnAg et des puces sur lesquels on dépose SnAg d’épaisseur 0, 5, 10 et 15µm de SnAg. Ces assemblages sont notés 15 + 0, 15 + 5, 15 + 10 et 15 + 15 respectivement. Les résultats des caractérisations en microscopie acoustique des échantillons issus des expériences d’assemblage, en utilisant le design de la Puce N°2 (voir figure 3.14-a), sont présentés sur la figure 3.14.

85

Figure 3.14 : Représentation schématique de la puce N°2 utilisée pour les expériences d’assemblage avec des épaisseurs de SnAg élevées (a). Résultats des caractérisations par microscopie acoustique des assemblages réalisés avec des épaisseurs

totale de SnAg de 15, 20, 25 et 30µm (b).

D’après ces observations en microscopie acoustique, le taux de remplissage des assemblages augmente significativement avec l’épaisseur totale de SnAg déposé ( épaisseur du joint). Par conséquent, le rapport de forme entre l’épaisseur de SnAg et la taille du plot est le facteur principal responsable de la réussite des assemblages. Il est remarqué également que malgré le fait d’augmenter l’épaisseur de SnAg à 30µm, les assemblages présentent toujours une zone de non-contact en leurs centres. Une hypothèse pour la formation de ces trous au centre des joints est le piégeage des bulles d’air du fait de la taille millimétrique des plots. Le passage rapide de SnAg à l’état liquide lors du reflow pourrait être responsable du piégeage d’une multitude de bulles d’air formées initialement par la rugosité élevée de la surface de SnAg solide. De plus, l’effet de bords des dépôts de Cu et de SnAg favorise davantage le piégeage de l’air au centre du joint juste après le reflow. Du fait de la taille importante des plots (1mm), les bulles d’air piégées dans l’alliage liquide ne trouvent pas d’issue pour sortir du joint. Ensuite, lors du maintien de l’alliage SnAg à l’état liquide ces bulles coalescent afin de minimiser l’énergie interfaciale liquide/gaz ce qui conduit à la formation de grosses porosités lors de la solidification de l’alliage. De plus, l’effet de bords des dépôts de Cu et de SnAg (la flèche, voir figure 3.11) favorise davantage la formation d’une cavité et donc le piégeage de l’air au centre du joint juste après le reflow. En effet, suite au reflow d’assemblage, l’alliage SnAg peut former un film liquide sur les deux côtés du joint (substrat et puce) piégeant ainsi une grande quantité d’air qui, lors de la solidification, conduit à la formation d’une grande porosité au centre de l’assemblage.

Pour remédier à ce problème, une solution qui permet d’optimiser le taux de remplissage des assemblages a été proposée. Cette solution consiste à éliminer les deux causes principales de formation des porosités, citées ci-dessus (la forme des dépôts et leur rugosité de surface). Tout d’abord, la forme des dépôts SnAg est modifiée de telle façon à supprimer la flèche aux bords et donc la cavité formée après placement des puces. De plus, la rugosité des dépôts de SnAg est également diminuée pour éviter le piégeage des bulles micrométriques. Les deux contributions sont obtenues grâce à une seule étape technologique (appelé pré-reflow de billage) présentée ci-dessous.

Par un reflow rapide (250°C, 50s) sous azote (voir annexe 3.1), et grâce à son très bon mouillage sur le cuivre, lors de la fusion l’alliage SnAg déposé sur le cuivre adopte une forme relativement proche d’une calotte sphérique ce qui élimine la flèche aux bords des plots. Cette transformation de forme est davantage visible avec des épaisseurs de SnAg élevées. Les mesures en profilométrie optique ainsi que des observations MEB des plots après un pré-reflow de billage sont présentées sur la figure 3.15 pour les épaisseurs SnAg de 5µm, 10µm et 15µm.

86

Figure 3.15 : Caractérisation des bumps après un pré-reflow de billage des plots des 1mm et d’épaisseurs de SnAg de 5, 10 et 15µm. Images 3D en Profilométrie optique, (a) mesure d’épaisseur des plots (Cu + SnAg) par profilométrie optique (b) et

images MEB des sections transversales des plots (c).

On constate aussi que la rugosité de surface de l’alliage SnAg a été fortement diminuée (Ra = 40nm) en comparaison avec les plots obtenus directement après les dépôts Cu/SnAg (Ra = 315nm).

Pour valider les résultats en ajoutant cette étape technologique, des expériences d’assemblage sont réalisées avec les puces qui ont subi un pré-reflow de billage de la même manière que les assemblages avec des puces sans pré-reflow de billage. La figure 3.16 présente les résultats de caractérisation par microscopie acoustique et des images MEB des coupes transversales des joints d’assemblage réalisés après l’étape de pré-reflow de billage. Les épaisseurs de l’alliage SnAg pour ces assemblages sont : 15+0µm, 15+5µm, 15+10µm et 15+15µm.

87

Figure 3.16 : Caractérisation des échantillons issus des expériences d’assemblage avec des épaisseurs de SnAg élevées (15, 20, 25 et 30µm) et précédés d’un pré-reflow de billage. Caractérisations par microscopie acoustique à balayage (a) et par

microscopie électronique à balayage (b).

Ces résultats montrent l’impact important du pré-reflow de billage sur l’atténuation de la formation des trous dans les joints de brasure. L’image MEB de la coupe transversale de l’échantillon (15 + 0 µm) sur la figure 3.16-b, montre que l’assemblage présente un décalage horizontal important ( 0,5mm) lors du placement puce/substrat qui conduit à un positionnement de deux plots de Cu supérieurs sur un même plot de SnAg inférieur. On note que l’alliage liquide, initialement situé sur le plot inférieur, a un très bon contact avec les deux plots supérieurs. Le ménisque du liquide situé au-dessus du plot inférieur montre clairement un très bon mouillage sur la surface du cuivre.

La comparaison de la figure 3.16-a avec la figure 3.14-b montre très clairement que le taux de remplissage est significativement plus élevé lors de l’utilisation de puces Cu/SnAg avec un pré-reflow de billage. De plus, sur la figure 3.16-b on observe que les épaisseurs des joints après assemblage sont proches de celles avant assemblage ce qui n’était pas du tout le cas pour les assemblages sans pré-reflow de billage (épaisseur des joints beaucoup plus élevée que celle de SnAg déposé). Cela est confirmé aussi par un faible taux de trous formés dans les joints de brasure avec pré-reflow de billage. En effet, la forme de la surface de l’alliage SnAg joue un rôle sur le piégeage de l’air et donc sur le taux de porosités dans le joint. Après un pré-reflow de billage, la surface de SnAg étant sous forme de calotte sphérique, le placement des assemblages permettra le contact des deux plots supérieur et inférieur au centre du plot (sommet de la calotte). Ainsi, la rencontre de SnAg liquide des deux côtés commence du centre pour se propager progressivement vers les bords chassant l’air vers l’extérieur. De plus, le fait de diminuer la rugosité des dépôts minimisera la possibilité de piégeage des bulles d’air lors de la fusion des deux bumps.