Etude et caractérisation d'interconnexions intermétalliques à partir de plot de cuivre et d'alliage SnAgCu pour l'empilement tridimentionnel de composants actifs

Study and characterization of intermetallics interconnections as CuSn for 3D stacking components application

• Auteur / Autrice : Julien Bertheau
• Direction : Fiqiri Hodaj, Jean Charbonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 26/03/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Tédenac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fiqiri Hodaj, Jean Charbonnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Krzysztof Wolski, Christophe Girardeaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés intermétalliques

Mots clés libres

Interconnexion

Intermetallique

Integration 3D

Pillier de cuivre

Interconnection

Intermetallic

3D integration

Copper pillars

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 tridimensionnel de composant actif se présente comme une voie d'intégration alternative à la loi de Moore. Selon cette stratégie, les composants sont interconnectés selon l'axe verticale au moyen de plots de cuivre et d'un alliage à base d'étain (SnAgCu). L'assemblage est alors réalisé par un brasage eutectique de l'alliage SnAgCu qui génère une formation de composés intermétalliques (Cu6Sn6 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 microcavités de type trous Kirkendall susceptibles d'être à l'origine de ruptures d'interconnexions notée lors de tests de vieillissement. Ce mémoire est consacré à la caractérisation métallurgique du système d'interconnexion par brasage dont les dimensions sont celles des prototypes actuels c'est-à-dire 25µm. L'étude se concentrera successivement sur les aspects relatifs à la microstructure de l'alliage SnAgCu, à la réactivité interfaciale des systèmes Cu/SnAgCu et Ni/SnAgCu puis à la fiabilité mécanique du système d'interconnexion. Ces thématiques seront investiguées en fonction de la contrainte thermique et au cours des différentes étapes d'intégration jusqu'à l'assemblage de composant. Le caractère critique de la problématique réside dans le fait que les dimensions du système, déjà faibles, ont vocation à se réduire, rendant de plus en plus importante la proportion du volume de l'alliage occupée par ces formations interfaciales.

Technological roadmap of the microelectronic industry is mainly described by Moore'slaw which aims a constant reduction of transistors size. Three-dimensional integration ofactive chips appears more and more as an alternative way to Moore's law. According to thisstrategy, chips are interconnected along the vertical axis thanks to copper pillars and a tinbased alloy (SnAgCu).The joining is then performed through eutectic bonding using aSnAgCu solder alloy which is at the origin of intermetallic compounds growing at the copperalloy interface. These intermetallic compounds are sometimes described in literature asweakening factor of the interconnection mechanical reliability. Moreover this interfacialreactivity leads also to the formation of Kirkendall microvoids potentially causinginterconnections breakings, mostly noticed during ageing tests.This report is dedicated to the study and metallurgical characterization of theinterconnection system with a size close to that of the actual prototypes which is 25μm. Thestudy is successively focused on SnAgCu alloy microstructure, Cu/SnAgCu and Ni/SnAgCuinterfacial reactivity and on the mechanical reliability of interconnection system. These topicsare investigated in function of thermal constraints and during different integration steps untilchips packaging. The main critical aspect is related to the fact that system dimensions, alreadysmall, are planned to be reduced, leading to a more important proportion of the solder alloyconsumed by interfacial reaction.