Développement d'une formulation à base de nanocubes d'argent pour l'interconnexion de composants électroniques par frittage basse température

Development of a silver nanocubes-based formulation for semi-conductor integration by low temperature sintering

• Auteur / Autrice : Maxime Bronchy
• Direction : Mona Tréguer-Delapierre, Étienne Duguet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 20/05/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mona Tréguer-Delapierre, Étienne Duguet, Caroline Salzemann, Cyril Buttay, Laurent Mendizabal, Jean-Marc Heintz, Daniel Bellet, Céline Feautrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Salzemann, Cyril Buttay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composants électroniques

Composés inorganiques

Métallurgie des poudres

Semiconducteurs

Mots clés libres

Argent

Nanoparticules

Frittage

Basse température

Sans pression

Packaging électronique

Silver

Nanoparticles

Sintering

Low-temperature

Pressureless

Electronic packaging

Résumé

Le packaging des composants à semi-conducteurs représente aujourd'hui une part importante de la rechercheet du développement de microsystèmes électroniques. Les composants fabriqués sont de plus en plus performantsen terme d'exécution de calcul et le packaging doit s'adapter afin de ne pas être un frein au transfert de données.L'ensemble des études vise à améliorer les performances électriques et thermomécaniques tout en tenant comptedu contexte environnemental actuel qui vise à limiter de substances nocives pour l'homme et l'environnement.Pour cela, de nouveaux procédés d'intégration de puces semi-conductrices sur substrat diélectrique sontdéveloppés. Parmi les technologies d'intégration récemment envisagées, le frittage est un procédé très prometteur.Il permet, en effet, de réaliser une jonction métallique dense à des températures suffisamment basses pourl’électronique. Le frittage de micro- et/ou nanoparticules d'argent est le plus connu au regard de ses excellentespropriétés mécaniques, thermiques et électriques. Des particules de dimension nanométrique peuvent être, en effet,densifiées, à l'aide d'un traitement thermique dont la température est bien inférieure à la température de fusion del'argent massif, en quelques heures, avec ou sans application d'une contrainte. Cette approche est commercialiséesous forme de pâte à fritter, dont le dépôt peut être effectué par sérigraphie ou dispense. Dans cette étude, nousexplorons comment la morphologie des particules d’argent permet d’abaisser la température de frittage.Ce travail repose sur le développement d’une pâte à fritter, constituée de nanocubes d’argent calibrés en taille,pour l’intégration de semi-conducteurs à basse température. Des nanocubes d’argent de tailles diverses ont étépréparés, par synthèse colloïdale, en milieu polyol ou aqueux. Leur stabilité thermique a été examinée, à l’échelled’un objet unique et d'une collection de particules. L'élaboration de pâtes concentrées en nanocubes d’argent apermis de diminuer significativement la température du procédé. Des essais de frittage ont été menés dansdifférentes configurations: système ouvert ou fermé, ainsi qu’au sein d’un démonstrateur électrique. Lamorphologie cubique accroit la réactivité des particules au niveau des coins et des arêtes et favorise uneorganisation compacte des objets avant l’étape de frittage. Cela augmente leur surface de contact et le processusde frittage entre particules voisines. Ainsi, les pâtes fabriquées à base de nanocubes permettent de réaliser desinterconnexions métalliques à plus basse température que les technologies actuellement sur le marché.

Metallic interconnection materials are of high interest in numerous power electronic packagingapplications. The manufactured components are more and more efficient in terms of calculation execution andthe packaging must adapt in order to avoid the limitation of the data transfer. All of the studies aim to improveelectrical and thermomechanical performances while taking into account the current environmental contextwhich aims to limit substances harmful to humans and the environment. For this, new methods of integratingsemiconductor dies on a dielectric substrate are being developed. Among them, sintering stands out as apromising alternative. It makes it possible to produce a dense and robust metallic junction at low temperature,compatible with an higher operating temperature. Sintering based on micro- and/or nano-silver particles is thebest known in view of its excellent mechanical, thermal and electric properties. The particles can be densifiedusing a heat treatment, at a temperature which is much lower than the melting temperature of bulk silver, in afew hours, with or without pressure. This approach is marketed in the form of sinter paste, the deposition ofwhich can be carried out by screen printing and the sintering cycle carried out in air. In this study, we explorehow the design parameters of nanoparticles can be modified to increase the efficiency of sintered Ag technology.We investigated the potential of a paste based on silver nanocubes well-calibrated in size and shape toachieve thick silver joints, sintered at low temperature and pressureless. Silver nanocubes of different sizes wereproduced by wet colloidal approaches in polyol and aqueous mediums. Their thermal stability was investigatedat the single particle level and for assemblies of multiple particles. Their integration into a printable paste alloweda reduction in the sintering temperature at ambient pressure during sintering cycles. Tests were performed forvarious electronics package designs: opened/closed configurations, as well as using an electrical demonstrator.Reducing the surface curvature and the related surface energies provides the diffusion of atoms to neighboringparticles during sintering. The cubic morphology promotes density and increases the contact surface area ofneighboring Ag particles promoting diffusion and sintering. Thus, the manufactured pastes allowed to achievemetallic interconnection at lower temperature commercial technologies.