Etude de l'inter-diffusion Cu-Sn lors du procédé SLID (Solid Liquid Interdiffusion) en microélectronique de puissance

par Yousra Bettahi

Thèse de doctorat en Génie mécanique et productique

Sous la direction de Caroline Richard et de Laurent Barreau.

Soutenue le 26-11-2019

à Tours , dans le cadre de École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire) , en partenariat avec Laboratoire GREMAN (Tours) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Marc Lethiecq.

Le jury était composé de Rajashekhara Shabadi.

Les rapporteurs étaient Delphine Retraint, Hamid Zaïdi.


  • Résumé

    Depuis l’instauration de la directive européenne RoHS (Restriction of Hazardous Substances) visant à limiter l’utilisation des substances dangereuses en électronique, il est nécessaire de trouver une alternative aux procédés de fabrication standards. Le plomb est concerné par cette restriction. Actuellement, l’industrie de la microélectronique se base sur les brasures en plomb afin de réaliser les interconnexions lors de la fabrication des boîtiers de puissance. En effet, les brasures à base de plomb représentent un bon compris entre rigidité et malléabilité. Elles sont suffisamment rigides pour assurer la liaison et suffisamment malléables pour absorber les chocs et les changements de volume durant le fonctionnement des boitiers de puissance. Afin de réaliser la transition vers une industrie sans plomb, il est important de lui trouver un remplaçant et mettre au point un procédé de brasage adapté. Les brasures en or ou bien en argent représentent de bonnes alternatives mais ont un coût de fabrication très élevé. Ce travail de recherche a été mis en place afin de maîtriser, au sein de ST Microelectronics, un procédé de brasage à base d’étain (Sn) particulier soit le procédé SLID (Solid Liquid Interdiffusion), procédé bien adapté à la microélectronique. Grâce à l’inter diffusion entre le cuivre et l’étain, il assure la formation d’intermétalliques Cu6Sn5 et Cu3Sn durs mais cependant fragiles. Ce travail consiste donc à optimiser les paramètres du procédé SLID afin d’obtenir des brasures les plus robustes possibles. Pour ce faire, un plan d’expériences tenant compte des paramètres les plus pertinents comme la température, le temps et l’atmosphère de brasage, a été mis en place. Les principaux résultats obtenus montrent que les joints formés ont une épaisseur très faible (3-4μm), en revanche, ils sont très résistants. Leur tenue mécanique a été évaluée grâce à un test de cisaillement (Die Shear) ainsi que leur fiabilité lors de cyclages thermiques suivant deux gammes de température différentes : de -55°C à +150°C et de -65°C à +250°C. Chaque gamme est adaptée à une application industrielle spécifique (automobile, aéronautique, biens de consommation). Des mesures de contraintes internes ainsi qu’une étude microstructurale visant à comprendre l’évolution des joints de brasures lors du procédé SLID et au cours du fonctionnement du composant électronique ont été mises en oeuvre.

  • Titre traduit

    Study of Cu-Sn interdiffusion during the SLID (Solid Liquid Interdiffusion) process in power microelectronics


  • Résumé

    Since the introduction of the European RoHS (Restriction of Hazardous Substances) directive to limit the use of hazardous substances in electronics, it is necessary to find an alternative to standard manufacturing processes. Lead i affected by this restriction. Currently, the microelectronics industry relies on lead solder to make interconnections during the manufacture of power semi-conductors. Indeed, lead-based soldering represents a good balance between rigidity and malleability. They are rigid enough to provide the connection and malleable enough to absorb shocks and volume changes during power box operation. In order to make the transition to a lead-free industry, it is important to find a replacement and develop a suitable soldering process. Gold or silver soldering are good alternatives but have a very high manufacturing cost. This research work was set up in order to carry out a soldering process based on tin (Sn). The SLID (Solid Liquid Interdiffusion) process is a process adapted to microelectronics. Thanks to the interdiffusion between copper and tin, it ensures the formation of hard but fragile Cu6Sn5 and Cu3Sn intermetallics. This work consists in particular in optimizing the parameters of the SLID process in order to obtain the most robust solderings possible. To do this, an experimental design wa developed that took into account the most relevant parameters such as temperature, time and soldering atmosphere. The formed joints have a very thin thickness (3-4μm), on the other hand, they are very resistant. We tested their mechanical resistance thanks to the shear test (Die Shear) as well as their reliability during cyclic thermal stresses according to two different thermal cycling ranges: from -55°C to +150°C and from -65°C to +250°C. Each range is adapted to a different industrial application. We carried out internal stress measurements and a microstructural study to understand the evolution of solder joints during the SLID process and the operation of the electronic component.

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