Étude du contact mécanique et électrique réalisé par hybridation de micro-tubes oxyde et de nano-inserts

Study of the mechanical and electrical contact achieved by hybridisation of oxide microtubes and nanoinserts

• Auteur / Autrice : Cloé Desbordes
• Direction : Tudor Balan
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 26/10/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCFC Laboratoire de Conception Fabrication Commande
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés libres

Flip-chip

Interconnexions

Assemblage à température ambiante

Modèles éléments finis

Flip chip

Interconnections

Room temperature assembly

Finite element models

Résumé

Le DOPT développe au sein du CEA-LETI des composants photoniques, tels que des micro-écrans, des capteurs dans le visible et l'infra-rouge ou encore des capteurs courbes (Pixcurve). La fabrication de ces composants nécessite de réaliser des assemblages mécaniques et électriques (interconnexions) entre un circuit de lecture en silicium et un circuit de détection (capteur) ou d'affichage (micro-écran LED) d'une surface de l'ordre du cm². Ces jonctions sont généralement réalisées par brasage à l'échelle du pixel (de l'ordre de 10µm), c'est-à-dire qu'un composant à la résolution SXGA (HD) comporte plus d'un million de micro-assemblages. Ces technologies d'hybridation par brasage nécessitent la réalisation de cycles thermiques à des températures de l'ordre de 200°C à 260°C, ce qui n'est pas compatible avec certains types de composants (sensibilité des matériaux, contraintes thermomécaniques). Le Laboratoire d'Assemblage et d'Intégration pour la Photonique (LAIP) développe des solutions d'hybridation par insertion à température ambiante afin de répondre à cette problématique. Dans ce contexte, le sujet de thèse propose de développer un nouveau type d'interconnexion par insertion compatible avec des composants de faible pas (pas pixel de quelques microns). Le but est d'obtenir des connexions mécaniques et électriques efficaces au niveau de chacun des pixels. Dans le cadre de la thèse, c'est un procédé innovant d'hybridation par nano-insertion qui va être développé et mis en œuvre. Il s'agira de fabriquer des inserts en forme de « nano-clous » (typiquement h=1micron diam=400nm) qui devront « se planter » dans des plots métalliques (par ex. aluminium H=1micron) avec un bon contact électrique et une tenue mécanique suffisante pour ne pas risquer la deshybridation. Cette thèse aura pour objectif d'étudier les aspects suivants de l'assemblage : - Etude bibliographique sur les interconnexions par insertion - Définition d'une géométrie d'insert optimisée pour ce type d'assemblage et choix des matériaux constituant l'interconnexion : o Retour d'expérience sur les premiers assemblages de nano-inserts réalisés au laboratoire o Simulations mécaniques (ABAQUS ou ANSYS) afin de sélectionner un couple design/matériau le plus approprié et compatible avec les moyens d'assemblage (force applicable) - Réalisation de composants : o Définition du process flow de fabrication o Lancement et suivi de lots en salle blanche sur wafer 200mm o Hybridation sur équipement de flip chip - Caractérisation des composants : o Métallographie o Tenue mécanique des assemblages o Conductivité électrique o Mesures de contraintes résiduelles dans les matériaux o Comparaison avec les autres types d'interconnexions (Cu bumps, In Bumps, microtubes)

Inside CEA-Leti, DOPT develops photonic components like micro displays, sensors in visible and IR ranges or curved sensors (Pixcurve). These components manufacturing requires making mechanical and electrical assemblies (interconnections) between a silicon reading circuit and a detection or display circuit (LED micro display) with a surface area of about one cm². These junctions are usually made by soldering at the pixel scale (around 10 µm): a component at the SXGA resolution (HD) contains indeed more than one million micro assemblies. This type of hybridization requires to carry out thermal cycles at temperatures between 200°C and 260°C, which are not compatible with certain types of components (sensitivity of materials, thermomechanical stresses). The LAIP laboratory develops hybridization solutions from insertion at room temperature in order to solve this issue. In this context, the thesis subject proposes to develop a new type of insertion interconnection compatible with low pitch components (pixel pitch of few microns). The aim is to obtain efficient mechanical and electrical connections for each pixel through an innovative hybridization process by nano insertion. It will be a question of manufacturing “nano nails”-shaped inserts (typically h=1µm, diam=400nm) which will have to fit metallic pads (for example aluminium H=1µm) with good electrical contact and sufficient mechanical strength so as to avoid the risk of dehybridization. The objective of this thesis will be to study the following aspects of the assembly: - Bibliographical study on interconnections by insertion - Definition of an optimized insert geometry for the assembly type and choice of materials constituting the interconnection: o Feedback on the first nano insert assemblies produced at the LAIP o Mechanical simulations (ABAQUS or ANSYS) in order to select the most appropriate design/material couple, compatible with assembly means (level of effort to apply) - Production of components: o Definition of the manufacturing process flow o Batches launching and monitoring in a clean room on 200mm wafers o Hybridization on flip chip equipments - Characterization of components: o Metallography o Mechanical resistance o Electrical conductivity o Residual stress measurements o Comparison with other types of interconnections (Cu bumps, In bumps, microtubes)