Exposition d’une matrice de brasures d’interconnexions au Ga liquide pur

La tension de surface élevée (720 mN/m) du Ga liquide [51] et les grands angles de contact qu’il forme sur la majorité des surfaces (~ 130° en moyenne) [105], entrainent un mouillage partiel du Ga liquide sur ces surfaces. De plus, la faible longueur capillaire κ-1_{=√(γ/ρg) ~ 3,5 mm du}

Ga liquide (dimension au-delà de laquelle une goutte sera aplatie par la gravité [177]) implique qu’une grosse goutte de Ga liquide déposée près de la puce ne pourra s’étaler que sur une longueur de 3,5 mm, ce qui est insuffisant pour remplir le gap. On peut en conclure de l’incapacité du Ga liquide à s’infiltrer naturellement dans un gap (Fig. 5.3(a)).

Figure 5.3: Images de tests d’expositions de puces à interconnexions standards C4 par le Ga liquide pur (a) sans action externe et (b) avec l’aide d’une succion par le vide.

Pour améliorer l’action capillaire du Ga liquide dans le gap, une succion (par un vide partiel ~ 78 kPa) a été utilisé pour aspirer le Ga à travers la longueur la puce et le forcer à pénétrer dans le gap (Fig. 5.3(b)). Les éléments du module (puce et substrat) étant opaque, l’efficacité de la succion a été évaluée après le retrait de la puce. La Figure 5.4 présente la surface du gap (côté substrat) après le retrait d’une puce de référence non exposée (Fig. 5.4(a)) et d’une puce exposée au Ga liquide (Fig. 5.4(b)). Il apparait que la pénétration du Ga dans le gap s’est faite de façon inhomogène, et plus précisément, on peut remarquer que le Ga a emprunté différents chemins variés lors de sa pénétration (Fig. 5.4(b)).

En effet, bien que les intervalles entres interconnexions soient réguliers, les motifs de connexions des puces induisent généralement que la distance entre deux brasures soit différente d’une zone à l’autre de la surface de la puce comme on peut le voir sur la Figure 5.4(a), ce qui implique que la pression critique (équation (5.1)) nécessaire au Ga de pénétrer le gap sera localement différente (plus élevée pour de courts intervalles) en fonction de l’espacement des brasures [178]. De plus, il a été montré que lorsque cette pression critique est dépassée, le ML pénètre généralement de façon presque instantanée (< 1 sec) dans le microcanal [53]. En conséquence, l’irrégularité des dimensions des microcanaux (espace entre deux brasures) traversés par le Ga, cumulée avec la rapidité à laquelle le Ga s’infiltre dans le gap, expliquent les chemins préférentiels utilisés par le Ga lors de la succion (Fig. 5.4(b)).

Figure 5.4: Images MEB des brasures résiduelles après le retrait (a) d’une puce de référence non exposée, et (b) d’une puce exposée au Ga liquide.

Les surfaces des brasures résiduelles de la Figure 5.4(b) donnent aussi une information supplémentaire sur la qualité de l’adhérence du Ga liquide sur les brasures. De par les analyses EDX confirmant la présence et la localisation du Ga liquide, on observe plusieurs cas de brasures présentant une fragilisation sévère jusqu’à dissolution complète de la brasure résiduelle (voir chapitre 3). Cette fragilisation importante est le signe d’un contact intime entre la surface des brasures et le Ga liquide lors de sa traversée dans le gap. En effet, du fait de la grande rapidité de pénétration du Ga par l’action de la succion, on peut aisément conclure que la contrainte maximale de rupture de la couche d’oxyde du Ga a été dépassée [52], ce qui a facilité une bonne adhérence sur les brasures.

Différents tests d’accélération de la fragilisation ont été effectués sur des puces exposées pour différents temps et températures d’exposition (une puce étant utilisée une seule fois), et des tests de cisaillement de puces ont été effectués pour évaluer la résistance mécanique de la matrice de brasures. De légères diminutions (5 à 35%) de la résistance au cisaillement des puces exposées sont observées comparé à la résistance d’une puce référence non exposée (Fig. 5.5). On remarque aussi que cette diminution est d’avantage liée à la quantité de Ga qui a adhéré sur les brasures, qu’aux conditions d’exposition (temps et température d’exposition). La pénétration incomplète et inhomogène (non identique d’un test à l’autre) du Ga liquide, n’a pas permis d’établir une relation entre le degré de sévérité de la fragilisation et les conditions d’exposition (temps et température), mais plus avec le nombre de brasures contactées (et donc fragilisées) par le Ga liquide.

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Figure 5.5: Forces de cisaillement de puces exposées en fonction de la quantité de Ga liquide qui a pénétré dans le gap; les inserts montrent les matrices de brasures après rupture.8

Il existe certaines techniques de dispense d’underfill dans le gap (dispense aidée ou assistée par la pression, la gravité ou le vide) [7], qui pourraient être exploitées pour améliorer l’écoulement capillaire du Ga liquide dans un gap. Une faisabilité très préliminaire de ces techniques a été évalué pour le Ga liquide, mais n’a pas donné des améliorations par rapport aux critères visés. En effet, en injectant le Ga liquide avec une pression élevée dans le gap (dispense assistée par la pression), on obtiendrait la même pénétration inhomogène que l’aspiration par le vide. De plus, les techniques d’écoulement assisté par la gravité ou par le vide, peuvent permettre d’améliorer l’écoulement de l’underfill en inclinant le module ou grâce à un différentiel de pression (en appliquant le vide avant ou après la dispense) [7], [179]; mais ces techniques ne fonctionneraient pas avec le Ga liquide, car elles nécessiteraient au préalable, un début d’écoulement dans le gap, ce qui n’est pas le cas avec le Ga liquide. De plus, certaines techniques utilisant un équipement de dispense spécialisé seraient difficiles à adapter pour le Ga liquide à cause des risques de contaminations.

Aussi, il est important de mentionner que cette méthode d’exposition de Ga liquide pur génère beaucoup de résidus de Ga sur le substrat qui sont difficiles à enlever par la suite, et donc problématiques pour le remplacement subséquent d’une nouvelle puce et la fiabilité du module complet.