La protection de nombreux capteurs de pression en milieux hostiles se résume souvent en un boitier métallique hermétique rempli d’huile enveloppant la puce. La pression agit alors sur une membrane métallique qui agit sur la puce par l’intermédiaire de l’huile jugée incompressible. Cette encapsulation présente des difficultés de réalisation non négligeables et surtout une limitation des capteurs en température. Les travaux réalisés au cours de cette thèse concernent une encapsulation au niveau wafer du capteur de pression. L’idée principale est d’intégrer la protection de la puce dans le processus de fabrication sur wafer. L’intérêt est alors d’obtenir une protection réalisée de manière collective, réduisant ainsi drastiquement les coûts de production. De plus, une encapsulation au niveau wafer offre la possibilité de réduire considérablement les dimensions du capteur tout en le gardant résistant. La suppression d’éléments intermédiaires telle que l’huile entre la pression et la puce en elle même permet enfin d’espérer des applications possibles à température plus élevée. Une fois l’encapsulation réalisée au niveau wafer, il est nécessaire de réaliser le packaging de premier niveau. Le packaging de premier niveau offre un support à la puce, ce qui la rend manipulable et testable, tant par ses dimensions que par la présence de connexions électriques. L’assemblage au niveau wafer et de premier niveau constituent donc les deux niveaux de packaging qui peuvent avoir une influence directe sur le comportement de la puce.Au niveau de l’encapsulation de niveau wafer, trois techniques d’assemblage (wafer bonding) ont été analysées : le scellement anodique, le scellement eutectique et le scellement direct. Le scellement anodique est la technique la plus éprouvée pour assembler un wafer de verre sur un wafer de silicium. Le scellement eutectique représente une technique moins commune mais offrant l’intérêt d’utiliser deux wafers silicium, limitant la différence de dilatation thermique entre les deux wafers et permettant d’usiner plus facilement le wafer d’encapsulation. Enfin la technique du direct bonding donne l’opportunité d’éviter d’utiliser une couche intermédiaire métallique entre les deux wafers, à condition d’avoir deux surfaces à assembler très propres et de très bonne qualité. La technique de soudure anodique a permis de livrer les capteurs qui ont pu confirmer l’intérêt des capteurs WLP pour des applications hautes températures. Les techniques silicium-silicium ont été évaluées mais n’ont pas donné lieu à des capteurs WLP testables.Au niveau de l’encapsulation de niveau un, la technique de Flip-Chip à été utilisée pour reporter la puce sur son support. Cette technique consiste à retourner la puce et l’assembler par thermocompression. Les plots de connexions de la puce pour cet assemblage ont pu être réalisés par ball bumping. Des cycles en température (-55°C à +125°C ou 150°C) ont pu être réalisés sur les puces scellées par scellement anodique. L’erreur totale en précision de ces capteurs WLP est du même ordre que les capteurs Auxitrol actuels avec une compensation numérique. Le principal atout des capteurs WLP est une non-linéarité de l’offset en température divisée par deux. Cette caractéristique est importante dans le cas où l’on utilise une compensation analogique qui peut résister à des températures plus élevées que la compensation numérique. Les capteurs WLP offre donc l’opportunité d’avoir des applications au-delà de 200°C, chose alors jusqu’alors prohibée par l’utilisation de l’huile / Protection of most of the pressure sensors working in harsh environment consist in oil filled metallic unit including the sensor die. In that case, pressure is applied on a metallic membrane moving the silicon membrane of the die across an incompressible fluid. The main drawbacks of the standard encapsulation are a complex fabrication process and most of all a sensor limitation in high temperatures. The topic of this PhD thesis is about wafer-level packaging (WLP) of the pressure sensor. The main idea is to integrate the die protection in the fabrication process at wafer level. Advantage is to obtain a collective protection fabrication reducing production costs. Moreover, a wafer-level encapsulation allows a possible reduction of sensor dimensions keeping it reliable. Removing intermediary elements allows also high temperature applications. Once encapsulation realised on the wafer, it is necessary to build the first-level packaging. First-level packaging makes the die usable in terms of electrical connection and dimensions. Wafer and first-levels are both packaging levels with important impact on the die behaviour.At wafer-level packaging, three wafer bonding technologies have been investigated: anodic bonding, Au-Si eutectic bonding and direct bonding. Anodic bonding is the most known technology to assemble a glass wafer with a silicon wafer. Eutectic bonding represents a promising technique to bond two silicon wafers allowing less CTE mismatch between wafers material and an easier micromachining of silicon instead of glass material. Direct bonding is also interesting to bond two silicon wafers, without using intermediary metallic layer but needing really clean surfaces to assemble. Anodic bonding process gave us the opportunity to deliver WLP sensors showing interest for high temperature applications. Silicon-Silicon technologies have been evaluated but did not give representative WLP sensors.At first-level packaging, the Flip-chip technology have been used for die attach. This technique consists in flipping the die and making the die attach by thermocompression with stud bumps on the die connection pads.Temperature cycling (-55°C to +125°C or more) have been realised on anodic WLP sensors. Accuracy total error of these WLP sensors is in the same order than standard Auxitrol sensors with digital compensation. the main advantage of the WLP sensors is a offset non-linearity in temperature divided by two. This characteristic is important in the case of analogical compensation that can resist to higher temperatures than digital compensation elements. In definitive, WLP sensors offer a good opportunity to have application over 200°C, prohibited at present with the presence of oil for standard Auxitrol sensor
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2011ISAT0035 |
| Date | 02 December 2011 |
| Creators | Le Neal, Jean-François |
| Contributors | Toulouse, INSA, Temple-Boyer, Pierre, Pons, Patrick |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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