EP2984494A1 - Procede d'etude de la fiabilite en temperature d'un composant electronique - Google Patents

Procede d'etude de la fiabilite en temperature d'un composant electronique

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Publication number
EP2984494A1
EP2984494A1 EP14712244.4A EP14712244A EP2984494A1 EP 2984494 A1 EP2984494 A1 EP 2984494A1 EP 14712244 A EP14712244 A EP 14712244A EP 2984494 A1 EP2984494 A1 EP 2984494A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electronic
laser source
coupling member
interest
wavelength
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14712244.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Florent Miller
Sébastien MORAND
Florian Moliere
Thomas Santini
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus SAS
Original Assignee
Airbus Group SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Group SAS filed Critical Airbus Group SAS
Publication of EP2984494A1 publication Critical patent/EP2984494A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2851—Testing of integrated circuits [IC]
    • G01R31/2855—Environmental, reliability or burn-in testing
    • G01R31/2856—Internal circuit aspects, e.g. built-in test features; Test chips; Measuring material aspects, e.g. electro migration [EM]
    • G01R31/2858—Measuring of material aspects, e.g. electro-migration [EM], hot carrier injection
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/2855—Environmental, reliability or burn-in testing
    • G01R31/2872—Environmental, reliability or burn-in testing related to electrical or environmental aspects, e.g. temperature, humidity, vibration, nuclear radiation
    • G01R31/2874—Environmental, reliability or burn-in testing related to electrical or environmental aspects, e.g. temperature, humidity, vibration, nuclear radiation related to temperature
    • G01R31/2875—Environmental, reliability or burn-in testing related to electrical or environmental aspects, e.g. temperature, humidity, vibration, nuclear radiation related to temperature related to heating
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/302—Contactless testing
    • G01R31/308—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation
    • G01R31/311—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation of integrated circuits

Definitions

  • the present invention belongs to the field of the analysis of electronic components, and more particularly to the procedures for analyzing the operation of electronic components subjected to thermal stresses.
  • the electronic components before their implementation, are generally subjected to analysis procedures during which these components are notably subject to constraints representative of the operational constraints, that is to say the constraints to which they are susceptible of to be confronted in their final environment.
  • These analysis procedures are especially important, especially for components that are required to operate in highly constrained environments, such as components to be used in space and / or military missions, aircraft, power plants, energy, etc.
  • State of the art are especially important, especially for components that are required to operate in highly constrained environments, such as components to be used in space and / or military missions, aircraft, power plants, energy, etc.
  • a thermal stress which corresponds, for example, to an operational thermal stress (it is then referred to as a functional test) or a thermal stress applied to accelerate the aging of said integrated circuit (it is called aging test).
  • the aging tests make it possible to reveal the failure mechanisms such as the breakdown of the gate oxide of the transistors, the instability of the threshold voltage in temperature as well as the phenomenon of electromigration present at the level of the metallizations. These tests aging also make it possible to anticipate the thermomechanical fatigue of the component present at the level of the connectors, the metallizations and the barrier layer between the etching and oxide layers of a component.
  • one method consists of carrying out tests in a climatic chamber or under a packing bell.
  • the component and its support are solicited, statically or by cycle, in temperature.
  • these tests require a large number of elements such as the component chip, the housing, the solders, the connection pins, the connection wires, thus limiting the possibilities of interpretation of the failure mechanisms.
  • the present invention intends to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a solution which makes it possible to locate thermal stresses on an electronic component by means of a laser beam coupled to a cooling device of the component.
  • the present invention relates, in its most general sense, to a method for analyzing the temperature reliability of an electronic component comprising an electronic chip mounted in a housing, said electronic chip being composed of several layers of materials. said method comprising the following steps:
  • the invention makes it possible to implement, for example, the thermally induced voltage modification (TIVA) method or the thermally induced resistance modification method "OBIRCH” (for "Optical induced voltage alteration”). beam induced resistance change ").
  • TIVA thermally induced voltage modification
  • OBIRCH thermally induced resistance modification method
  • the method for modifying the thermally induced resistance "OBIRCH” it is in particular to identify degradations in the metallizations of the electronic component.
  • This method is based on a local modification of the properties (resistivity for example) of the metallization depending on whether the impacted area is degraded or not.
  • the temperature variations generated by the laser beam are however in this case adjusted (in energy, frequency or duration) so as not to contribute to degrade or age the component.
  • the temperature variations produced are typically of the order of ten degrees.
  • the invention thus makes it possible to simulate, on the basis of the physical laser heating mechanisms, much larger temperature ranges making it possible to reproduce, in a localized manner (at the scale of one or a few elementary structures in the component) the constraints environmental and / or functional aspects of an electronic component.
  • the invention makes it possible, for example, to impose temperatures varying between -55 ° C. and + 125 ° C., depending on the characteristics of the laser source and the regulation source.
  • the wavelength is determined so that the energy of the photons of the laser beam is less than the energy of the forbidden band of the electronic chip. This implementation prevents the photoelectric interactions in the component. In the case of a silicon component, the wavelength must thus be less than 1, 1 ⁇ .
  • said method comprises two recurrent steps: a first step of activating the laser source and a second step of deactivating the laser source.
  • This implementation creates a cycle phenomenon in the component that accelerates its aging.
  • said method comprises a step of adapting the laser source to an area of interest of the electronic component.
  • This implementation makes it possible to target an area of interest whose size is adjustable according to the needs.
  • said method comprises a step of focusing or adjusting the size of a collimated beam of the laser source on one or more structures of interest of the electronic component.
  • This implementation makes it possible, for example, to target with a high precision, through the use of a high-magnitude objective, a transistor or a logical function of a component for which a sensitive mechanism can intervene, or if the beam is less focused and / or collimated, to solicit a component in whole.
  • the thermal coupling member is a passive cooling device.
  • a passive cooling device includes climatic chambers, cryostats and natural convection devices. It keeps the component at a substantially constant temperature.
  • the thermal coupling member is an active cooling device.
  • An active cooling device includes thermoelectric modules, water cooling devices and forced convention devices. It maintains, more effectively than a passive device, the component at a substantially constant temperature.
  • said electronic component comprises a front face and a rear face and the coupling member may be applied on the same face as the thermal stressing or on opposite faces.
  • the method comprises a radiation stressing step of the electronic chip through an opening, previously formed in the housing, the coupling member preserving optical access to said opening.
  • said method further comprises:
  • a second step of thermally stressing the zone of interest by means of a laser source emitting the predetermined wavelength This implementation makes it possible to solicit the electronic component by two laser sources simultaneously having the effect of increasing the possibilities of energy transfer.
  • a first Laser source is directed to one side while the other source is directed to the other side.
  • FIG. 1 illustrates a device for analyzing the temperature reliability of an electronic component according to a first embodiment, in which the laser beam and the coupling member are directed on the front face;
  • FIG. 2 illustrates an analysis device according to a second embodiment, in which the laser beam is collimated on the front face and the coupling member is in contact with the rear face;
  • FIG. 3 illustrates an analysis device according to a third embodiment, in which the laser beam is focused on the rear face and the coupling member is in contact with the rear face;
  • FIG. 4 illustrates an analysis device according to a fourth embodiment, in which the laser beam is focused on the front face and the coupling member corresponds to a climatic chamber;
  • FIG. 5 illustrates an analysis device according to a fifth embodiment, in which the laser beam is collimated on the front face and the coupling member corresponds to a climatic chamber;
  • FIG. 6 illustrates an analysis device according to a sixth embodiment, in which the laser beam is focused on a large surface of the front face and the coupling member corresponds to a climatic chamber;
  • FIG. 7 illustrates the evolution of the absorption coefficient per centimeter in boron-doped silicon as a function of photons of different energies;
  • FIG. 8 illustrates the evolution of the absorption rate of several materials as a function of the wavelength of the laser.
  • Figure 9 illustrates the evolution of the temperature in the component as a function of the distance to the area of interest.
  • FIG. 1 illustrates a device for analyzing the temperature reliability of an electronic component 10.
  • Said component 10 is composed of a housing 11 surrounding a chip 12, the chip 12 is composed of several layers 13-15 of materials .
  • the chip 12 of FIG. 1 may be composed of an aluminum metallization layer 13, a silicon substrate 14 and a copper lower layer 15.
  • the chip 12 has two opposite faces 17-18, a rear face 18 and a front face 17.
  • the term "housing" 1 1 any element preventing mechanical access to the electronic chip 12.
  • 1 1 housing may for example be formed by a protective shell, an encapsulation resin ...
  • the device imposes a thermal stressing by means of a laser beam 33 emanating from a laser source 32 and a thermal regulation by means of a thermal coupling member 25.
  • the thermal coupling member 25 comprises a source 24 of thermal stress, which can be of any known type.
  • the source 24 of thermal stress comprises a thermoelectric module 29, such as a Peltier module.
  • a Peltier module generally has two opposite faces. When it is supplied with current, one of its faces, called “hot face”, will warm up, while the other face, called “cold face”, will cool down.
  • the source 24 of thermal stress also comprises a thermoregulator module 23, which can be of any known type. This is for example a module thermoregulator circulating heat transfer fluid (water, oil, etc.), implemented to regulate the temperature of a face of the Peltier module, the cold face if it is desired to apply a heat stress to the electronic component 10.
  • the Coupling member 25 also has an end 26 to be thermally coupled to source 24 of thermal stress.
  • the end 26 of the coupling member 25 is wholly or partly made of thermally conductive material, for example copper or copper alloy, aluminum or aluminum alloy, etc.
  • the end 26 of the coupling member 25 is adapted, by its geometry, to be introduced into an opening 19 previously formed in the housing 1 1 of the electronic component 10.
  • geometric of the end 26 is meant its external volume, that is, its shape and dimensions.
  • the opening 19 previously formed in the housing 1 1 provides mechanical access to all or part of the front face 17 of the electronic chip 12, with which a coupling face of the end 26 is thermally coupled at the time of entry. stress of the electronic component 10.
  • the coupling member 25 comprises an optical window 30 allowing the laser beam 33 to pass to reach the front face 17 of the electronic chip 12.
  • the optical window 30 can take any known shape such as a cylindrical recess.
  • Figures 2 to 4 show other embodiments of the device for analyzing the temperature reliability of an electronic component 10.
  • the thermal coupling member 25 may take different forms other than that of Figures 1 and 3 comprising a thermoelectric module.
  • FIG. 2 shows a forced convection system in which the coupling member 25 is in contact on the entire rear face 18 of the electronic chip 12.
  • the coupling member 25 can thus be traversed by a hydraulic circuit whose temperature of the water is adjustable.
  • Figures 4, 5 and 6 illustrate a coupling member 25 formed by a climatic chamber 37 whose temperature is fully regulated.
  • the laser beam 33 enters the climatic chamber by an optical access window having a glazed surface.
  • the coupling member 25 has the effect of limiting as much as possible the thermal stress experienced by the whole of the electronic component 10 to the zone of interest 20.
  • the localized stress can be effective only if localized heating is coupled to a dissipation phase to evacuate the heat generated locally or if a second source is used to force a thermal gradient in the area of interest.
  • the coupling member 25 can be positioned on the opposite side to the laser excitation (in the case of FIG. 2) or on the same side (in the case of FIGS. 1 and 3) or can encompass the electronic component 10 (as in FIG. 4). .
  • the function of the coupling member 25 is to amplify the thermal stresses and to constrain the electronic component 10 more locally.
  • the laser beam 33 makes it possible to create a localized heating in a precise layer 13-15 of the electronic chip 12.
  • the energy of the laser source 30 is adjusted so that the temperature at the surface of the aluminum layer 13 is +200 ° C.
  • the copper layer 15 serves as an interface with the coupling member 25 imposing a temperature of -20 ° C.
  • the presence of active cooling makes it possible to greatly reduce the temperature at the silicon layer 14 of the electronic chip 12 while maintaining a high level of temperature at the level of the aluminum layer 13 on which the area of interest is placed.
  • the laser beam 33 can also be focused by means of optical lenses 34 of different magnitudes as shown in FIGS.
  • the focused laser beam 33 allows, according to the objective used, to urge one or more elementary structures of the electronic component 10 or an entire component. In the case of Figure 6, the focused laser beam can solicit a component in whole. In contrast, the laser beam 33 may also be collimated, as shown in Figures 2 and 5, to adjust the size of the thermally biased area of interest. Moreover, the device can implement several laser beams 33 to increase the stress. For example, two laser beams 33 may be arranged on either side of the electronic component 10 to bias an elementary structure independently of the position of the coupling member 25. A first laser source is then arranged to bias the component 10 by the front face 17 and a second laser source is arranged to bias the component 10 by the rear face 18. The two laser sources must emit beams of different wavelengths determined according to the layers 13-15 of materials that the laser beams must cross to solicit the same area of interest 20.
  • the laser source 32 When the laser source 32 emits, it very locally heats the material. Due to the small heated surface, very rapidly, when the laser source 32 no longer emits, the zone of interest 20 returns to ambient temperature or to the operating temperature.
  • the laser beam 33 can thus be used to simulate aging of the electronic component 10 by alternating laser excitation phases and non-excitation phases.
  • the laser source 32 may also emit a pulsed or non-pulsed laser beam 33.
  • the wavelength ⁇ of the laser source 32 is determined according to three criteria:
  • the energy of the photons must be less than the forbidden band energy of the chip 12 to prevent photoelectric interactions in the materials.
  • the wavelength ⁇ should be greater than 1, 1 ⁇ if the beam is to cross this area before reaching the area of interest.
  • Figure 7 illustrates the absorption rate ⁇ (in cm-1) in a layer of boron-doped silicon material (the dopings are given in 1 e18 / cm3) as a function of different photon energies ⁇ and for different amounts of doping.
  • the energy ⁇ of the photons is directly connected to the wavelength ⁇ by the Planck constant and the celerity of the light.
  • the photon energy ⁇ has a decay phase followed by a growth phase.
  • the absorption rate ⁇ changes between 30 and 10 then between 10 and 300 whereas for a doping of 120e18 / cm3, the absorption rate ⁇ changes between 1800 and 800 then between 800 and 2000.
  • the minimum energy ⁇ differs depending on the amount of doping, this minimum is substantially located to 1 .12 electronvolts (eV) at 300 K.
  • a length a wavelength ⁇ close to a value greater than 1 .1 ⁇ corresponding to an energy ⁇ of 1 .12 eV is preferably used, the silicon being transparent for these wavelengths with respect to the linear absorption mechanisms.
  • This analysis differs according to the material of the layer or layers to be crossed.
  • FIG. 8 illustrates the absorption rate T of the laser for different materials as a function of the wavelength ⁇ of the laser source 30.
  • the materials represented are aluminum (Al), silver (Ag ), copper (Cu), gold (Au), molybdenum (Mo) and iron (Fe). Except for aluminum, for all the other materials presented, the absorption rate ⁇ decreases the longer the wavelength ⁇ increases. As regards aluminum, the absorption rate ⁇ decreases to a wavelength ⁇ of 0.5 ⁇ and then has a resonance peak.
  • a wavelength ⁇ between 800 nm and 1 .5 ⁇ can be advantageously used.
  • the choice is preferably made on a wavelength ⁇ of 1 .3 ⁇ or 1 .5 ⁇ .
  • FIG. 9 represents the evolution of the temperature (in Kelvin) in the thickness (in ⁇ ) of a chip 12, comprising an aluminum layer 13, a silicon layer 14 and a copper layer 15, solicited at the of the aluminum layer 13.
  • the temperature at the aluminum layer 13 is about 400 K and then it decreases rapidly in the thickness of the silicon layer 14 between 390 K and 345 K.
  • the temperature decreases still in the thickness of the copper layer 15 between 310 K and 260 K.
  • the laser beam 33 thus effectively heats the aluminum layer 13 while the coupling member 25 allows a rapid dissipation of heat to reduce the thermal stress of the other layers 14-15.
  • the invention makes it possible to solicit an electronic component 10 in a localized manner and on large temperature variations.
  • the invention can be applicable to any type of electronic components (digital, linear, power) and technologies (modulo an adjustment of the wavelength ⁇ of the laser).
  • the invention can also be used on any physical system (solid, liquid) requiring localized stressing.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé d'analyse de la fiabilité en température d'un composant (10) électronique comportant une puce (12) électronique montée dans un boîtier (11), ladite puce (12) électronique étant composée de plusieurs couches (13-15) de matériaux, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : - couplage thermique d'un organe de couplage (25), thermiquement conducteur, avec la puce (12) électronique; - détermination d'une longueur d'onde en fonction des couches (13-15) de matériau à traverser et du taux d'absorption d'une couche de matériau à solliciter; et - mise sous contrainte thermique d'une zone d'intérêt (20) au moyen d'une source laser (32) émettant la longueur d'onde prédéterminée.

Description

PROCEDE D'ETUDE DE LA FIABILITE EN TEMPERATURE D'UN
COMPOSANT ELECTRONIQUE
Domaine de l'invention
La présente invention appartient au domaine de l'analyse des composants électroniques, et concerne plus particulièrement les procédures d'analyse du fonctionnement de composants électroniques soumis à des contraintes thermiques. Les composants électroniques, avant leur mise en œuvre, sont généralement soumis à des procédures d'analyse au cours desquelles ces composants sont notamment soumis à des contraintes représentatives des contraintes opérationnelles, c'est-à-dire des contraintes auxquelles ils sont susceptibles d'être confrontés dans leur environnement final. Ces procédures d'analyse s'avèrent particulièrement importantes, notamment, pour les composants amenés à fonctionner dans des environnements très contraints, tels que des composants devant être mis en œuvre dans des missions spatiales et/ou militaires, dans des aéronefs, dans des centrales énergétiques, etc. Etat de la technique
Au cours d'une procédure d'analyse de la fiabilité d'un composant électronique, il est courant de soumettre le composant en fonctionnement à une contrainte thermique, qui correspond par exemple à une contrainte thermique opérationnelle (on parle alors de test de fonctionnement) ou à une contrainte thermique appliquée en vue d'accélérer le vieillissement dudit circuit intégré (on parle alors de test de vieillissement).
Les tests de vieillissement permettent de révéler les mécanismes de défaillance tels que le claquage de l'oxyde de grille des transistors, l'instabilité de la tension de seuil en température ainsi que le phénomène d'électromigration présent au niveau des métallisations. Ces tests de vieillissement permettent en outre d'anticiper la fatigue thermomécanique du composant présente au niveau des connectiques, des métallisations et de la couche d'arrêt entre les couches de gravure et d'oxyde d'un composant.
Pour réaliser les tests de fonctionnement ou de vieillissement, une méthode consiste à procéder à des essais en chambre climatique ou sous une cloche de conditionnement. Ainsi, le composant et son support sont sollicités, statiquement ou par cycle, en température. Cependant, ces essais sollicitent un grand nombre d'éléments tels que la puce du composant, le boîtier, les brasures, les broches de connexion, les fils de connexion, limitant ainsi les possibilités d'interprétation des mécanismes de défaillance.
Des méthodes, par contact physique avec des éléments thermiquement conducteurs, permettent une localisation de la contrainte en température, notamment au niveau de la puce. Une préparation spécifique du composant est alors nécessaire pour rendre possible un accès physique direct à la zone d'intérêt (métallisation/semi-conducteur/...). Parmi ces méthodes, on pourra citer celle consistant à réaliser une contrainte thermique localisée à l'aide d'un module à effet Peltier couplé à un élément thermiquement conducteur qui réalise le contact avec le matériau contraint (semi-conducteur, métal, ...) décrite dans la demande de brevet français N ° FR 2 959 018. Ainsi, la contrainte thermique est bien plus localisée que dans le cas d'un test en étuve par exemple. Cependant, pour des raisons mécaniques, cette méthode ne permet pas de réduire la taille de l'élément mis en contact avec la zone d'intérêt en dessous du mm2. Or, une zone de sollicitation de taille plus réduite permettrait de limiter échauffement des zones autour de celle d'intérêt. Par ailleurs, cette méthode nécessite un contact physique entre la zone d'intérêt et l'élément thermiquement conducteur ce qui, dans certains cas, peut être limitant. Dans d'autres cas, il est intéressant de pouvoir solliciter au contraire sur de beaucoup plus larges surfaces (le contact mécanique pouvant difficilement être assuré sur de larges surfaces, notamment en présence d'aspérités ou de différentes couches). Exposé de l'invention
La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant une solution qui permet de localiser des contraintes thermiques sur un composant électronique au moyen d'un faisceau laser couplé à un dispositif de refroidissement du composant.
A cet effet, la présente invention concerne, dans son acception la plus générale, un procédé d'analyse de la fiabilité en température d'un composant électronique comportant une puce électronique montée dans un boîtier, ladite puce électronique étant composée de plusieurs couches de matériaux, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
- couplage thermique d'un organe de couplage, thermiquement conducteur, avec la puce électronique ;
- détermination d'une longueur d'onde en fonction des couches de matériau à traverser et du taux d'absorption d'une couche de matériau à solliciter ; et
- mise sous contrainte thermique d'une zone d'intérêt au moyen d'une source laser émettant la longueur d'onde prédéterminée.
Il existe des méthodes d'analyse de défaillance de composant par chauffage laser permettant de repérer des zones d'un composant semiconducteur ayant subi une dégradation. L'invention permet de mettre en œuvre, par exemple, la méthode de modification de la tension induite thermiquement « TIVA » (pour « Thermally induced voltage altération ») ou la méthode de modification de la résistance induite thermiquement « OBIRCH » (pour « Optical beam induced résistance change »).
Dans le cas de la méthode de modification de la résistance induite thermiquement « OBIRCH », il s'agit notamment d'identifier des dégradations dans les métallisations du composant électronique. Cette méthode s'appuie sur une modification locale des propriétés (résistivité par exemple) de la métallisation suivant que la zone impactée est dégradée ou non. Les variations de température générées par le faisceau laser sont cependant dans ce cas ajustées (en énergie, fréquence ou durée) de telle manière à ne pas contribuer à dégrader ou vieillir le composant. Les variations de température produites sont typiquement de l'ordre de la dizaine de degrés.
L'invention permet ainsi de simuler, sur la base des mécanismes physiques de chauffage laser, des domaines de température bien plus importants permettant de reproduire, de manière localisée (à l'échelle d'une ou quelques structures élémentaires dans le composant) les contraintes environnementales et/ou fonctionnelles d'un composant électronique. L'invention permet, par exemple, d'imposer des températures variant entre -55 °C à +125° C, suivant les caractéristiques de lasource laser et de la source de régulation.
Selon une mise en œuvre, la longueur d'onde est déterminée de sorte que l'énergie des photons du faisceau laser soit inférieure à l'énergie de la bande interdite de la puce électronique. Cette mise en œuvre permet de prévenir les interactions photoélectriques dans le composant. Dans le cas d'un composant en silicium, la longueur d'onde doit être ainsi inférieure à 1 ,1 μιτι.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte deux étapes récurrentes : une première étape d'activation de la source laser et une deuxième étape de désactivation de la source laser. Cette mise en œuvre créée un phénomène de cycle dans le composant qui accélère son vieillissement.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une étape d'adaptation de la source laser sur une zone d'intérêt du composant électronique. Cette mise en œuvre permet de cibler une zone d'intérêt dont la taille est réglable en fonction des besoins. De préférence, ledit procédé comporte une étape de focalisation ou d'ajustement de la taille d'un faisceau collimaté de la source laser sur une ou plusieurs structures d'intérêt du composant électronique. Cette mise en œuvre permet par exemple, de cibler avec une grande précision, par le biais de l'utilisation d'un objectif à forte magnitude, un transistor ou une fonction logique d'un composant pour lequel un mécanisme sensible peut intervenir, ou si le faisceau est moins focalisé et/ou collimaté, de solliciter un composant en entier. Selon une mise en œuvre, l'organe de couplage thermique est un dispositif de refroidissement passif. Un dispositif de refroidissement passif comprend les enceintes climatiques, les caissons à cryostats et les dispositifs à convection naturelle. Il permet de maintenir le composant à une température sensiblement constante.
Selon une mise en œuvre, l'organe de couplage thermique est un dispositif de refroidissement actif. Un dispositif de refroidissement actif comprend les modules thermoélectriques, les dispositifs de refroidissement à eau et les dispositifs à convention forcée. Il permet de maintenir, plus efficacement qu'un dispositif passif, le composant à une température sensiblement constante.
Selon une mise en œuvre, ledit composant électronique comprend une face avant et d'une face arrière et l'organe de couplage peut être appliquée sur la même face que la mise sous contrainte thermique ou sur des faces opposées. Cette mise en œuvre permet d'adapter très efficacement le dispositif de mise en œuvre du procédé en fonction du test effectué.
Selon une mise en œuvre, le procédé comporte une étape de mise sous contrainte de rayonnement de la puce électronique à travers une ouverture, préalablement ménagée dans le boîtier, l'organe de couplage préservant un accès optique à ladite ouverture. Cette mise en œuvre permet de limiter les pertes d'énergie du laser pour traverser le boîtier.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte en outre :
-une seconde étape de détermination d'une longueur d'onde en fonction des couches de matériau à traverser et du taux d'absorption de la couche de matériau à solliciter et
- une seconde étape de mise sous contrainte thermique de la zone d'intérêt au moyen d'une source laser émettant la longueur d'onde prédéterminée. Cette mise en œuvre permet de solliciter le composant électronique par deux sources laser simultanément ayant pour effet d'augmenter les possibilités de transfert d'énergie. De préférence, une première source laser est dirigée sur une face alors que l'autre source est dirigée sur l'autre face.
Brève description des dessins
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, des modes de réalisation de l'invention, en référence aux Figures dans lesquelles :
• la Figure 1 illustre un dispositif d'analyse de la fiabilité en température d'un composant électronique selon un premier mode de réalisation, dans lequel le faisceau laser et l'organe de couplage sont dirigés sur la face avant ;
• la Figure 2 illustre un dispositif d'analyse selon un deuxième mode de réalisation, dans lequel le faisceau laser est collimaté sur la face avant et l'organe de couplage est en contact avec la face arrière ;
• la Figure 3 illustre un dispositif d'analyse selon un troisième mode de réalisation, dans lequel le faisceau laser est focalisé sur la face arrière et l'organe de couplage est en contact avec la face arrière ;
• la Figure 4 illustre un dispositif d'analyse selon un quatrième mode de réalisation, dans lequel le faisceau laser est focalisé sur la face avant et l'organe de couplage correspond à une enceinte climatique ;
• la Figure 5 illustre un dispositif d'analyse selon un cinquième mode de réalisation, dans lequel le faisceau laser est collimaté sur la face avant et l'organe de couplage correspond à une enceinte climatique ;
• la Figure 6 illustre un dispositif d'analyse selon un sixième mode de réalisation, dans lequel le faisceau laser est focalisé sur une large surface de la face avant et l'organe de couplage correspond à une enceinte climatique ; • la Figure 7 illustre l'évolution du coefficient d'absorption par centimètre dans du silicium dopé au bore en fonction de photons de différentes énergies ;
• la Figure 8 illustre l'évolution du taux d'absorption de plusieurs matériaux en fonction de la longueur d'onde du laser ; et
• la Figure 9 illustre l'évolution de la température dans le composant en fonction de la distance avec la zone d'intérêt.
Description détaillée des modes de réalisation de l'invention
La Figure 1 illustre un dispositif d'analyse de la fiabilité en température d'un composant électronique 10. Ledit composant 10 est composé d'un boîtier 1 1 entourant une puce 12, la puce 12 est composée de plusieurs couches 13- 15 de matériaux. Par exemple, la puce 12 de la Figure 1 peut être composée d'une couche de métallisations 13 en aluminium, d'un substrat 14 en silicium et d'une couche inférieure 15 en cuivre. La puce 12 comporte deux faces 17-18 opposées, une face arrière 18 et une face avant 17. Dans le contexte de l'invention, on entend par « boîtier » 1 1 tout élément empêchant un accès mécanique à la puce électronique 12. Le boîtier 1 1 peut par exemple être formé par une coque de protection, une résine d'encapsulation...
Sur la face avant 17, le dispositif impose une mise sous contrainte thermique au moyen d'un faisceau laser 33 émanant d'une source laser 32 et une régulation thermique au moyen d'un organe de couplage thermique 25.
Dans l'exemple de la Figure 1 , l'organe de couplage thermique 25 comporte une source 24 de contrainte thermique, qui peut être de tout type connu. De préférence, la source 24 de contrainte thermique comporte un module thermoélectrique 29, tel qu'un module Peltier. Un module Peltier comporte généralement deux faces opposées. Lorsqu'il est alimenté en courant, l'une de ses faces, dite « face chaude », va s'échauffer, tandis que l'autre face, dite « face froide », va se refroidir. De préférence, la source 24 de contrainte thermique comporte également un module thermorégulateur 23, qui peut être de tout type connu. Il s'agit par exemple d'un module thermorégulateur à circulation de fluide caloporteur (eau, huile, etc.), mis en œuvre pour réguler la température d'une face du module Peltier, la face froide si l'on souhaite appliquer une contrainte de chaleur au composant électronique 10. L'organe de couplage 25 comporte également une extrémité 26 destinée à être couplée thermiquement à la source 24 de contrainte thermique. L'extrémité 26 de l'organe de couplage 25 est, en tout ou partie, réalisé en matériau thermiquement conducteur, par exemple en cuivre ou en alliage de cuivre, en aluminium ou en alliage d'aluminium, etc. L'extrémité 26 de l'organe de couplage 25 est adaptée, par sa géométrie, à être introduite dans une ouverture 19 préalablement ménagée dans le boîtier 1 1 du composant électronique 10. Par « géométrie» de l'extrémité 26, on entend son volume extérieur, c'est-a-dire sa forme et ses dimensions. L'ouverture 19 préalablement ménagée dans le boîtier 1 1 permet d'accéder mécaniquement à tout ou partie de la face avant 17 de la puce électronique 12, avec laquelle une face de couplage de l'extrémité 26 est couplée thermiquement lors de la mise sous contrainte du composant électronique 10.
L'organe de couplage 25 comporte une fenêtre optique 30 permettant le passage du faisceau laser 33 pour atteindre la face avant 17 de la puce électronique 12. La fenêtre optique 30 peut prendre toutes les formes connues tel qu'un évidement cylindrique.
Les Figures 2 à 4 montrent des autres modes de réalisation du dispositif d'analyse de la fiabilité en température d'un composant électronique 10.
L'organe de couplage thermique 25 peut prendre différentes formes autres que celle des Figures 1 et 3 comprenant un module thermoélectrique. La
Figure 2 montre un système de convection forcée dans lequel l'organe de couplage 25 est en contact sur toute la face arrière 18 de la puce électronique 12. L'organe de couplage 25 peut ainsi être parcouru par un circuit hydraulique dont la température de l'eau est réglable. Les Figures 4, 5 et 6 illustrent un organe de couplage 25 formé par une enceinte climatique 37 dont la température est entièrement régulée. Le faisceau laser 33 pénètre dans l'enceinte climatique par une fenêtre d'accès optique comportant une surface vitrée. L'organe de couplage 25 a pour effet de limiter au maximum la contrainte thermique subie par l'ensemble du composant électronique 10 à la zone d'intérêt 20. En effet, la sollicitation localisée ne peut être effective que si réchauffement localisé est couplé à une phase de dissipation pour évacuer la chaleur générée localement ou si une deuxième source est utilisée pour forcer un gradient thermique dans la zone d'intérêt.
L'organe de couplage 25 peut-être positionné du côté opposé à l'excitation laser (cas de la Figure 2) ou du même côté (cas des Figures 1 et 3) ou englober le composant électronique 10 (cas de la Figure 4). L'organe de couplage 25 a pour fonction d'amplifier les contraintes thermiques et contraindre plus localement le composant électronique 10.
Par ailleurs, le faisceau laser 33 permet de créer un échauffement localisé dans une couche précise 13-15 de la puce électronique 12. Par exemple, dans le cas de la Figure 2, sur un empilement de trois couches d'aluminium 13, de silicium 14 et de cuivre 15, la zone chauffée de manière localisée étant l'aluminium, l'énergie de la source laser 30 est ajustée pour que la température au niveau de la surface de la couche d'aluminium 13 soit de +200 ° C. La couche de cuivre 15 sert d'interface avec l'organe de couplage 25 imposant une température de -20 °C. La présence de refroidissement actif permet de diminuer fortement la température au niveau de la couche de silicium 14 de la puce électronique 12 tout en conservant un fort niveau de température au niveau de la couche d'aluminium 13 sur laquelle est placée la zone d'intérêt 20. Le faisceau laser 33 peut également être focalisé au moyen d'objectifs optiques 34 de différentes magnitudes tel qu'illustré sur les Figures 3 et 6. Le faisceau laser 33 focalisé permet suivant l'objectif utilisé de solliciter une ou plusieurs structures élémentaires du composant électronique 10 ou un composant entier. Dans le cas de la Figure 6, le faisceau laser focalisé permet de solliciter un composant en entier. Au contraire, le faisceau laser 33 peut également être collimaté, tel qu'illustré sur les Figures 2 et 5, pour ajuster la taille de la zone d'intérêt 20 sollicitée thermiquement. Par ailleurs, le dispositif peut mettre en œuvre plusieurs faisceaux laser 33 pour augmenter la sollicitation. Par exemple deux faisceaux laser 33 peuvent être disposés de part et d'autre du composant électronique 10 pour solliciter une structure élémentaire indépendamment de la position de l'organe de couplage 25. Une première source laser est alors disposée pour solliciter le composant 10 par la face avant 17 et une deuxième source laser est disposée pour solliciter le composant 10 par la face arrière 18. Les deux sources laser doivent émettre des faisceaux de longueurs d'onde différentes déterminées en fonction des couches 13-15 de matériaux que les faisceaux laser doivent traverser pour solliciter une même zone d'intérêt 20.
Lorsque la source laser 32 émet, elle chauffe très localement le matériau. Du fait de la faible surface chauffée, très rapidement, lorsque la source laser 32 n'émet plus, la zone d'intérêt 20 revient à température ambiante ou à la température de fonctionnement. Le faisceau laser 33 peut ainsi être utilisé pour simuler un vieillissement du composant électronique 10 en alternant des phases d'excitation laser et des phases de non excitation. En outre, la source laser 32 peut également émettre un faisceau laser 33 puisé ou non puisé.
La longueur d'onde λ de la source laser 32 est déterminée selon trois critères :
- limiter les autres phénomènes physiques perturbant le fonctionnement normal du composant 10 notamment dans le cas pour lequel le composant 10 est sous tension,
- permettre au faisceau laser 33 de traverser, le cas échéant, les couches de matériaux pour atteindre la zone d'intérêt 20, et
- maximiser l'absorption de l'énergie laser dans la zone d'intérêt 20.
Pour limiter les autres phénomènes physiques perturbant le fonctionnement normal du composant 10, l'énergie des photons devra être inférieure à l'énergie de bande interdite de la puce 12 pour prévenir des interactions photoélectriques dans les matériaux. Par exemple, dans le cas d'un composant électronique 10 en silicium, la longueur d'onde λ devra donc être supérieure à 1 ,1 μιτι si le faisceau est amené à traverser cette zone avant d'atteindre la zone d'intérêt.
Pour permettre au faisceau laser 33 de traverser différentes couches de matériaux, il s'agit de minimiser les mécanismes d'absorption pour que la majeure partie de l'énergie du faisceau laser 33 puisse être apportée dans la zone d'intérêt 20. A cet effet, la Figure 7 illustre le taux d'absorption τ (en cm-1 ) dans une couche de matériau en silicium dopé au bore (les dopages sont donnés en 1 e18/cm3) en fonction de différentes énergies δ de photons et pour différentes quantités de dopage. L'énergie δ des photons est directement reliée à la longueur d'onde λ par la constante de Planck et la célérité de la lumière. L'énergie δ de photons présente une phase de décroissance suivie d'une phase de croissance. Malgré la représentation logarithmique du taux d'absorption τ qui peut être trompeuse, les évolutions du taux d'absorption τ sont plus prononcées lorsque le dopage du silicium augmente. Par exemple, pour un dopage de 2.8e18/cm3, le taux d'absorption τ évolue entre 30 et 10 puis entre 10 et 300 alors que pour un dopage de 120e18/cm3, le taux d'absorption τ évolue entre 1800 et 800 puis entre 800 et 2000. Le minimum d'énergie δ diffère en fonction de la quantité de dopage, ce minimum est sensiblement situé vers 1 .12 électronvolts (eV) à 300 K. Ainsi, pour des couches de silicium dopé au bore, une longueur d'onde λ proche par valeur supérieure à 1 .1 μιτι correspondant à une énergie δ de 1 .12 eV est préférentiellement utilisée, le silicium étant transparent pour ces longueurs d'onde vis-à-vis des mécanismes d'absorption linéaire. Cette analyse diffère en fonction du matériau de la couche ou des couches à traverser.
Pour que l'absorption de l'énergie laser par la zone d'intérêt 20 soit maximale, la longueur d'onde λ doit être choisie préférentiellement dans un intervalle de valeurs pour lequel le matériau de la zone d'intérêt 20 présente un taux d'absorption τ maximum. A cet effet, la Figure 8 illustre le taux d'absorption T du laser pour différents matériaux en fonction de la longueur d'onde λ de la source laser 30. Les matériaux représentés sont l'aluminium (Al), l'argent (Ag), le cuivre (Cu), l'or (Au), le molybdène (Mo) et le fer (Fe). Exception faite de l'aluminium, pour tous les autres matériaux présentés, le taux d'absorption τ diminue plus la longueur d'onde λ augmente. En ce qui concerne l'aluminium, le taux d'absorption τ diminue jusqu'à une longueur d'onde λ de 0.5 μιτι puis présente un pic de résonnance. Ainsi, pour transférer de l'énergie (et donc échauffer) une métallisation en aluminium, une longueur d'onde λ entre 800 nm et 1 .5μιτι peut être avantageusement utilisée. En combinant cette contrainte avec les contraintes précédentes, lorsque le faisceau laser 33 traverse une couche de silicium 14 pour atteindre la zone d'intérêt 20, le choix se porte préférentiellement sur une longueur d'onde λ de 1 .3 μιτι ou 1 .5 μιτι.
La Figure 9 représente l'évolution de la température (en Kelvin) dans l'épaisseur (en μιτι) d'une puce 12, comprenant une couche en aluminium 13, une couche de silicium 14 et une couche de cuivre 15, sollicitée au niveau de la couche d'aluminium 13. La température au niveau de la couche d'aluminium 13 est environ de 400 K puis celle-ci diminue rapidement dans l'épaisseur de la couche de silicium 14 entre 390 K et 345 K. La température diminue encore dans l'épaisseur de la couche de cuivre 15 entre 310 K et 260 K. Le faisceau laser 33 permet ainsi de chauffer efficacement la couche d'aluminium 13 alors que l'organe de couplage 25 permet une dissipation rapide de la chaleur afin de diminuer la sollicitation thermique des autres couches 14-15.
L'invention permet de solliciter un composant électronique 10 de manière localisée et sur des variations de température importantes. L'invention peut être applicable à tout type de composants électroniques (digital, linéaire, de puissance) et de technologies (modulo un ajustement de la longueur d'onde λ du laser). L'invention peut également être utilisée sur tout système physique (solide, liquide) nécessitant une mise en contrainte localisée.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d'analyse de la fiabilité en température d'un composant (10) électronique comportant une puce (12) électronique montée dans un boîtier (1 1 ), ladite puce (12) électronique étant composée de plusieurs couches (13- 15) de matériaux, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes :
- couplage thermique d'un organe de couplage (25), thermiquement conducteur, avec la puce (12) électronique ;
- détermination d'une longueur d'onde (λ) en fonction des couches (13-
15) de matériau à traverser et du taux d'absorption (τ) d'une couche de matériau à solliciter ; et
- mise sous contrainte thermique d'une zone d'intérêt (20) au moyen d'une source laser (32) émettant la longueur d'onde (λ) prédéterminée.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la longueur d'onde (λ) est déterminée de sorte que l'énergie des photons du faisceau laser soit inférieure à l'énergie de la bande interdite de la puce (12) électronique.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux étapes récurrentes : une première étape d'activation de la source laser (32) et une deuxième étape de désactivation de la source laser (32).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'adaptation de la source laser (32) sur une zone d'intérêt (20) du composant électronique (10).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ajustement de la taille du faisceau, par focalisation ou agrandissement/réduction du faisceau collimaté de la source laser (32) sur une zone d'intérêt du composant électronique (10).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe de couplage (25) thermique est un dispositif de refroidissement passif.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe de couplage (25) thermique est un dispositif de refroidissement actif.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit composant électronique (10) comprend une face avant (17) et une face arrière (18) et l'extrémité (26) de l'organe de couplage (25) peut être appliquée sur la même face (17-18) que la source laser (32) ou sur des faces opposées.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mise sous contrainte de rayonnement de la puce électronique (12) à travers une ouverture (19), préalablement ménagée dans le boîtier (1 1 ), l'organe de couplage (25) préservant un accès optique (30) à ladite ouverture (19).
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
-une seconde étape de détermination d'une longueur d'onde (λ) en fonction des couches (13-15) de matériau à traverser et du taux d'absorption (τ) d'une couche de matériau à solliciter et
- une seconde étape de mise sous contrainte thermique de la zone d'intérêt (20) au moyen d'une source laser (32) émettant la longueur d'onde (λ) prédéterminée.
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