Les puces relatives aux procédés SNOP (section 2.2.5.1) et SNEP (section 2.2.5.2) sur 5 niveaux ont une dimension de 6x6 mm2 et contiennent 22 plots de contacts. Elles sont principalement composées de jonctions isolées ou en série et de SQUIDs. La caractéri- sation des jonctions pour en déterminer le bon fonctionnement étant indispensable pour que les circuits RSFQ puissent fonctionner correctement, le test a été orienté d’abord sur la mesure de ces dispositifs déjà existants lors du DEA, précédant la thèse. A cause de la difficulté souvent rencontrée lors de la soudure (bonding) des fils d’or avec la machine dont dispose le laboratoire, on a préféré diminuer le temps de montage d’un échantillon et augmenter le nombre de connexions de la puce vers le support de test en utilisant le flip-chip.
Lors de la thèse pour pouvoir tester plusieurs circuits RSFQ ou des circuits RSFQ complexes avec le nouveau procédé sur 10 niveaux on a introduit une nouvelle taille des puces, 10 x 10 mm2, avec un nombre de plots supérieur. Les supports pour le montage de
type flip-chip n’étant pas disponibles pour des raisons de temps, les échantillons du nou- veau procédé ont été montés par bonding d’or sur des contacts ici en aluminium réalisés dans le groupe de dépôt Alcatel SCM 600.
4.2.1
Montage de type «Flip-Chip»
On a conçu un petit système de soudure (voir figure 4.12) basé sur la méthode de type flip- chip [127] avec un métal de Wood ayant une température de fusion de 80◦C. Il s’agit d’une plaque chauffante en cuivre réalisée sur un support en inox suffisamment massif pour réduire toutes les vibrations possibles. Le procédé sur plaque chauffante comporte deux étapes :
– un premier échauffement permet de fondre le métal de Wood déposé sur une lame de cuivre en contact avec la plaque chauffante de façon à réaliser un bain de métal dans lequel on plongera un support époxy dessiné en surface des pistes nécessaires pour prendre le contact. Grâce au vernis isolant déposé sur tout l’époxy, le métal de Wood va être confiné sur les 22 plots qui seront en contact sur la puce (6 x 6 mm2) de test.
– on positionne alors un masque sur la plaque chauffante avec un trou de la dimension et forme de la puce à tester. La puce va donc se placer dans le trou avec ses plots d’or de contact vers le haut. On va alors positionner le support en époxy sur lequel on a précédemment déposé le métal de Wood avec le contact vers le bas. Quatre guides permettent d’aligner les plots de l’epoxy avec ceux de la puce. On met un
4.2 – Montage des échantillons
Lame de cuivre
Métal de Wood Résistance chauffante thermomètre
Guides Masque Placement de la puce
puce
Support pour le test poids
Plaque chauffante contrôlée en température
Support en Inox
F. 4.12. Illustration de la machine à souder les puces sur leur support de connexion réalisée. La photo de gauche montre les pièces utilisées et celle de droite la soudure mise en oeuvre. Le schéma central permet de comprendre la procédure de montage de la puce.
poids sur le support d’époxy à fin de permettre la soudure par pression, une fois atteinte la fusion du métal de Wood.
Lors de la soudure de la puce sur le support, toutes les pattes du support doivent être court-circuitées afin d’éviter des différences de potentiels, qui pourraient claquer la barrière et donc la jonction. Pour avoir un ordre d’idée de la tension de claquage, la valeur du champ électrique qui suffit pour détruire une barrière tunnel est d’environ 10 MV/cm, ce qui correspond à une tension de 1 V pour une barrière isolante de 1 nm d’épaisseur.
La figure 4.13 montre le placement de la puce sur le support prêt au test et le contact réalisé. Cette méthode permet de prendre 22 contacts sur la puce en 15 minutes environ. Le problème rencontré lors du première essai à froid est lié au fait que le métal de Wood dévient très granulaire et lors de la descente en température le poids de la puce domine
F. 4.13. Après refroidissement de la plaque, la puce reste soudée au support époxy : a) vue par-dessus ; b) vue latérale ; c) puce dessoudée montrant le métal de Wood sur les
sur la force de liaison du métal et la puce se dessoude du support. Un alliage étain-indium (SnIn), démontré résister à froid [127], aurait été préférable pour ce type de montage. N’ayant pas à disposition cet alliage on a garanti la tenue mécanique avec un ruban de nylon enveloppant la puce soudée au support.
Ce type de montage a été validé à froid et à basse fréquence (1 KHz) en vue d’un test quasi-statique sur une couche d’or épaisse de 150 nm et déposée (avec un buffer de 10 nm de titane) sur un substrat de silicium découpé pour être adapté au support. La résistance mesurée sur 4 points entre deux plots voisins (distance entre les deux centres égale à 1mm) est de 24,4 µΩ à 4,2 K.
4.2.2
Montage par soudure des échantillons
Le laboratoire est équipé d’une machine de bonding utilisée avec un fil d’or pour le montage d’échantillons en vue d’une mesure sur 4 points. Les supports utilisés sont les plus classiques dans la micro-électronique et souvent les fils d’or, après le bonding sur les plots de l’échantillon, sont soudés aux pins du support avec du métal de Wood ou de l’étain. Il existe aussi des support céramique avec un alliage 42 (42 % nickel et 58 % fer) sur lequel il est possible de faire du double bonding en écrasant le fil d’or sur les plots du support3. Même s’ils apparaissent très pratiques pour le montage des échantillons
contenants des circuits RSFQ, ces supports peuvent perturber la mesure car l’alliage 42, étant ferromagnétique, peut se magnétiser.
Lors du test des circuits ainsi que des jonctions Josephson et des SQUIDs dans le procédé à 10 niveaux, les puces ont été collées (on utilise un colle conductrice de chaleur, de type General Electric) sur des supports en époxy. Ensuite le bonding est fait plot par plot en soudant le fil d’or au pin du support pour fixer son potentiel avant de procéder à la soudure des autres plots de l’échantillon. Dans ce cas les pins du support sont tous court-circuités et reliés à la terre. Quand tous les plots ont été soudés le court-circuit est maintenu jusqu’au montage du porte-échantillon dans la canne de test.