FR3070550A1 - METHOD FOR ASSEMBLING ELECTRICAL CONNECTORS - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé d'assemblage d'au moins une paire (3) de connecteurs (11, 21), comprenant, pour chaque paire de connecteurs (11, 21), une solidarisation par une mise en contact et brasage d'un premier connecteur (11) de la paire de connecteurs, formé sur une première face (12) d'un premier composant (10), et d'un deuxième connecteur (21) de la paire de connecteurs, formé sur une première face (22) d'un deuxième composant (20), le procédé comprenant, avant la mise en contact et le brasage, un traitement d'au moins un parmi le premier composant (10) et le deuxième composant (20) par immersion de sa première face dans un bain d'une solution liquide détergente (12, 22).The present invention relates to a method of assembling at least one pair (3) of connectors (11, 21), comprising, for each pair of connectors (11, 21), a connection by contacting and brazing of a first connector (11) of the pair of connectors formed on a first face (12) of a first component (10) and a second connector (21) of the pair of connectors formed on a first face ( 22) of a second component (20), the method comprising, prior to contacting and brazing, a treatment of at least one of the first component (10) and the second component (20) by immersion of its first in a bath of a liquid detergent solution (12, 22).
Description
DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne en général le domaine de l’assemblage de dispositifs électroniques, plus particulièrement dans le domaine de la microélectronique qui inclut ici les nanotechnologies, cet assemblage permettant un raccordement électrique et mécanique de composants. A titre d’illustration uniquement, ces composants sont par exemple de nature optoélectronique.The present invention generally relates to the field of assembly of electronic devices, more particularly in the field of microelectronics which here includes nanotechnologies, this assembly allowing electrical and mechanical connection of components. By way of illustration only, these components are for example of optoelectronic nature.
L’invention trouve pour application avantageuse mais non limitative la fabrication de dispositifs microélectroniques. Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec les moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS...).The invention finds for advantageous but not limiting application the manufacture of microelectronic devices. By microelectronic device is meant any type of device produced with the means of microelectronics. These devices include in particular in addition to purely electronic devices, micromechanical or electromechanical devices (MEMS, NEMS ...) as well as optical or optoelectronic devices (MOEMS ...).
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUETECHNOLOGICAL BACKGROUND
Les systèmes microélectroniques sont de complexité croissante ce qui implique des interconnexions électriques multiples. Notamment, il est connu de reporter des composants sur d’autres composants par le biais de connecteurs servant à la fois à la liaison mécanique et à la continuité électrique. Certains connecteurs sont par exemple des pastilles métalliques (formées par exemple d’une métallisation Ti/Ni/Au), d’autres sont par exemple des bossages ou microbossages (autrement appelés bumps ou micro bumps en anglais en fonction de leur taille) qui comportent par exemple une base en cuivre surmontée d’un matériau (typiquement de l’étain) apte au brasage au moment de sa mise en contact à haute température avec un autre connecteur, de même conception ou de conception différente, tels des pastilles métalliques ou une piste de cuivre.Microelectronic systems are of increasing complexity which implies multiple electrical interconnections. In particular, it is known to transfer components to other components by means of connectors serving both for mechanical connection and for electrical continuity. Some connectors are for example metal pads (formed for example of a Ti / Ni / Au metallization), others are for example bosses or microbossings (otherwise called bumps or micro bumps in English depending on their size) which comprise for example a copper base surmounted by a material (typically tin) suitable for soldering when it is brought into contact at high temperature with another connector, of the same design or of a different design, such as metal pellets or a copper track.
Plus précisément, les deux composants sont mis en vis-à-vis par une technique de retournement de puce (appelée flip-chip en anglais) de sorte que les connecteurs des composants soient en regard, puis les composants sont rapprochés jusqu’au contact des connecteurs. Ensuite l’ensemble est chauffé pour que le matériau de brasure fonde et établisse un joint entre les deux connecteurs, puis se solidifie lors du retour à température ambiante. Cette méthode permet autant un assemblage unitaire de composants qu’un assemblage collectif de composants. Un assemblage unitaire consiste en l’assemblage d’un seul composant sur un seul autre composant. Un assemblage collectif consiste en l’assemblage d’une pluralité de composants sur une autre pluralité de composants en une seule étape. Dans ce cas, l’autre pluralité de composants peut être un ensemble de composants disposés sur le plateau de travail de l’équipement d’assemblage, ou bien un ensemble de composants disposés sur une plaque indépendante, ou bien encore un wafer avant la singularisation des composants.More precisely, the two components are brought face to face by a flip-chip technique (called flip-chip in English) so that the connectors of the components are facing each other, then the components are brought together until contact with the connectors. Then the whole is heated so that the solder material melts and establishes a joint between the two connectors, then solidifies when it returns to room temperature. This method allows as much a unitary assembly of components as a collective assembly of components. A unitary assembly consists of assembling a single component on a single other component. A collective assembly consists of assembling a plurality of components on another plurality of components in a single step. In this case, the other plurality of components can be a set of components arranged on the work platform of the assembly equipment, or a set of components arranged on an independent plate, or even a wafer before singling out. components.
Pour réaliser l’assemblage, la méthode la plus couramment utilisée est de déposer sur les connecteurs un flux liquide, puis d’effectuer le cycle thermique de fusion de la brasure en présence de ce flux liquide. Il est connu que le rôle du flux liquide est de désoxyder la surface de la brasure (par exemple en retirant la fine couche d’oxyde d’étain sur une brasure d’étain) et de protéger les connecteurs de l’action néfaste de l’oxygène lors de l’opération, ce qui permet une connexion correcte des connecteurs. En l’absence de flux, les connexions mécaniques et électriques sont de mauvaise qualité, peu fiables, ou ne se font pas du tout. Malheureusement l’utilisation de flux liquide laisse toujours des résidus, qui pénalisent la fiabilité des connexions sur le long terme (dégradation progressive de la connexion à cause de l’action chimique des résidus), ou pénalisent la transmission de lumière entre deux puces (par obstructions des faisceaux) dans le cas où les puces ont une fonction optique (imageurs ou puces photoniques), ou rendent aléatoire l’infiltration de colle dans l’interstice entres les deux composants, laissant une structure sous-jacente, encore possiblement appelée « underfill », qui sera non fiable à cause de la présence de manques ou de bulles d’air piégées.To carry out the assembly, the most commonly used method is to deposit a liquid flow on the connectors, then to carry out the thermal cycle of melting of the solder in the presence of this liquid flow. It is known that the role of the liquid flow is to deoxidize the surface of the solder (for example by removing the thin layer of tin oxide on a tin solder) and to protect the connectors from the harmful action of the oxygen during the operation, which allows correct connection of the connectors. In the absence of flow, the mechanical and electrical connections are of poor quality, unreliable, or are not made at all. Unfortunately, the use of liquid flux always leaves residues, which penalize the reliability of connections in the long term (progressive degradation of the connection due to the chemical action of residues), or penalize the transmission of light between two chips (for example beam obstructions) in the case where the chips have an optical function (imagers or photonic chips), or make random the infiltration of glue into the gap between the two components, leaving an underlying structure, also possibly called "underfill Which will be unreliable due to the presence of missing or trapped air bubbles.
Pour éviter ces problèmes, il est nécessaire de nettoyer les résidus de flux, ce qui est habituellement fait en nettoyant à l’aide de solvants. Malheureusement, la réduction des dimensions, qu’il s’agisse des composants eux-mêmes ou de la taille des connecteurs ou encore des espaces entre supports, complique le retrait de ces résidus car il devient impossible pour le liquide de nettoyage de pénétrer efficacement dans l’interstice étroit entre les composants.To avoid these problems, it is necessary to clean the flux residues, which is usually done by cleaning with solvents. Unfortunately, the reduction in dimensions, whether it be the components themselves or the size of the connectors or the spaces between supports, complicates the removal of these residues because it becomes impossible for the cleaning liquid to effectively penetrate into the narrow gap between the components.
On a donc alternativement parfois recours à des flux gazeux, correspondant à la technique dite sans flux (en anglais fluxless) qu’il faut comprendre comme signifiant sans flux liquide. Ces flux gazeux ont l’avantage de ne pas laisser de résidu. Les gaz employés sont des gaz réducteurs, comme par exemple l’acide formique ou le «forming gaz» (N2/H2), ils sont inflammables et/ou toxiques si bien qu’un environnement de travail spécial est requis, ce qui est un inconvénient au niveau pratique et au niveau de la sécurité. De plus l’expérience montre que leur effet n’est pas toujours avéré et fiable, notamment dans le cas des brasures à base d’étain. Les flux liquides ou gazeux sont aussi connus en usage à titre de prétraitement mais ne s’avèrent pas toujours fiables dans ce type de procédé car l’expérience montre que le rendement d’assemblage est faible.We therefore alternatively sometimes use gas flows, corresponding to the so-called flowless technique (in English fluxless) which must be understood as meaning without liquid flow. These gas flows have the advantage of not leaving a residue. The gases used are reducing gases, such as formic acid or “forming gas” (N 2 / H 2 ), they are flammable and / or toxic so that a special working environment is required, which is a drawback in terms of convenience and security. In addition, experience shows that their effect is not always proven and reliable, in particular in the case of tin-based solders. Liquid or gaseous flows are also known in use as a pretreatment but do not always prove to be reliable in this type of process because experience shows that the assembly yield is low.
C’est donc un objet de l’invention que de pallier au moins en partie les inconvénients des techniques actuelles.It is therefore an object of the invention to at least partially overcome the drawbacks of current techniques.
RESUME DE L’INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
Un aspect non limitatif de l’invention est relatif à un procédé d’assemblage d’au moins une paire de connecteurs comprenant, pour chaque paire de connecteurs, une solidarisation par une mise en contact et le brasage d’un premier connecteur de la paire de connecteurs, formé sur une première face d’un premier composant, et d’un deuxième connecteur de la paire de connecteurs, formé sur une première face d’un deuxième composant.A nonlimiting aspect of the invention relates to a method of assembling at least one pair of connectors comprising, for each pair of connectors, a joining by bringing into contact and soldering of a first connector of the pair of connectors, formed on a first side of a first component, and a second connector of the pair of connectors, formed on a first side of a second component.
Avantageusement, il comprend avant la mise en contact et le brasage, un traitement d’au moins un parmi le premier composant et le deuxième composant par immersion de sa première face dans un bain d’une solution liquide détergente, voire détergente et corrosive.Advantageously, it comprises, before contacting and soldering, a treatment of at least one of the first component and the second component by immersion of its first face in a bath of a liquid detergent, or even detergent and corrosive solution.
De manière surprenante, il s’avère que le traitement préconisé par l’invention, comprenant une immersion de la face de composant à traiter dans un bain d’une solution liquide détergente, procure des résultats de qualité inattendue dans le fait qu’on atteint conjointement une excellente propreté et un excellent rendement d’assemblage. Alors que les techniques actuelles se concentrent sur l’application locale de flux liquide (qui laisse des résidus problématiques), ou l’utilisation de flux gazeux (qui nécessitent un environnement sécurisé et n’ont pas toujours un bon rendement), l’invention propose un procédé de pré-traitement par immersion dans un bain. Cette modalité pratique associée à l’action détergente produit un très bon traitement, sans résidu, et prépare les connecteurs au brasage ultérieur. L’effet de ce traitement est une désoxydation superficielle du matériau de brasure et un retrait de la contamination organique sur chaque connecteur. Cette technique constitue un progrès technique important comparativement aux techniques conventionnelles qui ne produisent pas cette synergie de résultats favorables (propreté des surfaces et bon rendement d’assemblage).Surprisingly, it turns out that the treatment recommended by the invention, comprising immersing the face of the component to be treated in a bath of a detergent liquid solution, provides results of unexpected quality in that it reaches together excellent cleanliness and excellent assembly efficiency. While current techniques focus on the local application of liquid flow (which leaves problematic residues), or the use of gas flow (which require a secure environment and do not always have a good yield), the invention proposes a pre-treatment process by immersion in a bath. This practical modality associated with the detergent action produces a very good treatment, without residue, and prepares the connectors for subsequent soldering. The effect of this treatment is a surface deoxidation of the solder material and removal of organic contamination on each connector. This technique constitutes significant technical progress compared to conventional techniques which do not produce this synergy of favorable results (surface cleanliness and good assembly efficiency).
BREVE INTRODUCTION DES FIGURESBRIEF INTRODUCTION OF FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples, non limitatifs, et sur lesquels :Other characteristics, objects and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows, with reference to the appended drawings, given by way of examples, nonlimiting, and in which:
- la FIGURE 1 montre une vue schématique d’une paire de composants destinés à être assemblés ;- FIGURE 1 shows a schematic view of a pair of components intended to be assembled;
- la FIGURE 2 est un détail de la figure 1 précisant un exemple de réalisation des connecteurs ;- FIGURE 2 is a detail of Figure 1 specifying an exemplary embodiment of the connectors;
- la FIGURE 3 montre une image photographique de l’état de la face d’un composant portant des pastilles métalliques et ayant fait l’objet d’un assemblage par brasage, puis d’un démontage, et dans lequel le cycle thermique de brasage a été fait sous flux gazeux (vapeur d’acide formique) ;- FIGURE 3 shows a photographic image of the state of the face of a component carrying metal pellets and having been the subject of an assembly by brazing, then a disassembly, and in which the thermal cycle of brazing was made under gas flow (formic acid vapor);
- la FIGURE 4 montre une image photographique de l’état de la face d’un composant portant des pastilles métalliques et ayant fait l’objet d’un assemblage par brasage, puis d’un démontage, et dans lequel un flux liquide de type ORLO a été appliqué pour effectuer le brasage ;- FIGURE 4 shows a photographic image of the state of the face of a component carrying metallic pellets and having been the subject of an assembly by brazing, then of a disassembly, and in which a liquid flow of the type ORLO was applied to perform the soldering;
- les FIGURE 5a et 5b sont respectivement des images photographiques de l’état de la face d’un composant portant des pastilles métalliques et ayant fait l’objet d’un assemblage par brasage, puis d’un démontage, et dans lequel un flux liquide de type 0RM1 a été appliqué pour effectuer le brasage, avec fusion du matériau de brasure respectivement à l’air ambiant et sous azote ;- FIGURES 5a and 5b are respectively photographic images of the state of the face of a component carrying metal pellets and having been the subject of an assembly by brazing, then of a disassembly, and in which a flux liquid type 0RM1 was applied to perform the soldering, with fusion of the solder material respectively with ambient air and under nitrogen;
- la FIGURE 6a montre une image photographique de l’état de la face d’un composant portant des pastilles métalliques et ayant fait l’objet d’un assemblage par brasage, puis d’un démontage, et dans lequel un traitement selon l’invention a été pratiqué ;- FIGURE 6a shows a photographic image of the state of the face of a component carrying metallic pellets and having been the subject of an assembly by brazing, then of a disassembly, and in which a treatment according to the invention has been practiced;
- les FIGURES 6b et 6c présentent des images au microscope électronique de l’état de la face d’un composant portant des microbossages en cuivre surmonté d’étain, après avoir été traités selon l’invention.- FIGURES 6b and 6c show images under the electron microscope of the state of the face of a component carrying copper microbosses surmounted by tin, after having been treated according to the invention.
Les dessins sont donnés à titre d’exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l’échelle des applications pratiques.The drawings are given as examples and are not limitative of the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate the understanding of the invention and are not necessarily at the scale of practical applications.
DESCRIPTION DETAILLEEDETAILED DESCRIPTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées suivant toute association ou alternativement :Before starting a detailed review of embodiments of the invention, there are set out below optional features which may possibly be used in any combination or alternatively:
- l’immersion comprend une immersion complète du au moins un parmi le premier composant 10 et le deuxième composant 20 dans le bain ;the immersion comprises a complete immersion of the at least one of the first component 10 and the second component 20 in the bath;
- l’immersion est opérée pendant une durée d’au moins une minute ;- the immersion is operated for a period of at least one minute;
- l’immersion est opérée pendant une durée inférieure ou égale à cinq minutes, et de préférence inférieure à trois minutes ;- the immersion is carried out for a duration less than or equal to five minutes, and preferably less than three minutes;
- on soumet l’au moins un parmi le premier composant 10 et le deuxième composant 20 à des ultrasons durant l’immersion ;- At least one of the first component 10 and the second component 20 is subjected to ultrasound during immersion;
- le pH de la solution liquide détergente est choisi supérieur à 11 pour une solution basique, ou inférieur à 4 pour une solution acide ;- the pH of the detergent liquid solution is chosen higher than 11 for a basic solution, or lower than 4 for an acid solution;
- le pH de la solution liquide détergente basique est choisi entre 11 et 13, et de préférence entre 11.5 et 12.5 ;- the pH of the basic detergent liquid solution is chosen between 11 and 13, and preferably between 11.5 and 12.5;
- le pH de la solution liquide détergente acide est choisi entre 2 et 4, et de préférence entre 2.5 et 3.5 ;- the pH of the acid detergent liquid solution is chosen between 2 and 4, and preferably between 2.5 and 3.5;
- la solution liquide détergente est choisie non moussante ;- the detergent liquid solution is chosen to be non-foaming;
- un rinçage de la première face 12, 22 du au moins un parmi le premier composant 10 et le deuxième composant 20 est opéré après le traitement et avant la mise en contact ;- A rinsing of the first face 12, 22 of the at least one from the first component 10 and the second component 20 is operated after the treatment and before contacting;
- on soumet le premier composant 10 et le deuxième composant 20 à un flux de gaz neutre durant la mise en contact et le brasage ;- The first component 10 and the second component 20 are subjected to a flow of neutral gas during contacting and brazing;
- on utilise un premier connecteur 11 sous forme d’un pilier surmonté d’une bosse d’un matériau à braser ;- Using a first connector 11 in the form of a pillar surmounted by a bump of a material to be brazed;
- on opère le brasage avec au moins un matériau à braser comprenant ou consistant en de l’étain ou de l’indium ;- brazing is carried out with at least one material to be brazed comprising or consisting of tin or indium;
- la mise en contact comprend un rapprochement de la première face 12 du premier composant 10 et de la première face 22 du deuxième composant 20the contacting includes a bringing together of the first face 12 of the first component 10 and of the first face 22 of the second component 20
- il se produit un auto-alignement du premier composant 10 et deuxième composant 20.- there is a self-alignment of the first component 10 and second component 20.
Les figures 1 et 2 fournissent un exemple schématique de composants à assembler. Un premier composant 10 est visible en partie inférieure des dessins et peut par exemple provenir d’un substrat en matériau semiconducteur tel le silicium, ou en saphir monocristallin, ou en verre. Un deuxième composant 20, qui peut être du même type ou non, lui est superposé en vue d’un assemblage. Une face 12 du premier composant 10 se trouve ainsi en regard d’une face 22 de l’autre composant 20.Figures 1 and 2 provide a schematic example of components to be assembled. A first component 10 is visible in the lower part of the drawings and can for example come from a substrate of semiconductor material such as silicon, or of monocrystalline sapphire, or of glass. A second component 20, which may or may not be of the same type, is superimposed on it for assembly. A face 12 of the first component 10 is thus located opposite a face 22 of the other component 20.
Des fonctions, ou éléments fonctionnels, (optiques par exemple) 26 sont portées par la face du deuxième composant 20 opposée à la face 22 dans cet exemple. Tous types de composants employés dans la microélectronique sont visés par l’invention dès lors qu’ils impliquent une connexion électrique et/ou mécanique. Dans les figures 1 et 2, les fonctions 26 peuvent être des microlentilles présentes sur un substrat de verre ou de silicium 20 alors que le premier composant est un interposeur photonique. Le terme connecteur s’entend de tout organe ayant une fonction de raccordement électrique (pour assurer une conduction électrique au travers de deux connecteurs assemblés) et/ou une fonction de raccordement mécanique (pour faire en sorte que les deux composants produisent un raccordement reliant de manière immobile les deux composants).Functions, or functional elements, (optical for example) 26 are carried by the face of the second component 20 opposite the face 22 in this example. All types of components used in microelectronics are targeted by the invention as soon as they involve an electrical and / or mechanical connection. In FIGS. 1 and 2, the functions 26 can be microlenses present on a glass or silicon substrate 20 while the first component is a photonic interposer. The term connector means any organ having an electrical connection function (to ensure electrical conduction through two assembled connectors) and / or a mechanical connection function (to ensure that the two components produce a connection connecting both components).
Suivant un aspect préféré de l’invention, les deux composants sont mis en vis-à-vis par une technique de retournement de puce (appelée flip-chip en anglais) de sorte que les connecteurs des composants soient en regard, puis les composants sont rapprochés jusqu’au contact des connecteurs. On peut réaliser l’assemblage unitaire d’un seul composant sur un seul autre (assemblage « puce sur puce » avec fusion individuelle) ou réaliser un assemblage collectif d’une pluralité de composants sur une autre pluralité de composants. Dans ce cas, l’autre pluralité de composants peut être un ensemble de composants disposés sur le plateau de travail de l’équipement d’assemblage (assemblage « puce sur puce » avec fusion collective), ou bien un ensemble de composants disposés sur une plaque indépendante, ou bien encore un wafer avant la singularisation des composants (assemblage « puce sur wafer »).According to a preferred aspect of the invention, the two components are brought face to face by a flip-chip technique (called flip-chip in English) so that the connectors of the components are facing each other, then the components are close together until the connectors come into contact. We can perform the unitary assembly of a single component on a single other ("chip on chip" assembly with individual fusion) or perform a collective assembly of a plurality of components on another plurality of components. In this case, the other plurality of components can be a set of components arranged on the work platform of the assembly equipment (“chip on chip” assembly with collective fusion), or else a set of components arranged on a independent plate, or even a wafer before the individualization of the components (“chip on wafer” assembly).
Les composants 10, 20 comportent des connecteurs 11, 21 qui sont destinés à être raccordés en produisant une fonction de solidarisation mécanique et/ou une fonction de mise en continuité électrique. Ces derniers sont illustrés par une vue de détail de la figure 1, donnée en figure 2. Leur association, produite par la phase d’assemblage, les couple si bien qu’ils forment une paire 3 de connecteurs 11, 21. En figure 2, le connecteur 11 y est présenté sous forme d’un micro-bossage (de l’anglais micro-bump) doté d’une base 13 par exemple en cuivre et d’une portion supérieure 14 de forme bombée et par exemple en alliage d’étain. L’ensemble 11 peut faire une hauteur de l’ordre de 2 à 30 micromètres, et par exemple avoir une hauteur de base de l’ordre de 5 à 10 micromètres pour une hauteur équivalente de portion supérieure 14.The components 10, 20 include connectors 11, 21 which are intended to be connected by producing a mechanical fastening function and / or an electrical continuity function. The latter are illustrated by a detail view of FIG. 1, given in FIG. 2. Their association, produced by the assembly phase, couples them so that they form a pair 3 of connectors 11, 21. In FIG. 2 , the connector 11 is presented therein in the form of a micro-boss (from the English micro-bump) provided with a base 13 for example of copper and an upper portion 14 of convex shape and for example of alloy d 'tin. The assembly 11 can have a height of the order of 2 to 30 micrometers, and for example have a base height of the order of 5 to 10 micrometers for an equivalent height of upper portion 14.
Le connecteur 21 est quant à lui une pastille métallique (« pad » en anglais) qui comprend par exemple dans le cas dessiné trois couches superposées. La couche inférieure 23 est par exemple en cuivre ou en aluminium avec une épaisseur de l’ordre du micromètre ; la couche intermédiaire 24 est par exemple en nickel avec une épaisseur de l’ordre d’un micromètre ; la couche supérieure est notamment en or et peut faire moins de un micromètre d’épaisseur. L’exemple donné de l’assemblage d’une pastille métallique (pad) et d’un bossage (bump) n’est pas limitatif ; on peut notamment assembler deux bossages.The connector 21 is for its part a metal pad (“pad” in English) which for example comprises in the case drawn three superimposed layers. The lower layer 23 is for example made of copper or aluminum with a thickness of the order of a micrometer; the intermediate layer 24 is for example made of nickel with a thickness of the order of one micrometer; the upper layer is notably made of gold and can be less than a micrometer thick. The example given of the assembly of a metal pad (pad) and a boss (bump) is not limiting; one can in particular assemble two bosses.
Lors de l’assemblage, on va produire une fusion de la brasure présente sur au moins l’un des connecteurs. Dans le cas de la figure 2, c’est la portion supérieure 14 du premier connecteur 11 qui représente la brasure. Il pourra s’agir d’étain comme évoqué ci-dessus, ou encore d’indium (généralement sous forme de billes) ou d’un alliage à base de ces matériaux. Il pourra s’agir de plomb mais cet exemple n’est pas préféré compte-tenu des restrictions réglementaires quant à son usage.During assembly, we will produce a fusion of the solder present on at least one of the connectors. In the case of FIG. 2, it is the upper portion 14 of the first connector 11 which represents the solder. It could be tin as mentioned above, or indium (generally in the form of beads) or an alloy based on these materials. It could be lead but this example is not preferred given the regulatory restrictions on its use.
Auparavant, l’invention propose un traitement d’au moins un parmi les composants 10, 20. Ce traitement s’opère avant les étapes de mise en regard, de rapprochement et de mise en contact des composants. Le traitement peut par exemple être produit séparément mais simultanément pour les deux composants.Previously, the invention provides a treatment of at least one of the components 10, 20. This treatment takes place before the steps of matching, bringing together and bringing the components into contact. The treatment can for example be produced separately but simultaneously for the two components.
Le traitement de l’invention s’opère par immersion dans un bain d’une solution liquide. L’immersion peut être totale, auquel cas c’est le composant complet qui est plongé dans le bain (ou une pluralité de composants si ceux-ci sont groupés sur une plaque support ou font partie d’un wafer). L’avantage est de traiter les deux faces d’un composant en même temps, c’est par exemple utile si le composant est à vocation optique et mérite une propreté de ses deux faces pour une transmission de lumière, ou encore pour le nettoyage de fonction 26 portés par la face du composant opposée à la face par laquelle l’assemblage est à mener à bien. Alternativement, on peut ne mettre en contact qu’une partie du composant considéré avec le bain, de sorte à traiter seulement la face par laquelle s’opère l’assemblage.The treatment of the invention is carried out by immersion in a bath of a liquid solution. Immersion can be total, in which case it is the complete component which is immersed in the bath (or a plurality of components if these are grouped on a support plate or are part of a wafer). The advantage is to treat both sides of a component at the same time, it is for example useful if the component is for optical purpose and deserves a cleanliness of its two sides for a transmission of light, or for the cleaning of function 26 carried by the face of the component opposite to the face by which the assembly is to be carried out. Alternatively, only part of the component in question can be brought into contact with the bath, so as to treat only the face by which the assembly takes place.
De préférence, l’immersion (totale ou partielle, d’au moins une partie de la face comprenant les connecteurs à traiter) est effectuée dans un bac à ultrasons.Preferably, the immersion (total or partial, of at least part of the face comprising the connectors to be treated) is carried out in an ultrasonic tank.
Le temps d’immersion est de préférence supérieur ou égal à une minute et inférieur ou égal à 5 minutes. Une durée maximale ou égale à 3 minutes est convenable. Ensuite, les surfaces ayant fait l’objet de l’immersion sont de préférence rincées par exemple avec de l’eau ou un solvant tel que de l’acétone, de l’éthanol ou de l’isopropanol.The immersion time is preferably greater than or equal to one minute and less than or equal to 5 minutes. A maximum duration or equal to 3 minutes is suitable. Then, the immersed surfaces are preferably rinsed, for example, with water or a solvent such as acetone, ethanol or isopropanol.
On peut ensuite opérer l’assemblage proprement dit, de préférence moins d’une heure après le traitement, de sorte à garder la surface propre et à éviter une ré-oxydation. Il a lieu de préférence sous atmosphère neutre, par exemple sous un flux d’azote. Les conditions de rapprochement des composants 10, 20 et les conditions de brasage peuvent être conventionnelles. Notamment le budget thermique du procédé dépendra du matériau à faire fondre et le cycle thermique peut être identique à ce qui est pratiqué lors des assemblages avec flux liquide.The actual assembly can then be carried out, preferably less than an hour after the treatment, so as to keep the surface clean and to avoid re-oxidation. It preferably takes place under a neutral atmosphere, for example under a flow of nitrogen. The conditions of approximation of the components 10, 20 and the brazing conditions can be conventional. In particular, the thermal budget of the process will depend on the material to be melted and the thermal cycle can be identical to what is practiced during assemblies with liquid flow.
Suivant un mode de réalisation préféré, l’assemblage comprend la mise en vis-à-vis des composants et un relâchement du composant du dessus de sorte à laisser ce composant accommoder des éventuels décalages latéraux entre connecteurs lors du brasage. Cela permet un alignement automatique des connecteurs.According to a preferred embodiment, the assembly comprises the facing of the components and a relaxation of the top component so as to allow this component to accommodate possible lateral shifts between connectors during soldering. This allows automatic alignment of the connectors.
En termes de composition de solution du bain, il s’agit de préférence d’une solution aqueuse. Elle est détergente si bien que ses propriétés tensioactives la rendent capable de retirer les contaminations organiques. Il est souhaitable que la solution ne comporte pas d’agent moussant, pour permettre un rinçage rapide et efficace.In terms of the composition of the bath solution, it is preferably an aqueous solution. It is detergent so that its surfactant properties make it capable of removing organic contamination. It is desirable that the solution does not contain a foaming agent, to allow rapid and effective rinsing.
Suivant une première possibilité avantageuse, la solution est alcaline, avec un pH de préférence au-delà de 11 et optionnellement inférieur à 13, par exemple entre 11,5 et 12,5. Un test a été effectué en diluant à hauteur de 3% en volume un détergent de référence commerciale TFD7 de la société Franklab dans de l’eau. Ce détergent est un détergent à base d’EDTA (Éthylène Diamine Tétra-Acétique), de pyrophosphate de sodium, et d’hydroxyde de potassium. D’une manière générale, ces produits sont utilisables seuls ou selon toutes associations dans l’invention pour la solution détergente. La solution basique obtenue dans l’exemple du TFD7 a donné satisfaction dans un traitement de 3 minutes dans un bain à ultrasons et à température ambiante comme cela est préconisé dans le cadre de l’invention ; ce traitement a permis un traitement efficace des deux composants avant assemblage, l’un portant des connecteurs de type bossage ayant une base en cuivre et une portion supérieure en alliage d’argent et d’étain, l’autre portant des connecteurs plats de type pad comprenant successivement depuis la face du composant du cuivre, du nickel et de l’or. Le traitement ne détériore pas les connecteurs (comme on le constate sur les figures 6b et 6c). Le positionnement et la dépose de type flip-chip a été opéré avec une précision meilleure que 5 micromètres et la fusion de l’alliage d’étain et d’argent a été produite par une température adaptée à cet alliage, par exemple 250°C. Le rendement d’assemblage a été de 100% (dans le sens où 100% des assemblages avaient 100% des connecteurs correctement connectés).According to a first advantageous possibility, the solution is alkaline, with a pH preferably above 11 and optionally less than 13, for example between 11.5 and 12.5. A test was carried out by diluting a commercial reference detergent TFD7 from the company Franklab to 3% by volume in water. This detergent is a detergent based on EDTA (Ethylene Diamine Tetra-Acetic), sodium pyrophosphate, and potassium hydroxide. In general, these products can be used alone or in any combination in the invention for the detergent solution. The basic solution obtained in the example of TFD7 gave satisfaction in a treatment of 3 minutes in an ultrasonic bath and at room temperature as recommended in the context of the invention; this treatment allowed an effective treatment of the two components before assembly, one carrying boss type connectors having a copper base and an upper portion made of silver and tin alloy, the other carrying flat type connectors pad comprising successively from the face of the component of copper, nickel and gold. The treatment does not damage the connectors (as can be seen in FIGS. 6b and 6c). Positioning and removal of the flip-chip type was carried out with an accuracy better than 5 micrometers and the fusion of the tin and silver alloy was produced by a temperature suitable for this alloy, for example 250 ° C. . The assembly efficiency was 100% (in the sense that 100% of the assemblies had 100% of the connectors properly connected).
Suivant une autre option, la solution est acide. De préférence son pH est compris entre 2 et 4 et avantageusement entre 2,5 et 3,5. Par exemple, une solution a été testée qui comprend un détergent acide de référence commerciale Neutrax PF de la société Franklab, dilué à 3% en volume dans l’eau. Le Neutrax PF est un détergent à base d’acide acétique et d’acide citrique. D’une manière générale, ces produits sont utilisables seuls ou selon toutes associations dans l’invention pour la solution détergente. On a procédé comme précédemment avec la composition alcaline pour la durée, la température et les ultrasons, sur la base d’un même type de composants, avec les mêmes matériaux et formes de connecteurs. Le résultat du traitement a été équivalent au cas de la solution basique. Le placement initial par report de type flip chip a été opéré avec une précision meilleure que 5 micromètres et la fusion de l’alliage d’étain et d’argent a été produite par une température adaptée à cet alliage, par exemple de 250°C. Le rendement d’assemblage a été de 100% (dans le sens où 100% des assemblages avaient 100% des connecteurs correctement connectés).According to another option, the solution is acidic. Preferably its pH is between 2 and 4 and advantageously between 2.5 and 3.5. For example, a solution has been tested which comprises an acid detergent of commercial reference Neutrax PF from the company Franklab, diluted to 3% by volume in water. Neutrax PF is a detergent based on acetic acid and citric acid. In general, these products can be used alone or in any combination in the invention for the detergent solution. We proceeded as before with the alkaline composition for duration, temperature and ultrasound, on the basis of the same type of components, with the same materials and forms of connectors. The treatment result was equivalent to the case of the basic solution. The initial transfer by flip chip type was carried out with an accuracy better than 5 micrometers and the fusion of the tin and silver alloy was produced by a temperature suitable for this alloy, for example 250 ° C. . The assembly efficiency was 100% (in the sense that 100% of the assemblies had 100% of the connectors properly connected).
Sur bille d’indium, la composition acide indiquée précédemment a été testée dans les mêmes conditions, mais cette fois sur des composants à assembler comprenant, pour l’un, des billes d’indium à titre de connecteurs (diamètre de billes: 15 micromètres, pas entre les connecteurs: 30 micromètres), et, pour l’autre, des connecteurs plans du type pad (à trois couches, successivement depuis la face du composant : une de titane de 50 nm, une de platine de 250 nm, une d’or de 100 nm). L’assemblage par le report du type flip chip a été opéré avec une précision meilleure que 5 micromètres et la fusion de l’indium a été produite par une température de 200°C. Le rendement d’assemblage a été de 100% (dans le sens où 100% des assemblages avaient 100% des connecteurs correctement connectés).On an indium bead, the acid composition indicated above was tested under the same conditions, but this time on components to be assembled comprising, for one, indium balls as connectors (ball diameter: 15 micrometers , not between the connectors: 30 micrometers), and, for the other, flat connectors of the pad type (three layers, successively from the face of the component: one of titanium of 50 nm, one of platinum of 250 nm, one 100 nm gold). The assembly by the transfer of the flip chip type was carried out with an accuracy better than 5 micrometers and the melting of the indium was produced by a temperature of 200 ° C. The assembly efficiency was 100% (in the sense that 100% of the assemblies had 100% of the connectors properly connected).
Les figures 3, 4 et 5a, 5b représentent la surface d’un composant à base silicium doté de plots de type « micro bump » à base en cuivre et à portion supérieure en étain/argent, avec un pas de 50 micromètres ; ce composant avait été traité suivant l’invention et assemblé par report flip chip sur un autre composant à connecteurs de type pad comme décrits précédemment (cuivre, nickel, or), avec un brasage à 250°C. Ensuite, on a désolidarisé les composants de sorte à observer l’état de surface et la qualité de la brasure qui avait été obtenue. L’observation du nombre de pads correctement mouillés permet de calculer la proportion de connexions réussies, que l’on souhaite être de 100%. Une statistique sur plusieurs assemblages similaires permet de calculer le rendement d’assemblage (à 100% de connexions) et donc d’évaluer l’efficacité de chaque traitement.FIGS. 3, 4 and 5a, 5b represent the surface of a silicon-based component provided with “micro bump” type studs based on copper and with an upper portion in tin / silver, with a pitch of 50 micrometers; this component had been treated according to the invention and assembled by transfer flip chip onto another component with pad type connectors as described above (copper, nickel, gold), with soldering at 250 ° C. Then, the components were separated so as to observe the surface condition and the quality of the solder which had been obtained. Observing the number of pads properly wetted allows you to calculate the proportion of successful connections, which you want to be 100%. A statistic on several similar assemblies makes it possible to calculate the assembly yield (at 100% of connections) and therefore to evaluate the effectiveness of each treatment.
La figure 3 montre le cas d’un traitement après brasage sous un flux de vapeur d’acide formique à 2%. Le rendement d’assemblage constaté est de 3 puces sur 14 (c’est-à-dire que sur 11 puces parmi les 14 puces, il y avait au moins une connexion défectueuse).FIG. 3 shows the case of a treatment after brazing under a flow of vapor of 2% formic acid. The assembly efficiency observed is 3 chips out of 14 (that is to say that out of 11 chips out of the 14 chips, there was at least one faulty connection).
La figure 4 montre le cas d’un traitement avec un flux liquide de type ORLO (acide organique sans halogénures, dénomination selon la classification de la norme IPC J-STD-004B). Seules 5 puces sur 10 ont été efficacement assemblées, de plus on observe des résidus de flux.Figure 4 shows the case of a treatment with a liquid flow of ORLO type (organic acid without halides, designation according to the classification of the IPC standard J-STD-004B). Only 5 out of 10 chips have been efficiently assembled, moreover flux residues are observed.
La figure 5a montre un cas dans lequel le traitement avait été fait avec un flux liquide de type ORM1 (contenant des halogènes), lors d’une fusion du matériau de brasure à l’air ambiant. La figure 5b montre un cas dans lequel le traitement avait été fait avec le même flux liquide mais lors d’une fusion du matériau de brasure sous flux d’azote azote. Dans les deux cas, le rendement d’assemblage a été total (100%), mais le traitement des connecteurs ayant permis ce rendement s’est fait au détriment de l’état de propreté des surfaces en y laissant de nombreux résidus, ce qui est globalement insatisfaisant, en particulier pour des applications optiques.FIG. 5a shows a case in which the treatment had been carried out with a liquid flow of the ORM1 type (containing halogens), during a fusion of the brazing material with ambient air. FIG. 5b shows a case in which the treatment had been done with the same liquid flow but during a melting of the brazing material under a flow of nitrogen nitrogen. In both cases, the assembly yield was total (100%), but the processing of the connectors that enabled this yield was done to the detriment of the cleanliness of the surfaces, leaving numerous residues there, which is generally unsatisfactory, in particular for optical applications.
Un résultat de l’invention est visible en figure 6a. Il correspond à un composant à base de silicium dont les connecteurs sont des pads identiques à ceux des cas des figures 3, 4, 5a et 5b et ce composant avait été assemblé avec un autre composant visible sur les figures 6b et 6b, dans les mêmes conditions que dans les cas décrits précédemment mais suite à un traitement avec une immersion complète des composants dans un bain d’une solution détergente décrite plus haut à base de TFD7 de la société Franklab diluée à 3 % en volume. Le traitement a eu lieu dans un bain à ultrasons durant une minute à température ambiante. Ensuite, les composants ont été rincés à l’eau désionisée. L’assemblage s’est fait sous flux neutre d’azote, mais dans les mêmes conditions que les cas des figures 3, 4, 5a et 5b par ailleurs. Le résultat de la photographie en figure 6a montre une surface très propre et un mouillage très régulier de la brasure sur les pads, si bien que l’état de surface générale est très bon, et compatible avec des applications optiques. Dans le même temps, le rendement d’assemblage a été de 100%.A result of the invention is visible in Figure 6a. It corresponds to a silicon-based component whose connectors are pads identical to those of the cases in FIGS. 3, 4, 5a and 5b and this component had been assembled with another component visible in FIGS. 6b and 6b, in the same conditions as in the cases described above but following a treatment with complete immersion of the components in a bath of a detergent solution described above based on TFD7 from the company Franklab diluted to 3% by volume. The treatment took place in an ultrasonic bath for one minute at room temperature. Then the components were rinsed with deionized water. The assembly was done under neutral nitrogen flow, but under the same conditions as the cases of Figures 3, 4, 5a and 5b elsewhere. The result of the photograph in FIG. 6a shows a very clean surface and a very regular wetting of the solder on the pads, so that the general surface condition is very good, and compatible with optical applications. At the same time, the assembly efficiency was 100%.
Les observations au microscope électronique à balayage des figures 6b et 6c ont montré au préalable que le traitement ne dégrade pas les connecteurs (ici des bumps). Ainsi, l’invention assure à la fois un assemblage par brasage optimal (rendement d’assemblage de 100%) et un état de surface de très bonne qualité de l’ensemble de la face du composant, ce qui n’a été constaté dans aucun des cas de l’état de la technique visibles aux figures 3,4, 5a et 5b.The observations with the scanning electron microscope of FIGS. 6b and 6c have shown beforehand that the processing does not degrade the connectors (here bumps). Thus, the invention ensures both an optimal soldering assembly (assembly efficiency of 100%) and a very good surface finish of the entire face of the component, which has not been found in none of the prior art cases visible in Figures 3,4, 5a and 5b.
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