L'impression 3D polymère appliquée au packaging en microélectronique

3D printing technologies for Electronic devices packaging

• Auteur / Autrice : Gabrielle Aspar
• Direction : Léa Di Cioccio, Yves Bréchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 01/02/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Roland Fortunier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Blandin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Contreras, Alain Bernard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Microélectronique

Mots clés libres

Packaging

Microélectronique

Fabrication additive

Adhésion

Polymère

Sciences des matériaux

Packaging

Microelectronics

Additive manufacturing

Adhesion

Polymer

Material science

Résumé

Afin de répondre aux exigences industrielles, aux besoins environnementaux ainsi qu’aux contraintes de fonctionnement, les composants électroniques doivent être protégés et interconnectés avec les autres éléments du système. Cette étape est appelée « Packaging ». Cependant, les technologies de packaging classiques, telles que le scellement de boitier, le brasage ou le moulage, sont généralement limitées au niveau de la géométrie du boitier, des interactions matières et ont un impact significatif sur le coût et la complexité de l’encapsulation. De plus, ces techniques sont peu évolutives au cours du développement de produit. En effet, la technique de packaging doit être définie dès le début de la conception du produit, en fonction du composant à encapsuler et des performances attendues. Le choix du mode d’encapsulation conditionne ainsi le processus de réalisation et d’assemblage du système.Dans cette thèse, une nouvelle approche du packaging, plus simple, plus flexible et moins coûteuse, est présentée. La fabrication additive, plus connue sous le nom d’impression 3D, permet de construire un packaging personnalisé, parfaitement adapté aux dimensions et spécifications des composants. Cette approche, simplifie le procédé d’encapsulation en fusionnant les différentes étapes de fabrication du boitier, de mise en place et d’étanchéité. De plus, elle permet également d’encapsuler facilement des composants déjà existants (composant sur étagère, du commerce).Afin de valider la faisabilité d’un packaging directe par fabrication additive, cette étude s’est tenue à un objectif principal : comprendre les mécanismes d’adhésion physico-chimiques (mécanique, chimie, …) mis en jeu entre un polymère ABS imprimé par fabrication additive et un substrat. Pour cela, plusieurs axes de recherches ont été développés, tels que :- Le choix du procédé de fabrication additive, basé sur l’adhésion du polymère imprimé sur substrat et la résolution du procédé. Cet axe, nous a permis de sélectionner la stéréolithographie (technique de fabrication reposant sur la polymérisation localisée de résine spécifique, réactive aux UV).- Les mécanismes d’adhésion entre un polymère ABS et un substrat. Cet axe, basé sur la connaissance des matériaux, leurs caractérisations chimiques ainsi que la caractérisation physique de l’adhérence, a permis de comprendre les mécanismes d’adhésion mis en jeux lors d’une impression directe sur substrat.- Des études pour améliorer l’adhérence, basées sur différentes chimies (organique, métalliques, inorganique) et topographies de surfaces (rugosité de surfaces, texturations de surfaces réalisées par découpe partielle ou gravure).- La réalisation d’un démonstrateur opérationnel, basé sur l’encapsulation directe d’une puce avec un routage conducteur et des interconnexions électriques. Cet axe nous a permis de valider la compatibilité de l’encapsulation par impression 3D avec un composant électronique.En conclusion, notre étude démontre que l’encapsulation des dispositifs de microélectronique à base de silicium peut être réalisée par de nouvelles techniques, notamment celles de fabrications additives.

In order to answer to industrial requirements and to withstand environment and functioning stresses, electronic components have to be packaged. State of the art of packaging technologies, such as lid sealing, brazing and molding, usually presents shape limitations, material issues and significant cost impact. Moreover, those technics have to be specified at the beginning of the product design in order to fit with the whole package and assembly processes, without decreasing the device performances.A new approach used to build a specific packaging allowing flexibility, simplicity and cost competitiveness is presented. Using the polymer additive manufacturing, more usually known as 3D printing, we propose to build customized structures and packages perfectly fitting with component dimensions and specifications. This approach simplifies the packaging process by merging the steps of package manufacturing, die encapsulation onto its substrate, and sealing. Moreover, it permits to easily package and encapsulate components off-the-shelf.In order to validate the feasibility of direct packaging by additive manufacturing, this study focused on a main objective: to understand the physical and chemical adhesion mechanisms (mechanics, chemistry, ...) involved between an ABS polymer printed by additive manufacturing and a substrate. For this, several research axes have been developed, such as :- The choice of additive manufacturing process, based on the adhesion of the printed polymer on the substrate and the resolution of the process. This axis allowed us to select the stereolithography process (manufacturing technique based on polymerization of specifics UV-reactive resins).- The adhesion mechanisms between an ABS polymer and a substrate. This axis, based on materials knowledge, their chemical characterizations and physical characterization of the adhesion, leads us to understand the adhesion mechanisms that occurred during a direct printing on substrate.- Studies to improve adhesion, based on different chemistries (organic, metallic, inorganic) and surfaces topographies (roughness, surface patterns obtained by partial dicing or chemical etching).- The realization of an operational prototype, based on the direct encapsulation of a chip with a conductive routing and electrical interconnections. This axis allowed us to validate the compatibility of 3D printing encapsulation with an electronic component.In conclusion, our study demonstrates that the encapsulation of silicon-based microelectronic devices can be achieved by new techniques, including additive manufacturing.