La qualité finale du joint métallique

Une fois la puce assemblée au substrat par frittage, il faut déterminer la qualité du joint final. Pour rappel, les caractéristiques importantes sont la tenue mécanique, le coefficient

d’expansion thermique et la conductivité thermique. Toutes ses propriétés sont évidemment liées à la densification finale du matériau. Plus le matériau final sera poreux, plus ses propriétés seront mauvaises. Pour déterminer si un assemblage a une bonne tenue mécanique, il est testé en contrainte en cisaillement. Il existe pour ce test une valeur minimale à atteindre pour une utilisation dans des dispositifs commercialisables, cette valeur est de 12 MPa. Elle est fixée par la norme américaine (MIL-STD-883J). Ce test, le plus répandu, permet de valider la technologie en termes de performance et de se comparer à l’état de l’art.

I.5.1. Tenue mécanique

Le test en cisaillement, schématisé sur la Figure 26, consiste en l’application, sur la puce, d’une

force parallèle au joint métallique par un outillage. La force appliquée augmente jusqu’à la

rupture du joint métallique. De nombreuses valeurs de rupture en cisaillement sont disponibles dans la littérature, ce qui permet de comparer plusieurs paramètres selon la nature des particules utilisées, la formulation spécifique ou encore les conditions de frittage.

Figure 26 : Montage d’un test de rupture en cisaillement d’un assemblage.

La tenue mécanique d’un joint métallique est directement liée à sa densité. La Figure 27 reprend la tenue en cisaillement de joints frittés à différentes températures en fonction de leur densité. Sur ce graphique, plus la température de frittage est élevée, plus le joint est dense et plus la rupture au cisaillement est importante. Pour une densité de 0,65, après un frittage à 200°C, la rupture a lieu à 20 MPa. Si le frittage est effectué à 300°C, la densité est alors de 0,8 et le joint rompt à 35 MPa. Plus un joint sera dense dans son volume, plus ses

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surfaces au contact du composant et du substrat seront denses et plus cela contribuera à

augmenter l’adhésion interfaciale. Pour résumer, la cohésion du joint avec les surfaces est

meilleure lorsque la densité finale du joint est élevée. La densification est une condition importante pour obtenir des assemblages résistants mécaniquement.

Figure 27 : Tenue mécanique en cisaillement de joints d’argent en fonction de leur température de frittage ainsi que de leur densité relative [85].

Les résultats mécaniques les plus remarquables sont présentés sur le graphique de la Figure 28 représentant la valeur de rupture en cisaillement des joints (généralement une puce Si et un substrat) en fonction de la température de frittage et de la nature des nanoparticules. La valeur minimale à dépasser est représentée par la ligne rouge à 12 MPa (norme

MIL-STD-883J). L’atmosphère de frittage est aussi importante, les meilleurs résultats dans le cas du cuivre et Cu@Ag, sont obtenus lors d’un frittage sous atmosphère réductrice (H2), empêchant toute oxydation. Les valeurs représentées ne prennent pas en compte les assemblages réalisés avec des finitions de substrats complexes (Ag/Ni/Ti), des techniques de frittage telles que le SPS (Spark Plasma Sintering), le frittage par ultrasons ou encore par microonde. Ainsi, une fois

frittées, les pâtes nanoAg sont capables d’atteindre des valeurs allant jusqu’à 60 MPa. Dans le

cas d’une pâte de cuivre, la meilleure valeur obtenue est de 48 MPa, néanmoins le joint a été fritté dans une atmosphère réductrice à 350°C. Le frittage sous atmosphère réductrice est un

bon moyen d’empêcher l’oxydation, toutefois cette technique est difficilement transférable à

53 Figure 28 : Valeurs de rupture en cisaillement pour des nanopâtes dans la littérature en fonction de la température de frittage, de la nature chimique des particules (Cu, Ag et Cu-Ag)

de l’atmosphère, de la contrainte et de la durée de frittage, pour des surfaces Cu.

I.5.2. Mesure de la densification – suivi du frittage

Comme énoncé précédemment, la plupart des propriétés recherchées sont le résultat d’une

densification élevée des nanoparticules. Un joint métallique dense aura une meilleure tenue mécanique et de meilleures propriétés de conductivité thermique. Pour mesurer et suivre la

densification d’un matériau, il existe plusieurs techniques directes ou indirectes.

L’observation de la microstructureà l’intérieur d’un joint, après densification, est possible en

microscopie électronique étant donnée la bonne conductivité des assemblages. La difficulté

de l’observation réside dans la préparation de l’échantillon. Pour observer un joint à cœur il

existe plusieurs techniques de préparation :

- Par polissage mécanique, à l’aide de matériaux abrasifs.

- Par une attaque par un faisceau d’ions, ou FIB (Focused Ion Beam), pour une observation fine de la microstructure du matériau fritté [86].

L’observation de la microstructure permet alors d’étudier la taille des grains mais aussi les cous de frittage, la densification ainsi que la porosité fermée et ouverte. Dans le cas de

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29, la porosité résiduelle, calculée par traitement d’image, est de 14%. Les auteurs parlent

aussi d’une porosité de 22% dans le cas d’un frittage à 3 MPa.

Figure 29 : Vue MEB en coupe d’un joint argent fritté (Argomax 8010) à 280°C, 12MPa pendant 3 min ; préparé par FIB [87].

L’imagerie en tomographie par rayons X de la Figure 30 permet de suivre le frittage de

particules et d’obtenir des images 3D au cours du processus. Seulement la microtomographie, même sur des dispositifs synchrotron, n’est pas encore assez développée en terme de résolution pour observer ces phénomènes au sein d’une distribution nanométrique [88], [89].

Figure 30 : Vue d’une image 3D d’un compact de microparticules de cuivre avant frittage et en début de frittage par microtomographie RX sur faisceau synchrotron [88].

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Une des techniques les plus utilisées pour le suivi de la densification en temps réel est la dilatométrie [90].Cette mesure à l’avantage de pouvoir mesurer la densification du matériau

en fonction de la température et du temps. Sur la Figure 31, le suivi du frittage en direct se

fait par la mesure de la variation de l’axe longitudinal de l’objet étudié en fonction du temps et de la température. Cette mesure permet à l’aide de calculs de remonter à la porosité et au taux de densification du système. Les calculs sont détaillés plus tard dans le chapitre sur le frittage (cf. § V.1.1.). Habituellement, cette technique est employée pour suivre le frittage de pièces épaisses, mais la précision de certains dilatomètres permet de mesurer la densification de fines couches comme dans le cas de joints d’assemblage. Cette méthode permet alors d’observer les effets de la taille des particules sur la densification. De plus les dilatomètres

sont équipés pour appliquer de faibles contraintes uniaxiales dans le but d’observer les effets de la contrainte sur la densification du matériau.

Figure 31 : Cliché et courbes de rétreint obtenues par dilatométrie pour des pâtes d’argent sous formes de pastilles déjà déliantées et pré-frittées, en fonction du temps et de la

température, sans application de contrainte [70].