Caractérisation expérimentale et simulation physique des mécanismes de dégradation des interconnexions sans plomb dans les technologies d’assemblage a trés forte densite d’intégration « boitier sur boitier »

• Auteur / Autrice : Wei Feng
• Direction : Hélène Fremont, Frédéric Verdier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 26/03/2010
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geneviève Duchamp, Nathalie Labat, Alexandre Val, Kirsten Weide-Zaage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Collot, Jean-Pierre Landesman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mise sous boîtier (microélectronique)

Électrodiffusion

Mots clés libres

PoP (Package-on-Package)

Gauchissement thermomécanique

Gauchissement hygromécanique

Cycles thermiques

Électromigration

PoP (Package-on-Package), thermomechanical warpage, hygromechanical warpage, thermal cycling, electromigration

Résumé

Les assemblages PoP pour « Package on Package » permettent d’augmenter fortement la densité d’intégration des circuits et systèmes microélectroniques, par superposition de plusieurs éléments semi-conducteurs actifs. Les interconnexions internes de ces systèmes sont alors soumises à des contraintes jamais atteintes. Nous avons pu identifier, caractériser, modéliser et simuler les mécanismes de défaillance potentiels propres à ces assemblages, et leur évolution : • Les gauchissements dans la phase d’assemblage du « PoP » et ses contraintes thermomécaniques sont plus importants que ceux de chacun des composants individuels. Un modèle analytique original a été construit et mis en ligne afin d’évaluer a priori ce gauchissement. • Les comportements hygroscopiques et hygromécaniques sont simulés et mesurés par une approche originale. L’assemblage « PoP » absorbe plus d’humidité que la somme des deux composants individuels, mais son gauchissement hygromécanique et ses contraintes hygromécaniques sont moins élevées. • Deux types d’essais de vieillissement accéléré sont réalisés pour étudier la fiabilité du « PoP » assemblé sur circuit imprimé : des cycles thermiques et des tests sous fort courant et température élevée. Dans ces deux types d’essais, l’assemblage d’un composant « top » sur un autre composant « bottom » pour former un PoP augmente les risques de défaillances. • L’évolution de la microstructure selon le type de vieillissement est comparée par des analyses physiques et physico-chimiques. Les fissures sont toujours situées dans l’interface substrat/billes, qui correspond aux zones critiques prédites par les simulations.

The assemblies PoP (Package on Package) can greatly increase the integration density of microelectronic circuits and systems, by vertically combining discrete semiconductor elements. The interconnections of these systems suffer the stresses never reached before. We were able to identify, characterize, model and simulate the potential failure mechanisms of these assemblies and their evolution: • The warpage in the assembly phase and thermomechanical stress of "PoP" are more serious than the individual components. An original analytical model has been built and put online for pre-estimating this warpage. • The hygroscopic and hygromechanical behaviors are simulated and measured by an original method. The assembly "PoP" absorbs more moisture than the sum of the individual components, but its hygromechanical warpage and stress are smaller. • Two types of accelerated aging tests are performed to study the reliability of "PoP" at the board level: the thermal cycling and the testing under current and temperature. In both types of tests, assembly a component "top" on another component "bottom" to form a “PoP” increases the risk of failure. • The microstructure evolution depending on the type of aging is compared by the physical and physico-chemical analysis. The cracks are always located in the interface substrate/balls, which corresponds to the critical areas predicted by the simulations.