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HAL Id: tel-01237276 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01237276 Submitted on 3 Dec 2015 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude et caractérisation d’interconnexions intermétalliques à partir de plot de cuivre et d’alliage SnAgCu pour l’empilement tridimentionnel de composants actifs Julien Bertheau To cite this version: Julien Bertheau. Etude et caractérisation d’interconnexions intermétalliques à partir de plot de cuivre et d’alliage SnAgCu pour l’empilement tridimentionnel de composants actifs. Matériaux. Université de Grenoble, 2014. Français. NNT : 2014GRENI043. tel-01237276 THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité : Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Julien BERTHEAU Thèse dirigée par Fiqiri HODAJ et co-encadrée par Jean CHARBONNIER préparée au sein des Laboratoires SIMaP et CEA-LETI dans l'École Doctorale I-MEP2 Etude et caractérisation d'interconnexions intermétalliques à partir de plots de cuivre et d'alliages SnAgCu pour l'empilement tridimensionnel de composants actifs Thèse soutenue publiquement le 26 Mars 2014 devant le jury composé de : M. Christophe GIRARDEAUX Professeur à l'Université d'Aix-Marseille, Rapporteur M. Krzysztof WOLSKI Directeur de Recherche à l'Ecole des Mines de Saint-Etienne, Rapporteur M. Jean-Claude TEDENAC Professeur à l'Université de Montpelier 2, Examinateur M. Nicolas HOTELLIER Ingénieur à STMicroelectronics, Examinateur M. Jean Charbonnier Ingénieur au CEA de Grenoble, Co-encadrant M. Fiqiri HODAJ Professeur à Grenoble INP, Directeur Table des matières Introduction générale...............................................................................................................1 Chapitre 1 Alliage de type Sn-Ag-Cu (SAC): contexte industriel et état de l'art bibliographique.........................................................................................................................3 1. Introduction...........................................................................................................................4 2. Du circuit intégré planaire vers l’intégration 3D de composants..........................................4 2.1. Objectifs historiques de l’industrie de la microélectronique.........................................4 2.2. Limitation du circuit intégré planaire. ..........................................................................5 2.3. Le packaging en microélectronique ..............................................................................6 2.4. Introduction à l’intégration 3D .....................................................................................7 2.4.1. Le câblage unitaire de puces...............................................................................7 2.4.2. Le wafer level packaging....................................................................................7 3. Mise en interconnexion tridimensionnelle des composants par brasage d’alliage...............9 3.1. Du « solder ball » vers le « micro-bump » ....................................................................9 3.2. De l’alliage Sn-Pb vers l’alliage Sn-Ag-Cu.................................................................11 4. Alliage de type SAC...........................................................................................................12 4.1. Diagrammes d'équilibre de phases...............................................................................12 4.1.1. Diagrammes d'équilibre de phases binaire........................................................12 4.1.2. Systèmes ternaires.............................................................................................13 4.2. Microstructure de solidification...................................................................................16 4.2.1. Solidification des alliages binaires Sn-Ag et Sn-Cu.........................................16 4.2.2. Solidification des alliages ternaires Sn-Ag-Cu riche en étain...........................16 4.2.3. Influence de différents paramètres sur la microstructure de l'alliage................17 4.3. Conclusion. .................................................................................................................24 5. Interaction alliage de brasure/ substrat................................................................................24 5.1. Réactivité interfaciale entre un substrat cuivre et un alliage base étain......................24 5.1.1. Système Cu-Sn(solide)..........................................................................................24 5.1.2. Système Cu-Sn(liquide).........................................................................................28 5.1.3. Système Cu-SnAgCu........................................................................................31 5.1.4. Influence de l'ajout d’éléments additionnels dans le système...........................32 5.2. Réactivité interfaciale entre un substrat nickel et un alliage base étain.......................33 5.2.1. Système Ni-Sn(solide)..........................................................................................34 5.2.2. Système Ni-Sn(liquide).........................................................................................34 5.2.3. Influence de l'ajout d'autres éléments dans la brasure sur la cinétique de croissance des couches réactionnelles..................................................................37 6. Etude du système métallurgique transposé au micro-bump................................................38 6.1. La dimension du système.............................................................................................38 6.2. La nature des traitements thermiques subis par le système.........................................40 7. Fiabilité des joints de brasure avec UBM...........................................................................41 7.1. Introduction..................................................................................................................41 7.2. Type de test mécanique ...............................................................................................42 7.3. Test en cisaillement .....................................................................................................42 7.4. Incidence de la chimie de brasure et des traitements thermiques ...............................44 7.5. Conclusion...................................................................................................................44 8. Conclusion..........................................................................................................................45 Chapitre 2 Véhicule tests, intégration et moyens de caractérisations................................47 1. Introduction.........................................................................................................................48 2. Véhicules test support de l’étude........................................................................................48 2.1. Véhicule test Div1........................................................................................................48 2.2. Limitation du véhicule test Div1..................................................................................50 2.3. Conception du véhicule test Alto.................................................................................52 3. Les micro-bumps et micro-pillars, procédé de Synthèse....................................................54 3.1. Introduction..................................................................................................................54 3.2. Détail du procédé d’élaboration du micro-bump ........................................................55 3.3. Principales optimisations du procédé...........................................................................57 3.3.1. Enchainement de la gravure de la couche d’accroche (Ti/Cu) et du reflow.....57 3.3.2. Etude de l'impact du flux..................................................................................58 3.3.3. Sensibilité au vieillissement de la solution d'électrolyse...................................58 3.4. Traitement thermique et fusion de l’alliage SAC .......................................................59 3.4.1. Fonction du recuit..............................................................................................59 3.4.2. Paramètres de l'étape de reflow.........................................................................60 3.4.3. Influence du type de four...................................................................................61 3.5. Détail du procédé d’élaboration de la brique micro-pillar ..........................................63 3.6. Problématique liée au développement du procédé.......................................................64 3.6.1. Sur l'utilisation de flux......................................................................................64 3.6.2. Optimisation procédé sur les couches d'accroches............................................64 4. Procédé d’élaboration du brasage eutectique .....................................................................65 4.1. Procédé de réalisation du report de puce (flip chip)....................................................65 4.2. Problématique liée à la présence d'underfill................................................................65 4.2.1. La thermo-compression.....................................................................................66 4.2.2. Limitation de la thermo-compression................................................................67 4.2.3. Approche four-à-passage...................................................................................67 5. Dispositifs expérimentaux et méthodologie de caractérisation...........................................67 5.1. Introduction .................................................................................................................67 5.2. Calorimétrie différentielle à balayage .........................................................................68 5.3. Protocole de préparation d'échantillon.........................................................................68 5.4. Spectroscopie de rayonnements-X dispersive en énergie............................................69 5.5. Test de cisaillement (shear test) ..................................................................................71 6. Technique de tomographie par projection au synchrotron (ESRF) ...................................72 6.1. Introduction .................................................................................................................72 6.2. préparation échantillon ................................................................................................72 6.3. Principe de la tomographie par projection .................................................................73 6.4. Reconstruction.............................................................................................................73 7. Conclusion..........................................................................................................................74 Chapitre 3 Métallurgie des micros-bumps.........................................................................75 1. Introduction.........................................................................................................................76 2. Etude microstructurale........................................................................................................77 2.1. Introduction..................................................................................................................77 2.2. Etat initial du système après le dépôt électrolytique de l'alliage de brasure................77 2.3. Etude par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) de la fusion et solidification de l'alliage SAC................................................................................................................79 2.3.1. Introduction......................................................................................................79 2.3.2. Etude par DSC...................................................................................................80 2.3.3. Conclusion.........................................................................................................83 2.4. Microstructure de solidification...................................................................................84 2.4.1. Introduction.......................................................................................................84 2.4.2. Microstructure après un reflow.........................................................................84 2.4.3. Influence de différents paramètres sur la microstructure de solidification.......86 2.5. Conclusion...................................................................................................................89 3. Etude du système interfacial ..............................................................................................89 3.1. Introduction..................................................................................................................89 3.2. Interaction entre l'alliage SAC liquide et le cuivre solide...........................................90 3.2.1. Etat initial de l'interface Cu/SAC après le dépôt (interaction à l'état solide)....90 3.2.2. Interaction entre l'alliage SAC liquide et le cuivre solide dans le cas de micro- bumps de diamètre égale à 25µm.........................................................................91 3.2.3. Comparaison de la réactivité interfaciale Cu/SACliquide dans le cas du micro- bump de diamètre 25µm et du bump face arrière de diamètre 80µm.................103 3.2.4. Mouillage réactif des parois verticale..............................................................105 3.3. Interaction entre l'alliage SAC et le nickel solide pour des micro-bump de diamètre 25µm..........................................................................................................................107 3.3.1. Etat initial de l'interface Ni/SAC après dépôt..................................................107 3.3.2. Interaction entre l'alliage SAC liquide et le nickel solide...............................108 3.4. Conclusion................................................................................................................112 4. Résistance mécanique des micro-bumps de diamètre 25µm............................................112 4.1. Introduction................................................................................................................112 4.2. Cisaillement de micro-bumps ayant subi un reflow - Impact de la vitesse de cisaillement................................................................................................................112 4.2.1. Profil des courbes force de déplacement - cisaillement .................................112 4.2.2. Evolution de la force de cisaillement avec la hauteur de cisaillement............114 4.2.3. Examen des faciès de rupture..........................................................................114 4.3. Cisaillement de micro-bumps ayant subi un maintien isotherme à 240°C................117 4.3.1. Evolution de la force de cisaillement avec la hauteur de cisaillement............117 4.3.2. Examen des faciès de rupture..........................................................................118 4.3.3. Analyse des résultats.......................................................................................119 4.4. Conclusion.................................................................................................................121 5. Conclusion........................................................................................................................121 Chapitre 4 Etude et caractérisation du système reporté..................................................123 1. Introduction ....................................................................................................................124 2. Diagramme d'équilibre de phase et réactivité interfaciale .............................................124 2.1. Diagrammes d'équilibre de phases ............................................................................124 2.1.1. Description du système binaire Au-Sn............................................................124 2.1.2. Diagrammes de phases ternaires ....................................................................125 2.2. Réactivité interfaciale ...............................................................................................126 2.2.1. Réactivité dans le système Au-Sn...................................................................126 2.2.2. Implication de l'ajout du nickel et du cuivre...................................................128 2.3. Conclusion.................................................................................................................129 3. Caractérisation morphologique du système d'interconnexion........................................130 3.1. Système Cu/Ni/Au//SAC/Cu (eAu = 800nm, test Div1).............................................130 3.1.1. Introduction)....................................................................................................130 3.1.2. Caractérisation après assemblage....................................................................130 3.1.3. Caractérisation après deux reflows successifs à l'assemblage........................135 3.1.4. Caractérisation après quatre reflows successifs à l'assemblage......................137 3.1.5. Caractérisation après test de vieillissement.....................................................138 3.2. Système Cu/Ni/Au//SAC/Cu et Cu/Ni/Au//SAC/Ni/Cu (eAu = 200nm, test Alto)....140 3.2.1. Introduction.....................................................................................................140 3.2.2. Caractérisation après assemblage du système Cu/Ni/Au//SAC/Cu................140 3.2.3. Caractérisation après assemblage du système Cu/Ni/Au//SAC/Ni/Cu...........142 3.3. Conclusion.................................................................................................................144 4. Caractérisation électrique et de fiabilité du système d'interconnexion...........................144 4.1. Système Cu/Ni/Au//SAC/Cu (eAu = 800nm, test Div1) ............................................144 4.1.1. Test en cisaillement sur système de puces reportées......................................144 4.1.2. Caractérisation électrique au cours de différentes étapes de reflows..............148 4.1.3. Caractérisation après test de vieillissement.....................................................150 4.2. Système Cu/Ni/Au//SAC/Cu et Cu/Ni/Au//SAC/Ni/Cu (eAu = 200nm, test Alto) ...151 4.2.1. Impact du diamètre d'interconnexion..............................................................151 4.2.2. Impact des tests de fiabilité.............................................................................153 4.2.3. Impact de l'ajout de nickel..............................................................................154 4.2.4. Conclusion......................................................................................................154 5. Conclusion......................................................................................................................155 Conclusion générale..............................................................................................................157 Références..............................................................................................................................161 Annexes..................................................................................................................................170 Résumé Les objectifs technologiques de l'industrie de la microélectronique sont largement dictés par la loi de Moore qui vise une réduction permanente de la taille des transistors. Depuis peu l'intégration tridimensionnelle de composants actifs se présente comme une voie d'intégration alternative à la loi de Moore. Selon cette stratégie, les composants sont interconnectés selon l'axe vertical au moyen de plots de cuivre et d'un alliage à base d'étain (SnAgCu). L'assemblage est alors réalisé par brasage eutectique avec l'alliage SnAgCu qui génère une formation de composés intermétalliques (Cu6Sn5 et Cu3Sn) à l'interface entre les plots de cuivre et l'alliage. Or, ces composés intermétalliques sont parfois décrits dans la littérature comme facteur affaiblissant la fiabilité mécanique de l'interconnexion. Par ailleurs cette réactivité interfaciale s'accompagne de l'apparition de microcavités de type trous Kirkendall susceptibles d'être à l'origine de ruptures d'interconnexions observées lors de tests de vieillissement. Ce mémoire est consacré à l’étude et à la caractérisation métallurgique du système d'interconnexion par brasage dont les dimensions caractéristiques sont celles des prototypes actuels c'est-à-dire 25µm. L'étude se concentre successivement sur les aspects relatifs à la microstructure de l'alliage SnAgCu, à la réactivité interfaciale des systèmes Cu/SnAgCu et Ni/SnAgCu et à la fiabilité mécanique du système d'interconnexion. Ces thématiques sont investiguées en fonction de la contrainte uploads/Ingenierie_Lourd/ bertheau-2014-archivage.pdf