Caractérisation thermomécanique de films métalliques déposés en couche mince pour la simulation de la fiabilité de composants microélectroniques de puissance

Thermomechanical simulation of power device is strongly dependent on the precise knowledge of mechanical properties of materials, that composed the device, such as Young modulus and coefficient of thermal expansion. Usually material parameters that are available from data bases refer to bulk material and their variation with temperature and number of fatigue cycles are not given. Our works deal with the development of a methodology for thermomecanical characterization of thin film's materials properties thanks to curvature measurement of bi-layer cantilever microsystem subjected to temperature variation. Young modulus and coefficient of thermal expansion of a 4µm and a 10µm thick aluminium film deposited by DC magnetron sputtering were measured precisely. Cantilever microsystems were also excited at their resonant frequency by harmonic vibration in order to characterise Young modulus variation with number of fatigue cycles. Mechanical properties of materials determined previously were then injected in a finite element model of an ultra low on state resistance power device from Freescale Semiconductor. Electro-thermo-mechanical simulations were done in order to evaluate the impact of connexion between the power die and the package on temperature distribution and stress generate in material.La fiabilité de la simulation thermomécanique de composants de puissance est fortement liée à la précision des paramètres mécaniques tels que le module de Young (E) et le coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux le constituant. La plupart du temps, les valeurs disponibles dans la littérature concernent les matériaux massifs, de plus leurs variations en fonction de la température ainsi que l'évolution de ces propriétés lors de cycles de fatigue sont rarement données. Afin de répondre à ce besoin, une technique a été développée utilisant une micro poutre bicouche (cantilever) qui possède la propriété de se courber lorsqu'elle subit un échauffement. Le module de Young et le cSfficient de dilation thermique de l'aluminium de 4µm et 10µm d'épaisseur, déposé par DC magnétron sputering, ont ainsi été mesurés avec précision. Les structures ont ensuite été soumises à des vibrations harmoniques forcées afin de caractériser l'évolution du module de Young lors de cycles de fatigue répétés. Les propriétés mécaniques des matériaux déterminées de manière expérimentale ont été implémentées dans un modèle éléments finis d'un composant de puissance à très faible résistance à l'état passant (RON) de Freescale semiconducteur. Des simulations électro-thermo-mécaniques ont été effectuées permettant d'évaluer l'impact des connexions entre la puce et le boîtier sur le RON du composant, sur la distribution des températures ainsi que sur les contraintes générées dans les matériaux