Préparation et réalisation des expériences d’assemblage et des traitements thermiques

2.1 Découpe des plaques

Afin de préparer les échantillons pour les expériences d’assemblage par brasage, on effectue d’abord les découpes des wafers avec un appareil de découpe DFD6560.

Deux découpes différentes ont été effectuées sur les mêmes wafers pour avoir des puces et des morceaux de substrats (voir figure 2.9). La différence réside dans le placement des chemins de découpe et leur nombre comme le montre la figure 2.9. La première découpe concerne la préparation des substrats (partie inférieure de l’assemblage). Pour cette étude, les assemblages sont effectués sur des substrats correspondants à la moitié ou à un quart de la plaque pour optimiser le nombre d’échantillons et pour pouvoir multiplier les configurations d’assemblage (pour les différents protocoles expérimentaux mis en place et paramètres mis en jeu).

La deuxième découpe quant à elle permet la séparation des puces de la plaque selon les designs sélectionnés pour l’assemblage.

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Figure 2.9 : Découpe des plaques pour la préparation des puces et des substrats.

2.2 Placement des puces

Une fois que les substrats et les puces sont découpés, celles-ci sont récupérées par la machine de placement Datacon 2200 evo (Pick and Place) et déposées sur le substrat.

Grâce à un système de reconnaissance d’images, les motifs des puces sont identifiés et placés en face des motifs du substrat (le substrat dispose du même design que celui des puces). Cette opération est schématisée dans la figure 2.10.

Figure 2.10 : Placement des puces sur le substrat.

Pour maintenir les puces en position sur les substrats jusqu’à leur transfert à l’équipement d’assemblage, on utilise un agent chimique appelé flux.

Un premier rôle de l’agent chimique, appelé aussi flux, est le maintien temporaire du placement. La faible masse des puces, de l’ordre de quelques milligrammes, et l’irrégularité de la surface de contact entre puces et substrat, rendent le maintien mécanique du placement difficile. De ce fait, le flux est placé entre les surfaces des plots des puces et du substrat pour assurer un maintien mécanique temporaire. Cette action est réalisée par le biais de forces capillaires ou par la viscosité selon la nature du flux (liquide ou visqueux).

54 Le deuxième rôle clé joué par le flux intervient lors du process de reflow d’assemblage, après l’étape de placement. Les assemblages, sous forme de puces placées sur un substrat, sont transférés vers une enceinte thermique pour procéder au «reflow» (voir paragraphe suivant) qui consiste à chauffer au-delà de la température de fusion de l’alliage de brasure SnAg. Le rôle décisif du flux pendant cette étape importante d’assemblage par brasage est la désoxydation des surfaces solides et liquides afin de permettre un contact intime aux interfaces (bon mouillage).

Deux techniques d’application du flux différentes ont été utilisés.

La première technique correspond à l’application du flux sur le substrat par un pulvérisateur. Elle présente l’avantage d’être simple et rapide. Cependant, cette technologie a deux inconvénients majeurs. D’un côté, l’application manuelle de ce flux (par pulvérisateur) ne permet pas d’assurer la reproductibilité des résultats, et de plus l’application du flux liquide par spray est hétérogène et ne parvient pas à atteindre l’ensemble des plots Cu/SnAg dont la hauteur est supérieure à 20µm. De l’autre côté, il est possible de mettre suffisamment de flux pour atteindre l’ensemble des plots mais cela risque de gêner la reconnaissance des motifs par les caméras de l’équipement, ce qui amène à des défauts d’alignement lors du placement. De plus, l’excès de flux a été fortement déconseillé dans certains travaux ([Wambera et al., 2017], …)car il peut amplifier des effets corrosifs qui dégradent les propriétés des brasures. Pour ces raisons, une deuxième technologie de flux a été mise en œuvre et réalisé grâce à un poste de dipping (bain d’épaisseur 20µm de flux) présenté dans la figure 2.10. La deuxième technologie de flux utilise un agent chimique visqueux. Celui-ci est appliqué sur les puces qui sont retournées et submergées dans le poste de dipping. L’épaisseur de 20µm du film de flux est mise en œuvre pour recevoir les plots des puces dont l’épaisseur est supérieure à 20µm. De ce fait, l’agent laisse la surface du silicium entre les plots intacte ce qui permet d’appliquer la quantité de flux juste nécessaire sur les plots. Par la suite, les puces sont placées retournées sur le substrat.

La quantité du flux utilisée a été toujours sujette à discussion puisque sa composition est inconnue (secret commercial) ainsi que son impact de contamination sur les brasures. De plus, les travaux de recherches de [Wambera et al., 2017] révèle une corrélation entre les agent de flux et des effets corrosifs (formation de porosités lors des transformations métallurgiques Cu/SnAg).

2.3 Reflow

Après l’étape de placement des puces sur leur substrat, celui-ci est transporté vers un four. Le transfert se fait délicatement pour éviter le désalignement des puces. Le temps de transfert est également maitrisé pour éviter la volatilisation du flux.

Dans cette étape, les assemblages se déplacent à l’intérieur d’un four à l’aide d’un convoyeur (système de courroie). Le principe de ce four repose sur le passage des échantillons, de l’entrée à la sortie du four, dans des zones à différentes températures. Cet appareil est appelé « four à passage » comme son principe l’indique. Le four utilisé dans cette étude (four HELLER) est composé de 5 zones de chauffage et 2 de refroidissement. Dans chaque zone, des puissantes résistances chauffantes (placées aux surfaces supérieures et inférieures des zones) permettent d’imposer une température consigne constante. La figure 2.11 présente un schéma de principe du fonctionnement du four à passage (a) ainsi que le profil thermique obtenu avec ce four (b).

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Figure 2.11 : Four à passage et profil température-temps appliqué lors du process de reflow pour garantir l’assemblage permanent par brasage entre la puce et le substrat.

Les températures consignes des zones ainsi que la vitesse du convoyeur sont ajustées pour obtenir le profil thermique souhaité. Ce type de four présente plusieurs avantages notamment une cadence de production élevée. Cela est très utile dans les lignes de production lorsque le nombre d’échantillons est très élevé. Le four à passage permet de traiter des milliers d’échantillons sans que sa taille soit importante. Le deuxième avantage du four est qu’il permet d’assurer des vitesses de montée/descente en température très élevées. Cela est produit par le passage des échantillons d’une zone à une autre dont l’écart de température est élevé (centaines de degrés Celsius), et par le contrôle de la vitesse de translation du convoyeur.

Le profil thermique utilisé est donné dans la figure 2.11-b. Il comporte deux étapes de maintien isotherme indispensables :

Tout d’abord un étage de maintien isotherme est établi entre 110°C et 130°C pendant 5 minutes pour l’activation du flux. Ce dernier permet de désoxyder les surfaces de Cu et SnAg. Cette étape est indispensable pour pouvoir favoriser le mouillage Cu/SnAg entre les plots des puces et ceux du substrat. Quant au mouillage, il est réalisé grâce à un étage de maintien isotherme de 3 min à 250°C. Cette température est bien supérieure à celle de fusion de l’alliage SnAg (221°C) ce qui conduit à un contact Cu/SnAg liquide suivi d’un très bon mouillage réactif [Liashenko et Hodaj, 2019].

Toutes les expériences d’assemblage par brasage ont été effectuées dans les mêmes conditions (four de reflow, profil température-temps, flux).

À la sortie du four de reflow, les assemblages puce/substrat sont récupérés. Pour bien exploiter ces assemblages (en termes d’expériences ultérieures et de caractérisation), ils sont découpés en plusieurs morceaux (voir section 4.1) afin de multiplier le nombre d’échantillons pour chaque série d’expériences (par exemple avec la même épaisseur initiale de l’alliage SnAg). De plus, pour chaque série d’expériences, les puces sont prélevées du même wafer. Une partie de ces échantillons sera utilisée pour les différentes caractérisations de l’état initial du joint après l’assemblage par brasage. Une autre partie sera utilisée pour effectuer les expériences de traitement thermique de maintien isotherme.

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2.4 Expériences de maintien isotherme

Les expériences de traitement thermique se déroulent dans une enceinte thermique (ou four) de grand volume sous air (fermée non hermétique) adaptée à la gamme de température étudiée, à savoir 250-350°C. Le four utilisé permet de contrôler la température à 3°C près.

Ce four atteint les températures de 250 et 350°C respectivement en environ 30 et 45 minutes de chauffage. Lorsque la température du four est stabilisée, les échantillons sont introduits dans le four et gardés pour la durée de maintien isotherme souhaitée. Cette procédure est mise en place afin d’éviter que l’échantillon subisse une sollicitation thermique autre que le maintien isotherme à la température et durée souhaitées. Lors des expériences de traitement thermique, l’ouverture et la fermeture du four sont contrôlées afin de traiter simultanément plusieurs échantillons avec des durées de maintien différentes. Ainsi, lors de la sortie d’un échantillon au bout d’une certaine durée de traitement, la chute de la température est moins de 20°C et elle ne dure que quelques minutes ce qui permet d’avoir des erreurs des durées de maintien isotherme très faibles pour les autres échantillons qui restent dans le four (avec des durées de maintiens isothermes supérieures à au moins 2h). Avant de préparer les échantillons pour leurs caractérisations microstructurales, une étape préalable de caractérisation non destructive est mise en place pour vérifier la qualité des assemblages.