Revue des méthodes de packaging aux interfaces de premier niveau

Le packaging électronique répond à de nombreuses fonctions, telles que la connexion ou l’isolation électrique, la dissipation thermique, la tenue mécanique et la protection physique des assemblages. Une réponse adaptée à ces exigences passe par une large gamme de procédés. La performance d’un seul transistor de puissance, aussi bien que celle d’un module entier ne dépend pas uniquement des composants électroniques et des circuits, mais également de leur packaging. Nous nous intéresserons ici au cas des circuits hybrides de puissance : assemblages intégrant des composants de natures différentes et dont la dissipation est supérieure à 0,5 W/cm2 environ.

Le packaging électronique commence à l’interface de la puce elle-même (ou circuit intégré), ce qui est considéré comme le premier niveau (chip-level), et englobe les niveaux de packaging supérieurs : le niveau 2, liaison entre le boitier et la carte électronique (board-level), le niveau 3, réalisé autour d’un fond de panier recevant plusieurs cartes et pouvant posséder certaines fonctions collectives telles que l’alimentation et la ventilation, et le niveau 4, qui réalise une machine électronique complète avec toutes les liaisons vers l’extérieur (system-level).

Figure 5. Les différents niveaux de packaging

Le packaging de premier niveau, qui sera au centre de notre intérêt au cours de cette étude, concerne le report d’une ou plusieurs puces nues sur un substrat, leur interconnexion au boîtier et l’encapsulation (Figure 5, Figure 6). Dans les systèmes de l’électronique de puissance, il joue un rôle vital. Il assure en effet la connexion électrique et la dissipation thermique de puces contenant des millions de transistors. Le cahier des charges étant, sur le plan thermique, extrêmement exigeant, les Matériaux d’Interface Thermique (TIM, Thermal Interface Material) font l’objet d’une attention particulière. Le packaging de premier niveau doit également permettre la réalisation de larges sections qui peuvent être nécessaires en interconnexions de puissances car la densité de courant augmente de plusieurs ordres de grandeur au fur et à mesure de la sophistication de l’électronique embarquée. Enfin, la fiabilité de ces interconnexions de premier niveau est essentielle pour assurer une pérennité des systèmes électroniques compatible avec les exigences spatiales.

Figure 6. Photographie d’un hybride mettant en évidence les différents éléments de packaging de premier niveau

1.1.2.1 Techniques de report 1.1.2.1.1 Les colles

Les colles utilisées dans les assemblages électroniques peuvent avoir deux fonctions : structurale ou de positionnement. Les colles conductrices se situent dans ce dernier cas. Le maintien mécanique ne nécessite pas de résistance importante, en revanche elles doivent assurer une conduction thermique et électrique suffisante.

Ce sont généralement des colles à base de polymères époxy chargées qui sont utilisées pour l’assemblage direct de puces. Grâce à leur module d’élasticité très bas, elles présentent l’avantage de diminuer considérablement les contraintes thermomécaniques dans les assemblages de matériaux aux coefficients de dilatation thermique différents (CTE pour Coefficient of Thermal Expansion). D’autres types de polymères, comme le polyuréthane, sont également utilisés.

La contrepartie à l’utilisation de colles est une résistance thermique et électrique relativement importante par rapport aux méthodes de report développées dans la suite (les brasures). Ainsi, on se situe généralement autour de 2-3 W/m.K et 105 S/m pour les conductivités thermique et électrique des colles, valeur à comparer à 58 W/m.K et 6,1x106 S/m pour la brasure or-étain (AuSn) fréquemment utilisée dans l’électronique spatiale.

L’arrivée des composants mettant en jeu des densités de puissance beaucoup plus élevées incite à améliorer les performances des colles, notamment en augmentant le taux de charges conductrices, ce qui a l’inconvénient d’augmenter également leur raideur mécanique et devient problématique pour l'assemblage de pièces de grande surface et pour les grandes variations de température. Les autres limitations des colles conductrices sont une faible tenue au cisaillement, qui diminue

considérablement avec le taux de charge. Par exemple, une colle chargée à 80 % avec des microparticules d’argent voit sa tenue au cisaillement réduite de 80 % par rapport à la matrice non chargée. Par ailleurs, l’utilisation des colles « polymères » ne permet pas toujours de supprimer les problèmes d’incompatibilité de CTE.

Dans certains cas, on observe l’apparition d’un phénomène d’électromigration lié à l'utilisation des charges argent dans un milieu humide. Bien que cette configuration ne devrait pas se rencontrer avec des composants hybrides hermétiques (scellés sous atmosphère sèche et contrôlée), la susceptibilité à l’électromigration doit être vérifiée. Dans certains cas, il devient nécessaire de passer à des colles chargées or, plus couteuses et peu utilisées, en zone hors hybride (c’est-à-dire en environnement non contrôlé). Enfin, les colles, en tant que polymères, sont peu résistantes aux hautes températures [12]. En effet, au-dessus de leur transition vitreuse, qui se situe autour de 80°C pour des colles époxy par exemple, elles passent dans un état caoutchouteux et perdent leurs propriétés mécaniques. Une autre limitation importante reste le dégazage des matériaux polymères. Le Tableau 1 présente les propriétés de conductivité de quelques charges utilisées dans les colles et le nombre de brevets déposés depuis 2004.

Tableau 1. Conductivité électrique et thermique des différentes charges utilisées dans les colles à matrice époxy

Type de charge Conductivité

électrique (S/m)

Conductivité

thermique (W/m.K) Nombre de brevets

Argent 6,29x107 4,26x102 31 Carbone graphite 7,27x104 2,00x103 7 Carbone diamant 1,00x10-11 2,31x103 1 CNT 1,00x105 4,00x102 à2,00x103 12 Cuivre 5,98x107 4,03x102 12 Or 4,26x107 3,20x102 1 Oxyde d’aluminium Al2O3 4,00x10-10 3,60x101 6 Quartz 1,33x10-13 1,10x101 3 Nitrure de bore 1,00x10-12 2,24x102 3 Carbure de silicium 6,67x10-1 4,94x102 1

Cependant, c’est généralement leur faible conductivité qui limite l’utilisation des colles et des efforts ont été engagés, pour améliorer les propriétés des colles chargées. Ainsi, Jia [13], [14] a montré une diminution de la résistivité de certains composites chargés grâce à une meilleure

dispersion des charges par l’éthylène glycol, le glycérol, le diéthylèneglycol. Les charges utilisées étaient des microparticules d’argent, des microparticules de nickel et des fibres de carbone. Cependant ces solvants font augmenter la viscosité des mélanges et rendent la mise en œuvre plus complexe.

Tekce et coll [15] ont mesuré une conductivité thermique de 12 W.m-1.K-1 avec 50% volumiques de cuivre et ont montré la forte influence de la forme et de la taille des charges, mais aussi de leur fraction volumique et de leur arrangement spatial dans la matrice. Pinto [16] a déterminé un seuil de percolation variant entre 23 et 34% volumiques suivant la taille des microparticules quasi- sphériques utilisées pour des colles chargées en aluminium dans du Nylon 6. Wu [17] a cherché à expliquer l’influence de la taille des particules d’Ag sur le seuil de percolation. Kang [12] a montré l’amélioration de la conductivité électrique et des propriétés mécaniques avec des particules de cuivre recouvertes de Sn ou BiSn ayant un point de fusion bas. Une augmentation de la conductivité thermique grâce à des composites SiC-nanotubes de carbone multi-parois (Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNT) fonctionnalisés, a également été montrée [18]. Une augmentation de 60 % de la conductivité thermique avec des charges Al-MWCNTs a aussi été constatée [19]. Xuechun [20] a mis en évidence une augmentation de la conductivité électrique avec l’addition de CNTs pour des colles époxy chargées avec des microparticules d’argent.

De 2004 à 2009, 8 brevets concernant des solutions métal-CNTs pour des colles ou des composites conducteurs électriques et thermiques ont été déposés. De nombreuses études plus récentes s’intéressent à ces solutions mixtes [21], [22].

Nous avons vu que le collage présentait de nombreux avantages : la facilité et la souplesse d'utilisation, la température de polymérisation qui ne dépasse que rarement les 150 °C, une bonne adhérence et résistance mécanique, la possibilité de réparation, le rendement de fabrication élevé et le coût de fabrication réduit, la compatibilité avec l’intégration 3D. Cependant, cette méthode est plutôt utilisée pour les modules de faible puissance, à cause notamment de la faible conductivité électrique et thermique des colles (auxquelles on s’accommode généralement en utilisant de grandes surfaces et de très fines couches). Pour bénéficier de conductivités plus importantes, on se tourne plutôt vers des brasures.

1.1.2.1.2 Les brasures et les pâtes d’argent

Le brasage est un procédé d’assemblage de deux surfaces métalliques à l’aide d’un métal ou alliage d’apport. Le report des puces de puissance, dont la métallisation de la face arrière est généralement terminée par l'or, s'effectue le plus souvent par refusion d'un alliage de brasure tendre (à base d’étain généralement) dans un four à passage sous atmosphère contrôlée.

En plus de sa fonction de conductivité thermique et électrique, la brasure, dont l'épaisseur varie de 50 à 100 µm, joue le rôle de joint de dilatation entre le matériau semi-conducteur des puces et la métallisation du substrat ou le répartiteur thermique (généralement du cuivre ou un alliage). L'opération de brasage des puces est déterminante pour la résistance thermique et pour la fiabilité car la brasure étant intégralement traversée par le flux thermique issu de la puce, toute lacune peut entraîner l'apparition de points chauds préjudiciables au bon fonctionnement du circuit.

Parmi les limitations de la méthode, on peut citer une réparabilité difficile et une grande propreté des surfaces requise pour obtenir un contact de bonne qualité. Un autre problème de fiabilité rencontré, provient du fait que les alliages binaires ou ternaires sont susceptibles d’évoluer d’un point de vue métallurgique durant les variations de température, ce qui peut engendrer l’apparition d’intermétalliques qui vont dégrader les propriétés de la brasure. Les brasures peuvent également poser un problème par rapport aux normes environnementales dans le cas où il existe des difficultés pour s’affranchir des alliages à base de plomb.

On définit les pâtes d’argent comme des suspensions ou solutions de particules qui, à l’inverse des colles, permettent d’obtenir au final un joint purement métallique avec évaporation totale du solvant. Elles sont largement utilisées dans le packaging électronique compte tenu des excellentes propriétés de conductivité thermique et électrique de l’argent [23], [24], [25]. Cependant, l’utilisation de l’argent micrométrique requiert des hautes températures de procédé, bien au-delà de ce qui peut être toléré par les composants.

Des études [26], [27], [28], [29] ont montré que l’application d’une pression externe peut diminuer la température de frittage des pâtes d’argent micrométriques. Par comparaison à d’autres technologies de report, les interconnexions à l’argent présentent l’avantage de former des couches plus uniformes et aussi d’assurer une bien meilleure performance thermique et électrique associée à une haute fiabilité. Des recherches sont actuellement menées pour baisser les températures de procédé vers 250-300°C, ce qui sera comparable à la mise en œuvre d’alliages de brasure tels que l’or-étain par exemple [30].

Ainsi, au cours des dernières années, a été observé un intérêt croissant pour les méthodes de report à basse température avec l’utilisation de métaux très conducteurs tels que Au, Ag, Cu et leurs alliages. Plusieurs solutions d’interconnexion à base de pâtes de nanoparticules d’argent ont été développées [30], [31], [32], [33], avec un notable abaissement de température de mise en œuvre. Au niveau de la synthèse et de la stabilisation de ces nanoparticules, une meilleure efficacité de la méthode utilisant des polyols a été prouvée, par comparaison à la méthode aqueuse [34] responsable d’une distribution hétérogène des nanoparticules qui crée un effet de « marc de café ». Cet effet a pu être minimisé en utilisant un polyol qui favoriserait l’effet de Gibbs-Maragoni (qui consiste en un transfert de masse le long d’une interface entre deux fluides sous l’effet d’un gradient de tension de surface) [35]. La polyvinylpyrrolidone (PVP), utilisée en tant qu’agent protecteur lors de la synthèse, a également une influence sur la taille des nanoparticules et la viscosité de la solution. Les interconnexions obtenues avec des températures de frittage de 250°C et une pression mécanique de 5 MPa résistent à une contrainte de cisaillement de 50 MPA [34], [36]. Dans une étude similaire, des résistances en cisaillement de 20 MPa ont été obtenues pour des assemblages réalisés sans pression [37]. Une autre application à base de nanoparticules Cu-Ag revêtues de polymère vise les opérations d’interconnexion réalisées à moins de 280°C sous 10 MPa de pression mécanique. Le PVP a également été utilisé pour disperser et protéger les nanoparticules. D’autres essais avec des interconnexions à 160°C sous 10 MPa ont montré des résultats convaincants du point de vue de la tenue en cisaillement [38].

Des nanoparticules métal-organiques à base d’argent ont été mises en œuvre à 300°C avec une pression entre 1 et 5 MPa pour joindre deux surfaces de cuivre. Les nanoparticules d’argent de 11 nm, recouvertes d’une couche organique dérivée d’alcool myristique (tétradécanol), ont permis d’atteindre des joints résistant à une force de cisaillement entre 25 et 40 MPa, ce qui présentait une amélioration considérable par rapport aux mêmes essais réalisés au cours de la même étude avec des particules de 100 nm [39].

Des techniques par traitement laser ont également vu le jour. Ainsi, le recuit par laser femtoseconde de nanoparticules d’or et d’argent produit deux effets : la photo-fragmentation à haute intensité (1014 W/cm2) et l’interconnexion entre les particules à des densités de puissance plus basses (1010 W/cm2). La photo-fragmentation forme un grand nombre de nanoparticules de petite taille et assure une bonne interconnexion par la suite entre la plupart des particules [40], [41]. Une autre étude a été menée avec chauffage par laser Nd :YAG sur des nanoparticules d’agent de 5 nm dispersées dans des solvants organiques et mis en œuvre par sérigraphie sur des substrats de cuivre. Le film formé a montré de bonnes caractéristiques d’adhérence sur un substrat en cuivre [42]. Ce type de recuit avec refusion de surface a également été appliqué à la soudure d’aciers à haute résistance et d’alliages de platine, de titane et de nickel [41].

Des méthodes d’interconnexion de fils de cuivre avec des pâtes d’argent et des nanofils ont été mises en œuvre entre 60 et 200°C sans pression extérieure. L’interconnexion est facilitée par la diffusion à l’état solide entre les nanoparticules d’argent et par l’interdiffusion aux interfaces de Cu et d’Ag. L’ajout de nanofils d’argent semble beaucoup plus efficace que celui de nanoparticules, pour améliorer les propriétés mécaniques de joints formés à basse température [43]. Une étude de faisabilité à température ambiante a été faite par la suite avec cette technologie. Des joins résistant à une contrainte de traction de 5,7 MPa ont été réalisés, qui présentent une faible résistivité électrique et sont susceptibles d’être améliorés par l’utilisation de la PVP comme agent dispersant de nanoparticules [44].

Une approche similaire a été mise en œuvre pour travailler avec des nanoparticules de cuivre, a priori moins intéressantes car plus sensibles à l’oxydation dans l’air. Une interconnexion entre des pads en cuivre et des nanofils en cuivre a été réalisée avec succès à 170°C avec les nanoparticules protégées par du PVP et a présenté une faible résistivité électrique [45].

Une interconnexion de CNT avec un alliage eutectique AgxCuy dopé au titane a été réalisée.

L’interconnexion se fait par établissement de liaisons covalentes entre le carbone et le titane [46]. Des nanoparticules d’argent ont également été mises en œuvre pour la réalisation de films minces avec des propriétés plasmoniques ajustables en fonction de la taille des particules. Ainsi, pour une série de films monocouche auto-assemblés (8-20 nm) étudiés sur un substrat en verre, la résonance de plasmon a pu être ajustée entre 500 et 800 nm. Les pics de résonance dépendent fortement de la taille initiale des nanoparticules, mais aussi de l’indice de réfraction du diélectrique environnant. Le contrôle de l’agrégation des nanoparticules permet alors un contrôle des propriétés. Ce processus a été étudié à l’aide d’un modèle aux éléments finis, puis appliqué expérimentalement avec une nette augmentation de l’intensité des pics d’émission dans le domaine visible et le proche infra-rouge

Pour améliorer l’interconnexion de couches non miscibles, l’ajout d’une nanocouche de transition compatible avec les deux matériaux a été proposée. Ainsi, le fer et le magnésium ont été connectés avec succès via une nanocouche de Fe2Al5 dont le réseau cristallographique a été ajusté pour

correspondre aux deux faces. Le joint ainsi obtenu résistait à une force de 4,8 kN, ce qui était comparable à la force d’un joint Mg-Mg. Les deux interfaces ont été qualifiées de semi-cohérentes et le désaccord de réseau cristallographique était de moins de 5% [48].

Des solutions utilisant des nanoparticules sont avantageuses car elles permettent de travailler à plus basse température, nécessitent peu, voire pas, de pression et permettent d’accéder à des conductivités thermiques très élevées (jusqu’à 180 W/m.K [49]). Cependant, leur utilisation présente des inconvénients notables en matière de santé et sécurité.

1.1.2.2 Les substrats et les métallisations

Le substrat désigne l'ensemble constitué d'une plaque isolante (diélectrique) supportant des pistes conductrices sur l'une de ses faces, l'autre face étant destinée à être reportée sur un élément refroidisseur. Il existe deux grandes familles de substrats: les produits organiques ou composites laminés et les produits céramiques. Le choix repose sur divers critères et contraintes : la technologie utilisée, les contraintes électriques liées à l'application, les contraintes mécaniques et thermiques liées à l'environnement et, évidemment, le coût.

Pour les hybrides de puissance, on trouvera des substrats plus spécifiques, tels que le nitrure d'aluminium (AlN) et l’oxyde de béryllium (BeO). LeTableau 2 résume les principales caractéristiques des substrats utilisés.

Tableau 2. Différents matériaux utilisés comme substrats dans les assemblages hybrides de puissance.

Type de substrat Conductivité thermique (W/m.K)

Coefficient de

dilatation (ppm/K) Permittivité relative Alumine 20-28 7,3 8,5 Nitrure d’aluminium _{70-270 4,5 8,8} Oxyde de béryllium 250-300 7,5-9 6,5 Silicium 125 4 Cuivre 400 16-18 CuW 180 7 Ag-diamant 600-1000 5-8 Cuivre-diamant 500-900 5-8 Cuivre-molybdène 160-185 7-9 Aluminium 210 23

Pour les circuits électroniques de puissance, les diélectriques doivent avoir une bonne conductivité thermique et un faible facteur de perte. Les conducteurs doivent avoir une section suffisante pour passer le courant (métallisation épaisse), et des caractéristiques thermomécaniques proches de celles des composants qu'ils supportent.

La réalisation des pistes conductrices sur les substrats, peut s'effectuer de plusieurs manières [50]. Les dépôts en couche mince permettent de réaliser des motifs très fins, avec une excellente définition des bords de ligne et une facilité de réalisation de fonctions passives (capacités, inductances, lignes) avec des caractéristiques précises. Ils comprennent les techniques suivantes: gravure sélective des couches conductrices et résistives, gravure ionique (ou gravure sèche), dépôt sous vide et dépôt électrolytique, photolithographie simple et double face. En contrepartie, ces procédés précis ne permettent pas toujours d'obtenir des métallisations suffisamment épaisses pour les besoins de la puissance.

Les dépôts en couche épaisse ou sérigraphie permettent de déposer successivement des matériaux conducteurs, diélectriques ou isolants, avec une facilité de mise en œuvre et une forte densité d'intégration. Ils consistent en l’application, puis le recuit à haute température (900°C), d’une pâte ou une encre, après masquage du reste de la surface. La limitation de cette méthode est une résolution de gravure moyenne et une conductivité des pâtes et des encres relativement basse.

Le circuit imprimé sur des substrats organiques est un procédé très utilisé grâce à son faible coût et à sa facilité de mise en œuvre, mais il présente des limitations, notamment au niveau des possibilités de miniaturisation et de la tenue en température.

Les substrats céramiques multicouches LTCC ou HTCC (Low ou High Temperature Cofired Ceramic) permettent l'association de différentes fonctions (dépôts de céramique, polyamide, téflon, etc. dans lesquels les motifs conducteurs et les éléments passifs sont déposés), mais ce procédé présente un coût relativement élevé et vise les applications haute fiabilité pour des environnements extrêmes.

1.1.2.3 Le câblage et l’encapsulation

Figure 7. Câblage d'une puce par ball-bonding

Une fois les puces reportées, pour qu'un circuit intégré soit utilisable, il faut qu'il soit électriquement relié au niveau de packaging suivant. Ce niveau est généralement le boîtier unitaire mais, pour certaines applications et notamment en RF, il peut s'agir de substrats hybrides ou, de plus en plus, de substrats organiques ayant subi des traitements adaptés.

La technologie traditionnelle dans l’électronique de puissance est l’interconnexion filaire. Ceci est principalement dû au fait que cette technologie accommode facilement des changements de design de packaging avec le minimum de modifications et un coût bas. Deux technologies sont