La déformation des boîtiers et des panneaux électroniques augmente avec l’agrandissement des boîtiers, des substrats et de l’interposer, ce qui incite les entreprises d’encapsulation à tester des matériaux capables de compenser la dilatation thermique plutôt que de simplement la réduire. Une des approches consiste à utiliser des matériaux à coefficient de dilatation thermique négatif (NTE), qui se contractent ou limitent la dilatation lorsque la température augmente, puis à les mélanger aux résines époxy utilisées dans les composés de moulage et les matériaux de remplissage inférieur (underfill).
Le problème fondamental apparaît lorsque des matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents sont en contact. Lorsqu’ils sont chauffés, chaque composant cherche à se dilater à son propre rythme, mais l’adhésion entre les couches les empêche de se déplacer indépendamment, ce qui génère des contraintes entraînant la courbure du boîtier ou du panneau. Plus la surface de liaison est grande, plus le risque d’affaiblissement ou de défaillance des connexions sur les bords augmente. La déformation peut devenir suffisamment importante pour gêner les équipements de fabrication eux-mêmes ; Knowlton Olmstead, d’Amkor, a expliqué que les outils de fixation par aspiration pouvaient ne pas créer un vide suffisant lorsque la déformation est élevée.
Pourquoi le problème devient-il plus urgent ?
L’agrandissement des boîtiers, des interposers et des panneaux fait partie des tendances de l’encapsulation avancée, mais il accroît la sensibilité du procédé aux différences mécaniques entre le silicium, le substrat et le composé de moulage. La déformation peut parfois être réduite en amincissant le silicium, mais cela peut entrer en conflit avec la nécessité de conserver une épaisseur plus importante pour gérer la puissance thermique, selon Mike Kelly, d’Amkor.
La difficulté augmente avec de nouveaux matériaux comme le verre. Selon Lang Lin, de Synopsys, on parle aujourd’hui de déformation en micromètres, tandis que, dans les panneaux de verre plus grands, elle peut atteindre plusieurs millimètres. Il ne s’agit donc pas d’une simple amélioration esthétique de la formulation d’un matériau, mais de limites de procédé susceptibles d’affecter l’alignement, l’assemblage et le rendement de fabrication.
Comment fonctionnent les matériaux à dilatation négative ?
Certains matériaux présentent effectivement une dilatation thermique négative, mais leur comportement peut se limiter à des plages de température précises ou être lié à un changement de phase. Un effet similaire peut également être obtenu au moyen d’un réseau ou d’une matrice qui limite le mouvement d’un autre matériau. L’idée est que la structure interne n’autorise pas le matériau qu’elle contient à se dilater librement et peut réorienter le mouvement moléculaire de manière à réduire la dilatation globale ou à la transformer en une contraction limitée.
Cette approche s’intéresse autant à la structure de la charge qu’à sa composition chimique. Des réseaux tels que house-of-cards ou rigid-rod offrent différents degrés de rigidité et influencent l’écoulement du matériau ; de même, la manière dont les composants sont assemblés et fonctionnalisés chimiquement détermine leur comportement final. Sanjiv Bhatt, de Mitsubishi Chemical Group, a expliqué qu’il s’agissait davantage d’un problème de réseau ou de structure que d’une propriété d’un matériau unique.
Le but n’est pas nécessairement de produire un matériau ayant un coefficient de dilatation nul. Il s’agit d’ajuster le coefficient de dilatation du composé de moulage afin qu’il se rapproche de ceux de la puce, du substrat et du matériau encapsulant. Cela permet de réduire le désaccord thermique et l’accumulation des contraintes, plutôt que de tenter d’annuler complètement la dilatation.
De la recherche à l’utilisation commerciale
Les matériaux à dilatation thermique négative restent limités. Luke Prenger, de Brewer Science, indique que la β-eucryptite est utilisée dans certains outils céramiques, tandis que le tungstate de zirconium est employé comme additif dans certains types de composés de moulage et de matériaux de remplissage inférieur. La conception de matériaux organiques à dilatation négative dans les trois dimensions est encore plus difficile ; les polymères qui présentent ce comportement tendent à le manifester dans une seule dimension, ce qui fait des additifs inorganiques un élément essentiel de la solution.
Mitsubishi Chemical Group a commencé à fournir un matériau inorganique pouvant être mélangé à des résines époxy afin de personnaliser le coefficient de dilatation ; il est également disponible sous forme prémélangée avec la résine. Cela indique que la technologie passe du domaine de la recherche à celui de produits pouvant être testés dans des applications d’encapsulation électronique, mais non encore à une adoption industrielle généralisée.
Qu’est-ce qui limite la diffusion ?
- Le matériau doit conserver ses performances sur une plage thermique couvrant le traitement et les opérations de fabrication à température plus élevée.
- Il doit pouvoir se mélanger facilement et uniformément aux résines, car une distribution irrégulière peut réduire l’efficacité ou créer un comportement imprévisible.
- La pureté et les impuretés doivent être contrôlées, notamment parce que les émissions produites par les particules alpha peuvent affecter la fiabilité des boîtiers.
- La matrice contraignante ne modifie pas les principales températures de transition thermique du matériau qu’elle contient, telles que la température de transition vitreuse ou la température de fusion.
Analyse de certi.news : le changement réel ne réside pas seulement dans l’annonce d’un nouveau matériau, mais dans la tentative de transférer la gestion de la déformation du niveau de la conception du boîtier à celui de l’ingénierie du matériau lui-même. Si ces formulations démontrent leur capacité à fonctionner de manière stable à différentes températures, elles pourraient contribuer à supprimer l’une des contraintes mécaniques qui limitent les boîtiers et les panneaux de plus grande taille. Toutefois, la source ne fournit pas de données quantitatives sur les performances ni de résultats issus d’une production à grande échelle ; la question ouverte reste donc de savoir si la miscibilité, la stabilité thermique et la pureté permettront de transformer cette approche en pratique standard de l’encapsulation avancée.