MINATEC

Le CEA-LETI Minatec a développé un procédé d'assemblage de puces à faible coût et de haute résolution permettant l'empilement de plusieurs puces pour la réalisation de systèmes électroniques hétérogènes.

Le CEA-LETI Minatec a développé un procédé d'assemblage de puces à faible coût et de haute résolution permettant l'empilement de plusieurs puces pour la réalisation de systèmes électroniques hétérogènes. Ce procédé de thermo compression effectué à des températures inférieures à 200°C permet l'empilement et l'interconnexion électrique de plusieurs puces par micro insertion de réseaux de micro cylindres métalliques de quelques micromètres de diamètre dans les pads de contact métalliques en aluminium ou en cuivre de puces en vis à vis au travers d'un film mince de polymère d'épaisseur micrométrique. Le film de polymère assure la tenue structurale de l'assemblage après insertion et sa réticulation est effectuée durant la phase finale de l'étape de micro insertion.

Les mécanismes de micro insertion dans les films minces métalliques sur des profondeurs de quelques centaines de nanomètres, principalement par déformation viscoplastique des métaux, commencent à être connus et sont actuellement étudiés au CEA LETI Minatec (thèse en cours). Le rôle joué par le film mince de polymère durant le procédé est quand à lui encore mal connu et une compréhension approfondie de son comportement permettra de connaitre plus précisément, au cours du procédé d'assemblage, l'évolution de la charge effective réellement appliquée entre le micro insert et le film minces métallique situé en vis-à-vis.

Les deux familles de polymères déjà identifiés et utilisées pour cette application sont les résines novolaques et les résines époxydes. Dans un premier temps, le travail de thèse demandé consiste à caractériser et à comprendre leur écoulement viscoélastique dans les espaces micrométriques présent entre les puces et nanométriques situés sous les micros cylindres en fonction de la température. Les effets d'échelle prenant en compte l'influence croissante des conditions aux limites avec la diminution de la hauteur du gap séparant les frontières de l'écoulement devront être déterminées et intégrées dans une loi de comportement rhéologique satisfaisante. Différentes conditions aux limites seront investiguées : nature des matériaux et traitement de surface éventuels. Pour cela des mesures de viscosité seront effectuées d'une part avec des rhéomètres classiques (cône /plan & capillaire) et d'autre part à l'aide de motifs de micro impression de type ligne / tranchée pressés contre le film mince de résine à différentes températures en utilisant un équipement de thermo-compression classique. Ensuite, une étude poussée de la réticulation (DSC, FTIR) permettra de connaitre sa cinétique et de suivre l'évolution de la température de transition vitreuse à cette étape. Enfin, après réticulation sous pression, il sera nécessaire de caractériser finement les propriétés thermomécaniques des polymères (module d'Young, dilatation thermique, fluage, …) par TMA / DMA en température et nano-indentation a température ambiante.

C'est l'intégration de ces propriétés physiques et mécaniques dans des lois de comportement adéquates du polymère qui permettra la prédiction et la compréhension du procédé d'assemblage. Pour cela, des modèles analytiques et numériques seront développés au cours de la thèse pour permettre de connaitre l'évolution de la contrainte effective à l'interface microinsert / film mince métallique au cours du procédé d'assemblage et plus tard durant le fonctionnement du produit (cyclage thermique). La qualité du couple (loi de comportement / modèle) sera validée par comparaison avec les performances électriques d'un système de test « puce assemblée sur wafer » de type chaine de contacts et motif Kelvin spécifiquement designé pour cet usage au cours de la thèse. Une expérience originale de mesure de l'évolution de la résistance de contact d'un seul micro cylindre au cours de son insertion dans un film mince métallique à l'aide d'un nanoindenteur est déjà opérationnelle à température ambiante et pourra être utilisée au travers des films de polymère pour valider certains paramètres du modèle. Son adaptation pour les mesures en température jusqu'à 200°C pourra également être envisagée.

In fine, cette thèse devra déboucher la définition de règles de dessin des réseaux de µinserts (aspect ratio, espacement) et de choix de la meilleur nuance de colle permettant de minimiser les contraintes et les durées d'assemblage donc d'augmenter la fiabilité des produits.

Ce travail de thèse se déroulera au sein du Laboratoire des Technologies de Packaging et d'Intégration (DIHS/LTPI) maitre d'œuvre du procédé d'assemblage en étroite collaboration avec le Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (CNRS/LTM) spécialisé dans l'étude des techniques de nano-impression de films polymères ainsi que avec le Laboratoire de Caractérisation et Fiabilité des Microsystèmes. (DIHS/LCFM) fortement impliqué dans l'étude des mécanismes de micro insertion dans les films minces métalliques (thèse CEA en cours).

Profil souhaitée : Ingénieur matériaux avec des compétences en chimie et/ou mécanique des fluides

Contacts : herve.boutry@cea.fr & Vincent.mandrillon@cea.fr