With the rapid development in electronic packaging due to product miniaturisation, the size of solder joints is decreasing considerably, thus the failure of solder interconnects induced by electro-migration (EM) and thermo-migration (TM) became a reliability concern. The incorporation of foreign reinforcement can effectively improve properties of the solder alloys. However, this presents an imperative need for a further investigation to elaborate the underlying fundamentals associated with the reliability of reinforced solders. In this study, the Sn-Ag-Cu (SAC) based solder alloy powders as matrix were incorporated with Fullerene (FNS), TiC and Ni-coated graphene (NG) reinforcements to form composite solders through powder metallurgical method. These composite solders were then characterised in terms of their microstructure, physical property, solderability, followed by a systematic investigation of their performance under isothermal ageing, current stressing and large thermal gradient, respectively. The results showed that three types of reinforcements were successfully incorporated into the solder matrix; with all reinforcements added being embedded in the solder matrix or around the intermetallic compounds (IMC). The average loss of FNS and TiC particles in the solders was approximately 80% after the initial reflow, while this was only 40% for NG particles. It has been observed that β-Sn and Ag3Sn in the SAC solder alloys can be refined by adding appropriate amount of FNS and TiC, which is beneficial to the wettability with a reduced coefficient of thermal expansion (CTE) with the minimal influence on the melting point and electrical resistivity of solder alloys. For the SAC alloys without reinforcements, obvious extrusion of interfacial IMC at the anode was present after 360 hours of current (1.5×104 A/cm2) stressing, while the changes of surface profiles of all reinforced solders were unnoticeable. Under the current stressing regimes, a continuous increase of interfacial IMCs at the anode of the original SAC alloys was observed, but decreased at the cathode with stressing time. For the composite solders, both anode and cathode showed a continuous growth of interfacial IMCs; the growth rates of IMCs at the anode were greater than that at cathode. In addition, NG and TiC were found to be most effective to retard the growth of Cu3Sn IMC under current stressing. A gradient in hardness across the stressed SAC joints was present, where it was harder at anode. However, no such obvious gradient was found in SAC/FNS and SAC/NG solder joints. FNS and NG were proven to be beneficial to prolong the service life of solder joints up to approximately 7.6% and 10.4% improvements, respectively. Thermal stressing made the interfacial IMC in the original SAC joints to grow at the cold end considerably; causing serious damage at the hot end after 600 hours under temperature gradient of 1240K/cm stressing; a large number of IMCs, cracks and voids appeared in the SAC solder joints. However, a uniform increase of IMCs at both sides in the composite solders was observed without apparent damages at the interfaces under the same thermal stressing conditions, indicating an effective reduction of the elemental migration in the reinforced solders. Although there were also some voids and IMCs formed in the composite solder joints after a long-term thermal stressing, the integrity of the composite solder joints was enhanced compared with the SAC alloys. During thermal stressing, the dissolution rate of Cu atom into the SAC solder joints was estimated to be 3.1×10-6 g/h, while the values for SAC/FNS, SAC/NG and SAC/TiC were only 1.22×10-6 g/h, 1.09×10-6 g/h and 1.67×10-6 g/h, respectively.

To meet the requirements of miniaturization and multifunction in microelectronics, understanding of their reliability and performance has become an important research subject in order to characterise electronics served under various loadings. Along with the demands of the increasing miniaturization of electronic devices, various properties and the relevant thermo-mechanical-electrical response of the lead-free solder joints to thermal cycling and electro-migration become the critical factors, which affect the service life of microelectronics in different applications. However, due to the size and structure of solder interconnects in microelectronics, traditional methods based on experiments are not applicable in the evaluation of their reliability under complex joint loadings. This thesis presents an investigation, which is based on finite-element method, into the performance of lead-free solder interconnects under thermal fatigue and electro-migration, specifically in the areas as follows: (1) the investigation of thermal-mechanical performance and fatigue-life prediction of flip-chip package under different sizes to achieve a further understanding of IMC layer and size effects of a flip chip package under thermal cycling; (2) the establishment of a numerical method, simulating void-formation/crack-propagation based on the results of finite-element analysis, to allow the prediction of crack evolution and failure time for electro-migration reliability of solder bumps; (3) the establishment of a flow-based algorithm for combination effects of thermal-mechanical and electro-migration that was subsequent implemented in to an FE model to evaluate the reliability assessment of service lives associated with a flip chip package.

Les nano-antennes optiques constituent un élément clé pour le contrôle et l'intéraction lumière/matière à l'échelle nanométrique. Ces systèmes opèrent dans le domaine de l'optique visible et proche infrarouge. Les propriétés de ces composants sont contrôlées en modifiant la taille, la forme et le matériau utilisé. Ces paramètres sont ajustés par les processus de fabrication de l'antenne. Dans le domaine des radio-fréquences, le tuner permet d'ajuster la fréquence de résonance de l'antenne de façon dynamique. Nous avons dans le cadre de cette thèse voulu adapter ce concept de tuner au domaine de l'optique. Le principe employé consiste à changer la résistance de charge de l'antenne, c'est-à-dire l'indice du milieu électrique environnant. Pour cela, nous avons utilisé un matériau anisotrope constitué de molécules de cristaux liquides. L'indice optique est alors modifié par l 'application d'un champ électrique statique. Le changement des propriétés spectrales ainsi que de diffusion d'une antenne de type dimère sont ici démontrées.Toujours en analogie avec les antennes radio-fréquences, nous avons étudié la propriété de transduction électron-photon dans le cas des antennes optiques. Dans ce but, nous avons considéré deux configurations. La première concerne l'utilisation de nanotubes de carbone placés dans une configuration de transistor à effet de champ. Ces objets émettent de la lumière par une recombinaison de paires électrons-trous dans le domaine des longueurs d'ondes Télécom. La seconde configuration emploie des jonctions tunnels fabriquées par électro-migration. Dans ce cas là, la jonction est assimilée à une antenne à interstice. A cause des faibles dimensions des jonctions (autour de 1 nm), nous nous sommes intéressés à la réponse en optique non linéaire de ses objets. Cette technique permet de localiser la jonction tunnel grâce à une forte exaltation du signal. L'etude des différentes caractérisques de ses jonctions sont ici présentées. Une fois la transduction du signal réalisée par l'antenne radiofréquence, celui-ci est acheminé via une ligne de transmission. A l' échelle nanométrique, les guides plasmoniques s'avèrent être un type de structure approprié. Dans ce cas, les guides peuvent à la fois servir d''electrode mais aussi de guide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par microscopie à fuites radiatives, dans l'espace direct et réciproque, la plus simple des géométries : le guide ruban métallique. Nous avons cherché à comprendre, pourquoi ce type de structure présente une largeur de coupure.

L’objectif de ce travail est de concevoir et de caractériser un front-end millimétriqueutilisant des lignes de propagation à ondes lentes S-CPW optimisées en technologies CMOS avancées.Ces lignes présentant des facteurs de qualité 2 à 3 fois supérieurs à ceux des lignes classiques de typemicroruban ou CPW.Dans le premier chapitre, l’impact de l’évolution des noeuds technologiques CMOS sur lesperformances des transistors MOS aux fréquences millimétriques et sur les lignes de propagation ainsiqu’un état de l’art concernant les performances des front-end sont présentés. Le deuxième chapitreconcerne la réalisation des lignes S-CPW dans différentes technologies CMOS et la validation d’unmodèle phénoménologique électrique équivalent. Le troisième chapitre est dédié à la conceptiond’amplificateurs de puissance à 60 GHz utilisant ces lignes S-CPW en technologies CMOS 45 et65 nm. Cette étude a permis de mettre en évidence l’apport des lignes à ondes lentes aux performancesdes amplificateurs de puissance fonctionnant dans la gamme des fréquences millimétriques. Uneméthode de conception basée sur les règles d’électro-migration et permettant une optimisation desperformances a été développée. Finalement, un amplificateur faible bruit et un commutateur d’antennetravaillant à 60 GHz et à base de lignes S-CPW ont été conçus en technologie CMOS 65 nm afin degénéraliser l’impact de ce type de lignes sur les performances des front-end millimétriques. / The objective of this work is to design and characterize a millimeter-wave front-end usingthe optimized slow-wave transmission lines S-CPW in advanced CMOS technologies. The qualityfactor of these transmission lines is twice to three times higher than that of the conventionaltransmission lines such as microstrip lines and coplanar waveguides.In the first chapter, the influence of CMOS scaling-down on the performance of transistors atmillimeter-wave frequencies and on the transmission lines was studied. In addition, a state of the artwith regard to the performance of the front-end was presented. The second chapter concerns about therealization of the S-CPW lines in different CMOS technologies and the validation of an electricalequivalent model. The third chapter is dedicated to the design of 60-GHz power amplifiers using theseS-CPW lines in CMOS 45 and 65 nm technologies. This study highlighted the performanceenhancement of power amplifiers operating at millimeter-wave frequencies by using the slow-wavetransmission lines. A design method based on the electro-migration rules was also developed. Finally,a low noise amplifier and an antenna switch operating at 60 GHz were designed in CMOS 65 nm inorder to generalize the impact of such transmission lines on the performance of the millimeter-wavefront-end.

Les nano-antennes optiques constituent un élément clé pour le contrôle et l’intéraction lumière/matière à l’échelle nanométrique. Ces systèmes opèrent dans le domaine de l’optique visible et proche infrarouge. Les propriétés de ces composants sont contrôlées en modifiant la taille, la forme et le matériau utilisé. Ces paramètres sont ajustés par les processus de fabrication de l’antenne. Dans le domaine des radio-fréquences, le tuner permet d’ajuster la fréquence de résonance de l’antenne de façon dynamique. Nous avons dans le cadre de cette thèse voulu adapter ce concept de tuner au domaine de l’optique. Le principe employé consiste à changer la résistance de charge de l’antenne, c’est-à-dire l’indice du milieu électrique environnant. Pour cela, nous avons utilisé un matériau anisotrope constitué de molécules de cristaux liquides. L’indice optique est alors modifié par l ’application d’un champ électrique statique. Le changement des propriétés spectrales ainsi que de diffusion d’une antenne de type dimère sont ici démontrées.Toujours en analogie avec les antennes radio-fréquences, nous avons étudié la propriété de transduction électron-photon dans le cas des antennes optiques. Dans ce but, nous avons considéré deux configurations. La première concerne l’utilisation de nanotubes de carbone placés dans une configuration de transistor à effet de champ. Ces objets émettent de la lumière par une recombinaison de paires électrons-trous dans le domaine des longueurs d’ondes Télécom. La seconde configuration emploie des jonctions tunnels fabriquées par électro-migration. Dans ce cas là, la jonction est assimilée à une antenne à interstice. A cause des faibles dimensions des jonctions (autour de 1 nm), nous nous sommes intéressés à la réponse en optique non linéaire de ses objets. Cette technique permet de localiser la jonction tunnel grâce à une forte exaltation du signal. L’etude des différentes caractérisques de ses jonctions sont ici présentées. Une fois la transduction du signal réalisée par l’antenne radiofréquence, celui-ci est acheminé via une ligne de transmission. A l’ échelle nanométrique, les guides plasmoniques s’avèrent être un type de structure approprié. Dans ce cas, les guides peuvent à la fois servir d’´electrode mais aussi de guide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par microscopie à fuites radiatives, dans l’espace direct et réciproque, la plus simple des géométries : le guide ruban métallique. Nous avons cherché à comprendre, pourquoi ce type de structure présente une largeur de coupure. / Optical nano-antennae are the new class of components to control light/matterinteraction at the nanoscale. These devices are operating in the visible to near infraredpart of the spectrum. The properties of these nano objects are controlled by theform, the size and the material.In the radio frequency domain, the tuner changes dynamically the operatingwavelength of the antenna. In this thesis work, we search to transfer this conceptto the nanoscale. The principle is to change the load impedance of the antenna, i.e.changing the optical index of the dielectric medium around the nano-object. Forthat we used anisotropic liquid cristal molecules. The value of the optical index iscontrolled by applying an external electrical static field. The effects on the spectraland scattering properties are demonstrated on a single dimer nano-antenna.However with the microwave antennae, we were interesting to the electronsphotonstransduction with an optical antenna. In this mind, we studied two differentsconfigurations. The first one concerns the use of carbon nanotubes placedin a field effect transistor configuration. These nano-objects emit light in the Telecomwavelength range by a radiative combination of electrons and holes. the secondconfiguration used planar tunnel junctions made by electromigration. In this case,the junctions are view as an optical gap antenna. Because the gap are very small(around 1 nm), we have studied the nonlinear optical response of these objects. Thisnonlinear optical characterization allows to determined the location of the tunneljunctions by an enhancement of the optical signal. The results about the properties(electrical and optical) of these tunnel junctions are presented.Once the transduction by the radio frequency antenna is achieved, this signalis transporting by a transmission line. By transposition at the nanoscale, the plasmonicswaveguides prove to be the most appropriate structure. In this case, theycould be used as an electrode or a waveguide. In this thesis work, we have studiedby leakage radiation microscopy, in the direct and reciprocal space, the simplestgeometry : plasmonic metal strips. We search to understand why these structureshave a cut-off width.