Etude des mécanismes de mouillage d'une colle dans une structure hybridée, fonctionnalisée et enrobée à base de cu pillars

Study of wetting mechanism of a glue in an hybridized, functionalized and underfilled structure of copper pillars

• Auteur / Autrice : Mary-Ann Gasser
• Direction : Loïc Vanel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Catherine Barentin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loïc Vanel, Emilie Verneuil, José Bico, Yves Ousten, Pascal Panizza
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emilie Verneuil, José Bico

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capillarité

Rhéologie

Microélectronique

Microfluidique

Mots clés libres

Packaging

Underfill

Microfluidique

Mouillabilité

Capillarité

Époxy

Piliers

Packaging

Underfill

Microfluidic

Capillarity

Wetting

Epoxy

Pillar

Résumé

Dans le domaine du packaging en microélectronique, la technique d’assemblage par flip-chip a été développée dans les années 60-70, afin d’apporter une solution innovante pour intégrer plus de composants tout en augmentant leurs performances. L’une des variantes de cette technique d’hybridation utilise une matrice de piliers de cuivre. Cette matrice entre les deux puces assemblées nécessite dès lors d’être protégée. Une étape essentielle du packaging consiste à remplir cette zone en y injectant une colle époxy par capillarité : c’est le procédé d’underfill aussi appelé sous-enrobage. Le rôle de l’underfill est essentiel pour assurer la fiabilité des composants en apportant une protection contre les effets thermomécaniques et un environnement agressif. Afin que le sous-enrobage soit performant, il faut qu’il soit sans défauts tels que des bulles d’air ou délaminations, et qu’il adhère bien à la structure. Ceci est un grand challenge pour les composants électroniques de grandes tailles (4 cm²) à faible pas (≤ 30 µm) et avec un grand nombre d’interconnexions (>100 000).Cette thèse est consacrée à l’étude des mécanismes de propagation d’une colle dans un composant hybridé en flip-chip. Les travaux de cette thèse ont tout d’abord porté sur la caractérisation des colles utilisées (rhéologie, mouillabilité et tension de surface) et la mise en place de bancs d’observations afin de pouvoir suivre la dynamique de propagation de la colle en champ large mais également à l’échelle des piliers. Le dispositif expérimental a été validé en géométrie plane sans piliers, où l’on retrouve la loi de Washburn, ainsi qu’en géométrie avec piliers pour laquelle des lois de Washburn modifiées ont pu être testées. Les études ont permis de mettre en évidence le mécanisme de propagation microscopique à l’échelle des piliers dans des circuits hybridés à l’aide d’une caméra rapide. En effet, le front de colle se propage latéralement par de rapides sauts de kinks avant d’avancer sur les lignes de piliers suivantes. De plus, un lien a été établi entre la vitesse moyenne de propagation des kinks à l’échelle microscopique et la vitesse macroscopique. Les observations à l’échelle du pilier nous ont également permis de visualiser la formation de différents types de défauts créés lors de la réticulation de la colle.

In the field of microelectronics packaging, the flip-chip method was developed in the 60s and 70s to provide an innovative solution for integrating more components while increasing their performances. One variant of this hybridization technique uses a matrix of copper pillars. This matrix between the two assembled chips therefore needs to be protected. An essential packaging step is to fill this area by injecting an epoxy glue by capillary suction: this is the underfill process. The role of underfill is essential in ensuring component reliability by providing protection against thermomechanical effects and an aggressive environment. For the underfill to be effective, it must be free of defects such as air bubbles or delamination, and adhere well to the structure. This is a major challenge for large (4 cm²), low-pitch (≤ 30 µm), and with high input/output counts (>100 000) electronic components.This thesis is devoted to the study of glue propagation mechanisms in a flip-chip hybridized component. The first part of this thesis is focused on characterizing the glues that we used (rheology, wettability and surface tension) and setting up an observation bench to visualize the glue propagation dynamics in the whole component, as well as at pillar scale. The experimental set-up was validated in plane geometry without pillars, where Washburn's law was verified, as well as in geometry with pillars, for which modified Washburn's laws were tested. The studies highlighted the microscopic propagation mechanism at pillar scale in hybridized circuits using a high-speed camera. Indeed, the glue front propagates laterally by fast kink jumps before moving on to the next pillar lines. In addition, a link was established between the mean velocity of kinks at microscopic scale and macroscopic propagation velocities. Observations at pillar scale also revealed different types of defects created during glue curing.