Lois de comportement des matériaux utilisés dans les contacts électriques pour application " flip chip "

Behaviour laws of materials used in electrical contacts for « flip chip » technologies

• Auteur / Autrice : David Mercier
• Direction : Yves Bréchet, Vincent Mandrillon, Marc Verdier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 25/11/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire en science et ingénierie des matériaux et procédés - Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés / SIMaP - Commissariat à l'énergie atomique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Roland Fortunier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bréchet, Vincent Mandrillon, Marc Verdier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Barthel, Sophie Noël

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique du contact

Nanoindentation

Mots clés libres

Nanoindentation

Microinsertion

Poinçon plat

Mécanique du contact

Contact électrique

Aluminium

Alumine

Nickel ECD

Films minces

Multicouche

Fissuration

Simulation en éléments finis

Nanoindentation

Microinsertion

Flat punch

Contact mechanics

Electrical contact

Aluminium

Alumina

Nickel ECD

Thin films

Multilayer

Fracture

Finite element modeling

Résumé

Dans le cadre de l'intégration « 3D », une technologie d'assemblage par report de puces sur tranche de silicium (« flip chip ») reposant sur un procédé de microinsertion a été développée ces dernières années. Cette technologie est basée principalement sur la mise en contact par thermocompression, de réseaux de (micro)inserts en Nickel ECD, avec des plots de connexions métalliques en Al(Cu). Au cours de ce travail, un scénario de formation du contact entre un unique microinsert de Nickel rugueux et un film mince d'Aluminium lisse, prenant en compte la présence d'Alumine native à l'interface de contact, est proposé pour une gamme de pressions allant du MPa au GPa. L'analyse du contact métal-oxyde-métal se base essentiellement sur la fissuration de l'oxyde natif suivie de l'extrusion du métal au travers des fissures, et nécessite d'établir au préalable les lois de comportement des matériaux mis en jeu à partir d'essais de nanoindentation instrumentée couplés à des simulations numériques. Enfin, la mesure de l'évolution de la résistance électrique de contact en fonction de la force appliquée à l'aide de dispositifs expérimentaux originaux, permet de mettre en évidence les différents mécanismes de formation du contact métallique lors du procédé de microinsertion.

In the field of « 3D » microelectronic integration, a wafer level technology using flip chip stacking and based on a microinsertion process has been developed recently. This technology is mainly based on the contact realized by thermocompression between a network of microinserts made of Nickel ECD, with connections pads in Al(Cu). In this work, a scenario describing the contact establishment between a unique rough microinsert of Nickel and a smooth thin Aluminum film taking into account the presence of native Alumina at the contact interface, is developed for a range of pressures from MPa to GPa. The analysis of the metal-oxide-metal contact is essentially based on the fracture of the native oxide followd by the metal extrusion through cracks, and requires the knowledge of the behaviour laws of materials, obtained from instrumented nanoindentation tests coupled with numerical modeling. Finally, the measure of the electrical contact resistance evolution in function of applied load, with specific pioneering experimental setup, showcases the mechanisms driving the formation of metallic contact during the microinsertion process.