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THÈSE
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Matériaux, Mécanique, Génie Civil, ElectrochimieDavid MERCIER
Yves Bréchet
Vincent Mandrillon et Marc Verdier
Commissiariat à l'Energie
Atomique
de Grenoble (CEA)Laboratoire en Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP) l'École Doctorale " Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Energétique, Environnement, Procédés, Production » (I-MEP2)Lois de comportement
des matériaux utilisés dans les contacts électriques pour application " flip chip ». " 25 Novembre 2013 »M. Rolan
d FORTUNIERM. Etienne BARTHEL
Mme Sophie NOEL
M. Yves BRECHET
M. Vincent MANDRILLON
M. Marc VERDIER
M. Guillaume PARRY
2Résumé
3 Lois de comportement des matériaux utilisés dans les contactsélectriques pour application " flip chip ».
Dans le cadre de l'intégration " 3D », une technologie d'assemblage par report de puces surtranche de Silicium (" flip chip ») reposant sur un procédé de microinsertion a été développée ces
dernières années.Mots clés
Behaviour laws of materials used in electrical contacts In the field of " 3D » microelectronic integration, a wafer level technology using flip chip stacking and based on a microinsertion process has been developed recently. This technology is mainly based on the contact realized by thermocompression between a network of microinserts made of Nickel ECD, with connections pads in Al(Cu). In this work, a scenario describing the contact establishment between a unique rough microinsert of Nickel and a smooth thin Aluminum film taking into account the presence of native Alumina at the contact interface, is developed for a range of pressures from MPa to GPa. The analysis of the metal-oxide-metal contact is essentially based on the fracture of the native oxide followd by the metal extrusion through cracks, and requires the knowledge of the behaviour laws of materials, obtained from instrumented nanoindentation tests coupled with n umerical modeling. Finally, the measure of the electrical contact resistance evolution in function of applied load, with specific pioneering experimental setup, showcases the mechanisms driving the formation of metallic contact during the microinsertion process.Keywords
4 5 " Le savant doit ordon ner ; on fait la science avec des faits, comme on fait une maison avec des pierres : mais une accumulation de faits n'est pas plus une science qu'un tas de pierres n'est une maison.» de Henri Poincaré (La Science et l'Hypothèse 1901)" La science ne consiste pas seulement à savoir ce qu'on doit ou peut faire, mais aussi à savoir ce qu'on
pourrait faire quand bien même on ne doit pas le faire. » de Umberto Eco (Le nom de la rose - 1980) 6Remerciements
7Remerciements
Cette thèse a été réalisée principalement au CEA-LETI (Commissariat à l'Energie Atomique et
aux Energies Alternatives - Laboratoire d'Électronique et de Technologies de l'Information) encollaboration avec le laboratoire SIMaP (Sciences et Ingénierie des Matériaux et Procédés), tous les
deux basés à Grenoble. Je souhaite dans un premier temps remercier Didier Bloch (CEA-LETI-DCOS-
S3D-LCFC) et Michel Pons (SIMaP), les chefs de laboratoire qui m'ont accueilli. J'aimerais également
avant tout, remercier toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de cette thèse. Je tiens particulièrement à remercier mon directeur de thèse, Yves Bréchet, pour lesdiscussions très instructives en particulier sur la mécanique des matériaux et pour les nombreux
conseils divers et variés. J'exprime mes plus sincères remerciements à mes deux principauxencadrants de thèse, Vincent Mandrillon et Marc Verdier, pour leur disponibilité et leur précieuse
aide durant ces trois années de thèse. Je remercie également Christophe Poulain pour les nombreux
échanges sur le thème du contact électrique, Fabien Volpi pour m'avoir incité à faire un stage de fin
d'étude à l'origine de cette thèse et Guillaume Parry et Rafael Estevez pour le temps passé à
m'expliquer la modélisation numérique.J'en profite pour remercier les membres du jury pour le temps et l'intérêt qu'ils ont accordés à
mon travail. Je remercie en particulier les deux rapporteurs, M. Etienne Barthel et Mme Sophie Noël
pour l'intérêt qu'ils ont manifesté pour mon travail. Je remercie également, M. Roland Fortunier pour
avoir accepté de présider le jury. Un grand merci aux membres du CEA-LETI avec qui j'ai pu collaborer, en particulier, Hervé Boutry, Sophie Verrun, Henri Blanc, Tony Maindron, Stéphane Minoret, Patrice Gergaud, DeniseMuyard, Jean-Marc Fabbri, Alain Faure et les différentes équipes des bâtiments 40 et 41, ainsi que
Thibault Haccart et Frédéric Gustavo de la PTA (Plateforme Technologique Amont), pour leur aide
précieuse lors de l'élaboration et la caractérisation de la plupart de mes échantillons. Je remercie infiniment Mohamed et Edrisse pour m'avoir supporté (dans tous les sens duterme) et pour le temps qu'ils ont passé à écouter mes théories. Un tout grand merci à Baptiste, avec
qui j'ai découvert les joies de l'indentation et de l'insertion. Je remercie de même mes" prédécesseurs », à savoir Mamadou, Pierre-Yves, Brice et Maxime, pour leurs différents travaux de
thèse et les nombreuses discussions.J'ai passé la majeure partie de ma thèse au sein du LCFC et c'est pourquoi je tiens à remercier
l'ensemble des mes collègues, et plus particulièrement Estelle, pour son aide, sa disponibilité et sa
compréhension. Je n'oublie pas les nombreux débats philosophiques et sportifs lors des pauses café,
avec Antoine, Christophe, Denis, Didier, Estelle, Fréderic, Gérard, Marcel, Patrick, Philippe, Pierre,
Romain, Pierre-Louis, Vincent... ainsi que les parties de mots croisés ou encore les concours organisés
pour les différents évènements sportifs, pimentés de graphiques statistiques tracés par Pie
rre-Louissous Excel... Un clin d'il pour mon aîné Marcel, qui m'a appris à réfléchir sur la vraie nature du
problème... Je voudrais remercier de la même manière tous mes collègues de bureaux stagiaires, alternants, thésards ou post-doctorants (Adam, Alexandra, Alexis, Anthony, Daniele, Delphine, Delphine, Florent, Fréderic, Guillaume, Laurent, Linda, Maxime, Miguel, Nizar, Pauline, Thibault,Thomas, Trang, Simon...), qui ont dû me supporter durant ces trois années et avec qui je me suis
beaucoup amusé en particulier lors des tournois de football du CEA (j'en profite pour rappeler le nom
Remerciements
8de l'équipe : les X-MEMS)... Une pensée particulière pour Florent avec qui j'ai débuté la thèse et
Alexandra, Alexis et Daniele avec qui je l'ai terminée. Je remercie également toutes les personnes que j'ai croisées durant cette thèse : Hélène etson TiN, les techniciens (et André en particulier) du laboratoire de mécanique du CEA, les membres
du laboratoire PS2 (Packaging et Supports Souples) du Centre de Microélectronique de Provence (enparticulier les thésards pour leur super accueil lors de mes différentes visites), les équipes du SIMaP
(en particulier Charles Josserond pour la machine de compression et Patricia Donnadieu pour les observations TEM), du CNRS-LTM et du DOPT-LPA, le groupe indentation de la SF2M, le GDR Mécano et les étudiants PHELMA que j'ai encadrés lors de projets ABAQUS. Je souhaite remercier évidement l'ensemble du corps professoral et administratif del'Université Grenoble INP, de l'Université Joseph Fourier et de l'Ecole Doctorale I-MEP2, pour toutes
ces années d'études à Grenoble. De plus, je remercie le personnel de l'Institut Max -Planck deDüsseldorf pour leur compréhension et pour m'avoir donné la chance de poursuivre en contrat post-
doctoral. Avant de terminer par le plus important des remerciements, je tiens à remercier mes ancienscollègues du LTFC et de SOITEC, ainsi que les différents professeurs, qui ont su me donner envie de
faire de la recherche et de prolonger mes études jusqu'à faire une thèse et toutes les personnes avec
lesquelles j'ai partagé ces 9 dernières années à Grenoble. Enfin, je remercie du plus profond de mon coeur Sophie, mes parents, Clarisse et Loïc, mon neveu Elias, ma famille et mes belle-familles, ainsi que tous mes amis proches pour un soutien quotidien et pour m'avoir supporté depuis toujours.Table des matières
9Table des matières
Remerciements ........................................................................ ........................................................................ 7 Table des matières ........................................................................ ................................................................... 9 Introduction générale ........................................................................ ............................................................ 13Chapitre I
- Introduction à l'intégration " 3D »........................................................................
.................... 15I.1. L'intégration " 3D » ........................................................................
.............................................. 16 I.1. Le report de puce : solution alternative au câblage filaire ........................................................... 19I.2. Le procédé de report de puces avec technologie microinsert ....................................................... 21
I.3. Fiabilité des empilements obtenus par microinsertion ................................................................. 24Chapitre II
- Etat de l'art des propriétés mécaniques des matériaux et du contact ....................................... 31
II.1. Comportement mécanique des matériaux ........................................................................
.......... 32II.2. Etude bibliographique du contact mécanique ........................................................................
..... 48II.3. Etude bibliographique du contact électrique ........................................................................
....... 61II.4. Echauffement des contacts ........................................................................
.................................. 73Chapitre III
- Présentation des outils de caractérisation ........................................................................
........ 79III.1. L'essai d'indentation instrumentée ........................................................................
..................... 80III.2. Essai de microinsertion ........................................................................
....................................... 97III.3. L'essai de compression de barreaux croisés ........................................................................
..... 114Table des matières
10III.3.2 Dispositif expérimental ........................................................................
.............................. 116Chapitre IV
- Comportement mécanique des matériaux de contact ............................................................ 125
IV.1. Films minces d'Aluminium
................................ 126 IV.2. Microinsert de Nickel ........................................................................ ........................................ 147 IV.3. Oxyde d'Aluminium ........................................................................ .......................................... 155Chapitre V - Analyse du contact électrique ........................................................................
......................... 191 V.1. Etude du contact électrique sans singularité ..... 192V.2. Etude du contact avec singularité
: l'essai de microinsertion .................................................... 209 V.3. Modélisation numérique de l'essai de microinsertion ............................................................... 227 Conclusion Générale ........................................................................ ............................................................ 245 Bibliographie ........................................................................ ....................................................................... 247 Liste des communications relatives à cette thèse ................. 261 Annexes ........................................................................ ....................................................................... 263 11 12Introduction générale
13Introduction générale
En 1975, Gordon Moore, co-fondateur d'Intel énonce une conjecture, devenue aujourd'hui lacélèbre " Loi de Moore », selon laquelle le nombre de transistors double sur une puce tous les deux
ans environ. Les industriels ont fait de ce postulat empirique sur les semi-conducteurs et la miniaturisation des circuits imprimés, une réalité qui a alimenté la révolution informatique. Or, nous approchons aujourd'hui des limites physiques à l'échelle du CMOS et la poursuite de cetteminiaturisation par l'industrie ne peut désormais plus se baser uniquement sur la " Loi de Moore ».
Ainsi, la volonté de faire toujours plus petit avec plus de fonctionnalités passe par le principe du
" More than Moore », autrement dit l'intégration plus " intelligente » de composants divers au
niveau de l'assemblage final. Jusqu'à présent, le redimensionnement géométrique a simultanément permis d'améliorer les performances, et de réduir e la consommation énergétique, la taille, et le prix des composants. Mais les limitations auxquelles se heurtent désormais les technologies de lamicroélectronique dans la course à la réduction de la taille des composants ne permettent plus
aujourd'hu i de poursuivre dans cette voie. Les technologies " System on Chip » (" SoC ») et " System in Package » (" SiP ») constituent dans ce contexte des solutions prometteuses permettant de contourner ces difficultés.La solution "
SoC » est une technologie où plusieurs fonctionnalités cohabitent sur unemême et seule puce, tandis que la solution " SiP » consiste à réaliser diverses fonctions grâce à
l'intégration de plusieurs puces interconnectées au sein d'un même boîtier. Cette dernière solution
est aussi appelée "intégration hétérogène". La technologie " SiP » a évolué comme une approche
alternative au " SoC » pour l'intégration de l'électronique, car elle répond mieux à certains besoins
exprimés par le marché. Les puces alors utilisées dans un boîtier " SiP » sont souvent de natures
différentes : circuits intégrés standards, capteurs, micro-actionneurs, composants radiofréquences et
composants passifs. Elles peuvent être empilées verticalement (intégration " 3D ») ou disposées
horizontalement les unes à côté des autres sur un substrat. L'optimisation et la fiabilisation des
connexions électriques entre les différentes puces et le substrat sont des éléments-clés de la réussite
des technologies " SiP ». Plusieurs techniques d'assemblage sont actuellement disponibles, afind'améliorer la densité d'interconnexion, les nouvelles techniques d'intégration privilégient la
technologie dite de " puce retournée », autrement appelée " flip chip ». Ainsi, le CEA-LETI
(Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives - Laboratoire d'Électronique et deTechnologies de l'Information) développe depuis 2006, une technologie de report de puces utilisant
des réseaux de plots de Nickel, ces derniers étant encore appelés microinserts. Le procédé
d'intégration d'une puce sur un substrat est réalisé au cours d'une étape de thermocompression,
durant laquelle les plots de Nickel sont insérés dans un film mince d'Aluminium. Cette insertion
permet la connexion électrique entre la puce et le substrat et offre aussi un maintien mécanique de
l'assemblage final. La compréhension de la formation du contact mécanique et électrique entre les deux puceset indispensable afin d'être en mesure de proposer des améliorations du procédé d'assemblage.
C'est pourquoi, il est primordial d'acquérir une meilleure connaissance des propriétés et des
mécanismes de déformation des matériaux mis en jeu. C'est dans cette perspective que s'inscrivent
les travaux de thèse présentés dans ce mémoire. Ils sont le fruit d'une collaboration entre le CEA-LETI
et le laboratoire SIMaP (Science et Ingénierie des Matériaux et des Procédés) basés tous les deux à
Grenoble. Cette thèse s'est déroulée principalement au CEA-LETI, plus précisément au sein du LCFC
(Laboratoire de Caractérisation et Fiabilité des Composants). Elle a été financée par l'INSTN (Institut
National des S
ciences et Techniques Nucléaires) depuis octobre 2009, au travers d'un Contrat deFormation par la Recherche (CFR).
Ce travail de recherche pluridisciplinaire a été encadré parMessieurs Vincent Mandrillon, Ingénieur - Chercheur au CEA-LETI, Yves Bréchet (directeur de thèse)
et Marc Verdier , Professeurs et Chercheurs à Grenoble INP.Introduction générale
14 Le travail de thèse exposé dans ce mémoire s'articule autour de cinq chapitres. Le premier chapitre commence par une introduction à l'intégration "3D » et la technique de report de puce. Le
second chapitre est dédié à une étude bibliographique relative au comportement mécanique des
matériaux (élasticité, plasticité, rupture...), ainsi qu'au contact mécanique et électrique en régime
statique. L'influence de la géométrie du contact et de la nature des surfaces en jeu lors del'établissement du contact électrique et mécanique font l'objet d'une attention particulière dans la
mesure où celles-ci sont déterminantes pour comprendre et interpréter les résultats expérimentaux.
Le troisième chapitre est consacré aux techniques de caractérisation des matériaux et à la
présentation des dispositifs expérimentaux développés pour l'étude du contact mécanique et
électrique. La première partie présente l'essai d'indentation instrumentée, et décrit les principaux
modèles d'extraction des propriétés mécaniques. L'étude en conditions réelles d'un dispositif
complet intégrant un contact électrique se révélant compliquée, il est pertinent de développer et
d'utiliser un véhicule-test : celui-ci permet d'identifier les influences respectives de chacun des
différents paramètres en jeu (force appliquée, intensité électrique imposée...) lors de l'établissement
d'un contact électrique reproduisant à l'identique celui utilisé en conditions réelles (dimensions et
matériaux). Deux approches expérimentales sont alors envisagées. La première approche consiste àétudier l'influence de la force appliquée sur l'établissement du contact entre un microinsert unique
de Nickel et un film mince d'Aluminium. Pour cela, l'adaptation d'un nanoindenteur suivie d'une longue étape de mise au point ont été nécessaires. Une fois rendu disponible, le montageexpérimental ainsi réalisé permet de réaliser des contacts mécaniques et électriques unitaires à
température ambiante reproduisant les étapes de thermo-compression effectuées en procédé " flip
chip ». La seconde approche se consacre, quant à elle, à l'étude d'un contact sans singularité,
mettant en oeuvre des barreaux cylindriques croisés. Le dispositif expérimental est dans ce cas
intégré au sein d'un équipement de compression, afin d'étudier la formation du contact électrique
en fonction de la force appliquée ou de la vitesse de charge.Pour chacune des deux approches, le
dimensionnement et la validation des montages, ainsi que les protocoles expérimentaux mis au point
pour étudier l'établissement du contact sont détaillés. Dans le quatrième chapitre, les résultats de caractérisations mécaniques obtenus sur lesmatériaux de contact sont présentés. Les résultats sont analysés et confrontés à des modélisations
analytiques et des simulations en éléments finis, afin de valider les propriétés mécaniques obtenues
et de déduire les lois de comportement de chaque matériau. Le cinquième chapitre concernel'analyse du contact mécanique et l'étude de l'établissement du contact électrique pour les deux
approches expérimentales décrites dans le chapitre trois. Les résultats expérimentaux sont analysés,
puis confrontés à des modélisations analytiques et des simulations numériques. Connaissant alor
s lespropriétés mécaniques des matériaux mis en jeu, obtenus dans le quatrième chapitre, il est possible
de proposer un scénario expliquant comment s'établit le contact électrique lors de l'insertion du plot de Nickel dans le film mince d'Aluminium. En conclusion, un bilan de l'ensemble de ces travaux de thèse est dressé, suivi d' une synthèse des enseignements tirés. Le document se conclut sur la bibliographie utilisée pour la rédaction de ce manuscrit, sur une liste exhaustive des publications et communications relatives à ce travail de thèse, et sur des compléments d'informations et les perspectives ouvertes par cette étude aux travers d'annexes. Chapitre I - Introduction à l'intégration " 3D » 15Chapitre I
- Introduction à l'intégration " 3D » Chapitre I - Introduction à l'intégration " 3D » 16Introduction
Ce travail de thèse s'inscrit dans la continuité de la thèse de doctorat soutenue parMamadou DIOP en 2009
I.1. L'intégration " 3D »
La première Loi de Moore a été exprimée en 1965 par Gordon Moore, un des trois fondateurs
d'Intel Chapitre I -Introduction à l'intégration " 3D » 17économes en énergie, et surtout moins coûteux une fois les procédés d'industrialisation maîtrisés. La
Figure I-2 place l'intégration " 3D » à la frontière des technologies " SoC » et " SiP », faisant ainsi des
puces " 3D » des composants à forte valeur ajoutée et à coût réduit. Figure I-1 -Première loi de Moore postulée en 1965 [MOORE 1965]. "More Than Moore»Diversification "More Moore»Miniaturisation du CMOS
Figure I-2 - L'intégration " 3D », à la frontière du " More Moore » et du " More Than Moore ».
Chapitre I - Introduction à l'intégration " 3D » 18