Les polymères et la microélectronique

En microélectronique, les polymères sont quasiment partout. On les trouve dans les packagings des téléphones ou des tablettes, mais ils peuvent aussi être beaucoup moins visibles comme les adhésifs d’enrobage qui protègent les surfaces et isolent de l’environnement extérieur. Ils constituent des barrières à l’humidité afin d’assurer une durée de vie suffisante aux composants qu’ils protègent.

D’un point de vue thermique, on distingue :

- les thermodurcissables : une fois chauffés à une certaine température ils réticulent de façon définitive. Ils sont infusibles et insolubles dans les solvants. Au-dessus d'une température seuil, le polymère commence à se dégrader (non recyclables),

- les thermoplastiques : ils fondent lors d’un chauffage et se figent par refroidissement. Ils peuvent subir plusieurs fois des transformations réversibles (recyclables),

- les thermostables : ce sont des polymères qui conservent leurs propriétés à de hautes températures. Ils sont utilisés dans les condensateurs de puissances [13, 14],

- les élastomères : polymères présentant un domaine élastique très grand et un très faible module d’élasticité.

I.2.1. La place des polymères en microélectronique

Les polymères sont présents dans de nombreux composants électroniques : dans les enrobages

(époxy, polyuréthane, silicones), les adhésifs (époxy, cyanoacrylates), les underfills (résines anhydres chargées de silice), les substrats et diélectriques (polyester, époxy, polyimide, benzocyclobutène, bismaléimide triazine, fluorocarbone), les filtres pour cartes imprimées (aramide, verre), les photomasques (polymères photosensibles) et les protections (époxy, polyuréthane, élastomère silicone, pérylène) [15]. En microélectronique, les polymères sont déposés en couches très fines (centaines de µm au plus) ce qui rend délicat leur caractérisation nécessaire à la prédiction des déformations. La partie suivante décrit quelques applications des matériaux organiques.

I.2.2.1. Underfill

Pendant l’assemblage des dispositifs par thermocompression, lorsque le contact par bumps est établi, une couche de polymère est injectée entre les puces pour d’une part isoler et protéger les contacts contre d’éventuelles contraintes et d’autre part immobiliser les bumps. Ils servent également d’adhésifs entre les plaques et/ou puces.

Chapitre I : Généralités sur l’intégration 3D et la caractérisation des couches minces

25 Figure I.21 : Procédé de remplissage d’underfill

I.2.2.2. Molding et Passivation

Constitués de polymères généralement renforcés par des grains de silice ou de céramique, « le molding » (encapsulant) est la couche qui protège le circuit et ses parties sensibles (interconnexions, fil de collage et bosses de soudure) des facteurs environnementaux tels que l'humidité, la corrosion et les rayonnements ultraviolets pouvant induire des contaminations [16]. Il protège également les dispositifs des dommages induits mécaniquement par le pliage, les vibrations, les chocs thermiques et les cycles de température générés par les conditions d’utilisations.

I.2.3. Propriétés thermomécaniques des polymères

Les polymères ont un comportement viscoélastique pour des déformations modérées, ce qui sera le cas dans notre étude. Par ailleurs, compte tenu des chargements considérés, quasi-statique lent, nous négligerons la dépendance de leur comportement mécanique à la vitesse de déformation. Ainsi pour notre étude où les propriétés élastiques des polymères sont supposées isotropes, le module d’Young (ou de cisaillement) sera le seul à caractériser leurs réponses élastiques.

En considérant la grande dépendance des polymères à la température, il est indispensable de maîtriser leurs propriétés thermomécaniques afin de réaliser un bon dimensionnement et un choix optimisé. Les propriétés importantes pour notre étude sont :

I.2.3.1. La température de transition vitreuse

La température de transition vitreuse (𝑇𝑔) est le plus important des paramètres d’un polymère, elle se situe à la limite entre l’état vitreux (𝑇 < 𝑇𝑔) et l’état visqueux ( 𝑇 > 𝑇𝑔). On observe un comportement très différent du polymère de part et d’autre de cette température. Certaines propriétés comme le CTE augmentent de l’état vitreux à l’état visqueux pendant que les propriétés élastiques (𝐸, 𝐺) diminuent. Des études [17] ont montré que la 𝑇𝑔 augmente avec le taux de réticulation et il existe des composés appelés « plastifiants » permettant de la réduire. Des techniques expérimentales permettent de mesurer la 𝑇𝑔 comme la DMA (« Dynamic Mechanical Analysis ») où elle est souvent repérée au maximum du facteur de perte tan 𝛿 (Figure I.22). La technique de mesure par DMA sera présentée dans le chapitre suivant.

26 Figure I.22 : Température de transition vitreuse

I.2.3.2. Module de Young

Le module de Young (𝐸), ou module d’élasticité longitudinal, caractérise la rigidité d’un matériau.

Il lie la déformation (ε) à la contrainte (σ). Le module d’Young des polymères varie avec la température. Dans ce travail nous avons proposés deux principales techniques de détermination du module d’Young des polymères en fonction de la température : une caractérisation expérimentale directe par DMA et une identification basée sur une étude analytique.

Pour les polymères amorphes, la température de transition vitreuse 𝑇𝑔 distingue l’état solide à des températures inférieures de l’état visqueux pour des températures supérieures à 𝑇𝑔. Entre ces deux états, les modules d’Young et de cisaillement varient entre une et trois décades, selon le taux de réticulation du thermodurcissable ou d’enchevêtrement pour les thermoplastiques, comme illustré sur la Figure I.23. A noter que le module d’Young d’un polymère dans son état vitreux reste néanmoins très faible par rapport aux matériaux utilisés en microélectronique (en moyenne d’un facteur 100). Le module d’Young des polymères peut être fonction de leur degré de réticulation [17].

Figure I.23 : Evolution représentative du module d’Young d’un polymère en fonction de la température. Transition à 𝑇𝑔 et passage à l’état caoutchoutique.

Chapitre I : Généralités sur l’intégration 3D et la caractérisation des couches minces

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I.2.3.3. Le coefficient de dilatation thermique

De l’anglais « Coefficient of Thermal Expansion », le CTE d’un matériau permet d’évaluer la déformation thermique suivant l’équation (I.7)

𝜀𝑡ℎ(𝑇) = ∫ 𝛼(𝑇)𝑑𝑇 , (I. 7) 𝑇

𝑇𝑟𝑒𝑓

𝑇_𝑟𝑒𝑓 est une température de référence (température de dépôt ou ambiante par exemple).

Pour les polymères, il est fonction de la température, à l’état vitreux il est relativement faible (mais reste élevé par rapport à ceux des matériaux inorganiques) et augmente considérablement après la 𝑇_𝑔. Il est à noter que même à basse température (𝑇 < 𝑇𝑔) les polymères ont un CTE largement supérieur à ceux des autres matériaux. Nous allons proposer dans ce travail une technique d’identification du CTE des polymères en fonction de la température. Nous distinguerons les valeurs de CTE dans le domaine solide et celles dans le domaine visqueux. Ces valeurs serviront à évaluer la déformée d’une structure multicouche comportant des polymères.

I.2.4. Loi de comportement élastique des polymères

La loi de comportement qui sera appliquée aux matériaux dans notre étude est donnée dans par la formule (I.6). La particularité dans le cas des polymères est que leurs propriétés thermoélastiques dépendent de la température. Cela équivaut donc à prendre en compte la température dans le cas du polymère. On a donc pour les polymères :

𝜎(𝑇) = 𝐸(𝑇)

1 − 𝜈(𝜀𝑇𝑜𝑡(𝑇) − 𝜀𝑡ℎ(𝑇) − 𝜀𝑖𝑛𝑡) (I. 8)