Simulation de la fiabilité de composants microélectroniques de puissance

Simulation de la fiabilité de composants microélectroniques de puissance

Introduction

L’industrie des transports exige un excellent niveau de fiabilité des composants microélectroniques. Cela implique que les composants de puissance doivent assurer un bon fonctionnement des différents systèmes du véhicule, quelques soient les conditions climatiques, et ce pendant une durée de vie avoisinant la dizaine d’année. La fatigue thermomécanique des composants étant la principale cause de la défaillance des systèmes de puissance, son étude et son évaluation sont par conséquent primordiale lors de la conception d’un composant ou d’un système. Dans ce but, la modélisation numérique et particulièrement par éléments finis est devenue l’outil de recherche et de développement principal pour l’analyse du comportement électro-thermo-mécanique de composants microélectroniques et de modules de puissance. Cependant, la précision des résultats obtenus par simulation dépend fortement de la connaissance des paramètres thermomécaniques des matériaux utilisés dans le modèle. Ce chapitre introduit, dans un premier temps, les propriétés thermomécaniques ainsi que leurs techniques de caractérisation, pour des matériaux déposés en couche mince par les techniques de salle blanche. Puis, nous présenterons les principales approches de l’étude de la fatigue thermomécanique ainsi que les mécanismes de défaillances thermomécaniques des composants microélectroniques de puissance.

1 – Propriétés thermomécaniques et techniques de caractérisation des matériaux déposés en couches minces par les techniques de salle blanche

Les propriétés thermomécaniques fondamentales des matériaux

Cette partie décrit les propriétés thermomécaniques fondamentales des matériaux qui sont le module de Young, le cœfficient de dilatation thermique, les contraintes résiduelles et la fatigue d’un matériau. Une focalisation particulière est effectuée sur les matériaux métalliques et notamment sur l’aluminium.

Propriétés mécaniques et comportement des matériaux

Le module de Young (E), ou module d’élasticité longitudinal, caractérise la rigidité d’un matériau. Il traduit la relation de proportionnalité entre la contrainte (σ) et le déplacement relatif (ε) lorsqu’un matériau subit une déformation totalement réversible. Le coefficient de Poisson (υ) caractérise le rapport des déformations transversales à la déformation longitudinale. Pour un matériau isotrope, soumis à de petites déformations, la relation générale entre les contraintes et les déformations, ou loi de Hooke, est donnée par : ij ij kk ij E E σ δ ν σ ν ε − + = 1( ) (I-1.1-1) εij : tenseur des déformations σij : tenseur des contraintes, sa diagonale est constituée des contraintes normales (tension, compression), ses autres constituants sont les contraintes tangentielles (cisaillement) δij : fonction égale à 1 si i=j, et sinon à 0 .Il existe un système d’axes pour lequel le tenseur des contraintes ne possède que des composantes suivant sa diagonale. Ces composantes (σ1, σ2, σ3) sont alors définies comme étant les contraintes principales. Dans certaines conditions spécifiques, il est possible de simplifier significativement la loi de Hooke généralisée. Déformation élastique (OA) : Lorsque la contrainte appliquée au matériau est inférieure à une limite dite d’élasticité (σy) la contrainte en fonction du déplacement relatif suit une loi de proportionnalité dont le cœfficient correspond au module de Young (EY). Le mouvement des atomes est considéré comme totalement réversible. Déformation plastique (AB) et retour à l’équilibre (BC) : Si la contrainte appliquée au matériau est supérieure à une limite dite d’élasticité (σy), alors la loi de proportionnalité n’est plus respectée et une partie de la déformation subie par le matériau est alors irréversible. Cette limite d’élasticité caractérise l’état de contrainte qui engendre les premiers mouvements des dislocations. Lorsque la contrainte croit au delà de σy, la densité de dislocations dans le matériau augmente mais le nombre de points de blocage de cellesci augmente encore plus, si bien que la déformation ne peut progresser que si la sollicitation augmente. Si la contrainte forcée sur le matériau devient nulle, alors un retour à l’équilibre a lieu. Il subsiste alors une déformation résiduelle (εr) due aux déformations plastiques. Ecrouissage ou consolidation (CBD) : Si on applique de nouveau une contrainte sur le matériau, alors on constate que sa limite d’élasticité devient égale à la valeur de la plus grande contrainte atteinte au préalable. La résistance du matériau à la déformation augmente, c’est le phénomène d’écrouissage, dont la propriété principale est d’augmenter la dureté d’un matériau, c’est à dire, d’augmenter sa limite d’élasticité. Au delà ce cette limite, le matériau subi de nouveau des déformations plastiques. Déformation viscoplastique (DE) : Si la contrainte continue à croître pour atteindre la contrainte ultime (σu), les glissements peuvent traverser les grains du matériau et suivre les joints de grains. La déformation peut alors se poursuivre à contrainte constante, jusqu’à la rupture du matériau, c’est le domaine de viscoplasticité.

Contraintes résiduelles dans les films minces

Les contraintes résiduelles sont présentes dans la majorité des matériaux utilisés en microélectronique. Ces contraintes internes sont un paramètre important de la microélectronique en général, car elles peuvent être responsables de plusieurs types de problème comme la mauvaise adhésion d’un couche ou la forte courbure d’une plaquette suite à un dépôt. Ces contraintes résiduelles peuvent entraîner la modification des caractéristiques d’une couche tel que sa résistivité électrique ou sa capacité à propager des fissures par fatigue. L’intensité de ces contraintes est variable selon le matériau, la technique de dépôt ou de croissance utilisée, ainsi que lors de la modification de la structure interne suite à une implantation et un recuit par exemple. L’intensité de ces contraintes est d’autant plus critique que l’épaisseur de la couche est élevée car l’énergie par unité de surface stockée dans une couche est proportionnelle au produit de son épaisseur par le carré de l’intensité des contraintes. L’origine de ces contraintes résiduelles peut être considérée comme étant la résultante de contraintes intrinsèques au matériau et de contraintes extrinsèques dues à l’interaction entre le film et le substrat [GAR88]. – Les contraintes intrinsèques apparaissent lors de la synthèse du film et trouvent leurs origines dans des régions soumises à une déformation à l’intérieur du film en lien avec le mouvement des joints de grains, des dislocations, à des impuretés ou à des phénomènes dynamiques de recristallisation ou d’inter diffusion. – Les contraintes extrinsèques sont liées à l’interaction du film avec le substrat sur lequel il est déposé. Ces contraintes sont principalement d’origine thermique, suite à la différence des coefficients de dilatation thermique des matériaux, à des réactions chimique à l’état solide ou à l’inter diffusion entre le film et le substrat. Cependant les contraintes thermiques, calculées à partir de l’équation (I-1.1-10), sont expérimentalement observées pour une gamme de température limitée qui correspond à des contraintes inférieures à la limite d’élasticité. Au-delà de cette limite, ces contraintes sont relaxées par plusieurs mécanismes de plasticité tels que la création de dislocations ou la diffusion des joints de grain..

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : État de l’art sur les propriétés thermomécaniques, les techniques de caractérisation des matériaux déposés en couche mince et les phénomènes de fatigue dans les composants microélectroniques de puissance
1 – Paramètres thermomécaniques, contraintes résiduelles et techniques de caractérisation des matériaux déposés en couches minces par les techniques de salle blanche
1.1 – Les propriétés thermomécaniques fondamentales des matériaux
1.1.1 – Propriétés fondamentales
1.1.2 – Coefficient de dilatation thermique et contraintes thermomécaniques
1.1.3 – Contraintes résiduelles dans les films métalliques minces
1.1.4 – Fatigue et ténacité
1.2 – Techniques de mesures des propriétés des films métalliques déposés en couches minces
1.2.1 – Diffraction X
1.2.2 – Nanoindentation
1.2.3 – Déflection et courbure d’une micropoutre
1.2.4 – Courbure d’un assemblage de matériau sous l’effet de la température
1.2.5 – Résonance d’un micropoutre bicouche
2 – Fiabilité et défaillance liées à la fatigue thermomécanique des composants microélectroniques de puissance MOSFET verticaux
2.1 – La fatigue thermomécanique dans les composants de puissance
2.1.1 – Description du composant vertical MOSFET
2.1.2 – Théorie de l’endommagement d’un matériau
2.1.3 – Simulation par éléments finis
2.2 – Mécanismes de défaillances des composants microélectroniques de puissance
2.2.1 – Fatigue de la soudure tendre à l’interface puce boîtier
2.2.2 – Fatigue de la métallisation face avant du composant
Chapitre II : Caractérisation thermomécanique de l’aluminium déposé en couches minces par la méthode des micropoutres bicouches
1- Etude théorique de la caractérisation thermomécanique de l’aluminium par la méthode des micropoutres
bicouches
1.1 – Courbure d’une micropoutre bicouche en fonction des paramètres géométriques de la structure
1.1.1 – Calcul de l’épaisseur du matériau de référence48
1.1.2 – Dimension des structures
1.1.3 – Réalisation des masques
1.2 – Simulation par éléments finis du comportement thermomécanique des micropoutres
1.2.1 – Construction du modèle
1.2.2 – Influence du type d’élément et du maillage sur les résultats de simulations
1.2.3 – Comparaison entre la simulation par éléments finis et les modèles analytiques
2 – Description du procédé de fabrication des micropoutres par les techniques de salle blanche. Observations et mesures des structures obtenues
2.1 – Description du procédé de fabrication des micropoutres
2.1.1 – Spécifications du substrat SOI
2.1.2 – Description de la 1er partie du procédé de fabrication des micropoutres à Freescale
2.1.3 – Le dépôt physique en phase vapeur d’aluminium épais et faiblement contraint par « DC magnétron
sputtering »
2.1.3 – Description de la 2eme partie du procédé de fabrication des micropoutres au LAAS
2.2 – Observations et mesures des microstructures obtenues par les techniques de salle blanche
2.2.1 – Première série de structures ; Observations et commentaires
2.2.2 – Deuxième série de structures ; Observations et commentaires
3 – Mesure par interférométrie optique de la courbure des micropoutres bicouches en fonction de la température
3.1 – Description du dispositif expérimental de mesure de la courbure des micropoutres bicouches
3.1.1 – Le microscope interférométrique
3.1.2 – Le système de chauffage des microstructures
3.2 – Etude de l’évolution de la courbure des micropoutres bicouches en fonction de la température
3.2.1 – Profil initiale des micropoutres à température ambiante
3.2.2 – Evolution de la courbure des micropoutres en fonction de la température (ΔT<30°C)
3.2.3 – Extraction des paramètres mécaniques de l’aluminium
3.2.4 – Evolution de la courbure des micropoutres en fonction de la température (ΔT>30°C)
Chapitre III: Etude du comportement des micropoutres par microvibrométrie pour caractériser l’évolution de l’aluminium soumis à de la fatigue
1 – Etude dynamique par microvibrométrie interférométrique du comportement de micropoutres monocouche
1.1 – Dispositif expérimental de mesure de microstructures soumises à des vibrations harmoniques forcées
1.1.1 – Excitation piézoélectrique des microstructures
1.1.2 – Système de mesure dynamique par interférométrie optique
1.1.3 – Méthode de mesure des fréquences de résonance
1.1.4 – Méthode de mesure de l’amplitude de la vibration
1.2 – Etude dynamique du comportement des micropoutres en silicium en fonction de la pression
1.2.1 – Mesures des fréquences de résonance en fonction de la pression
1.2.2 – Détermination du module de Young du silicium
1.2.3 – Mesures de la déflection à la résonance en fonction de la pression
1.2.4 – Mesures de la déflection maximale dans le domaine de vibration non linéaire
1.3 – Etude de l’amortissement subi par la micropoutre en silicium en fonction de la pression
1.3.1 – Détermination du facteur de qualité à pression atmosphérique
1.3.2 – Détermination du facteur de qualité sous vide
1.3.3 – Calcul de l’intensité des contraintes dans le silicium
2 – Etude dynamique par microvibrométrie interférométrique du comportement de micropoutres bicouches
2.1 – Etude dynamique du comportement des micropoutres bicouches silicium-aluminium sous vide.130
2.1.1 – Mesures des fréquences de résonance sous vide
2.1.2 – Mesures de l’amplitude de la vibration à la résonance sous vide
2.2 – Evolution des propriétés mécaniques de l’aluminium
2.2.1 – Essai de fatigue à température ambiante
2.2.2 – Essai de fatigue à 60°C
Chapitre IV : Etude du comportement électro-thermo-mécanique des composants de puissance HDTMOS
1 – Etude électrothermique par éléments finis du composant microélectronique de puissance HDTMOS
1.1 – Modélisation par éléments finis du composant de puissance
1.1.1 – Description du modèle éléments finis
1.1.2 – Calibration électrique du modèle
1.1.3 – Calibration électrothermique du modèle
1.2 – Etude électrothermique de l’influence de la métallisation source du composant de puissance
1.2.1 – Simulations électrothermique du type de connexion source
1.2.2 – Simulation électrothermique de l’épaisseur de la métallisation source
2 – Etude qualitative de la fiabilité des composants microélectroniques de puissance HDTMOS
2.1 – Description du modèle éléments finis
2.2 – Analyse des résultats de simulations thermomécaniques linéaire
2.3 – Etude thermomécanique linéaire de l’influence de l’épaisseur de la métallisation
Conclusion générale
Références