Capteur d’humidité en Si poreux pour la fiabilité des systems in package

Abstract

La problématique de cette thèse est l’amélioration de la fiabilité des systèmes électroniques encapsulés, concernant l’herméticité et les perturbations causées par les infiltrations d’humidité. Le travail consiste en l’étude d’un capteur pour mesurer in situ le taux d’humidité dans les cavités des systèmes encapsulés. Comparativement aux actuelles techniques d’évaluation de l’herméticité, l’intérêt du dispositif réside dans la généralisation du test à chaque cavité, le contrôle de l’atmosphère de la cavité sur une longue période d’utilisation, et la correction automatique de la dérive occasionnée (packaging intelligent). Deux structures en Si poreux (SP) ont été étudiées pour réaliser des capteurs, et ont d’abord été caractérisées d’un point de vue morphologique. Les deux couches ont la même porosité de 45 %. Les mesures de sorption d’azote appliquées aux théories BET et BJH ont montré que SP1 et SP2 présentaient respectivement des surfaces spécifiques de 330 et 223 m²/g, et des diamètres poreux moyens de 4,3 et 5.5 nm. Une nouvelle méthode de caractérisation basée sur le traitement d’image de surface de Si poreux est présentée. La méthode permet d’estimer les distributions de taille de pore (DTP), porosité, surface spécifique et fraction volumique d’oxyde. Elle est validée par la cohérence des résultats obtenus, comparés à ceux donnés par les théories de sorption. Outre le caractère complet de l’analyse, les avantages de cette méthode sont sa simplicité de mise en œuvre, sa non restriction à une gamme de taille de pores, et l’absence d’hypothèse mathématique sur l’estimation de la DTP. Les tests électriques ont montré que SP1 présentait une résistance supérieure à SP2 et que le capteur basé sur SP1 présentait une plus grande sensibilité vis-à-vis de la prise d’humidité : -90 % entre 0 et 80 % d’humidité relative. La spécificité du transport électrique dans les structures étudiées a été mise en évidence expérimentalement, conduisant à l’hypothèse d’une barrière de potentiels à l’interface Si - Si poreux. La plus grande résistance présentée par SP1 a été explicitée par sa plus grande fraction volumique d’oxyde, ainsi que les effets plus prononcés de confinement quantique et de déplétion de surface. L’utilité d’un capteur d’humidité in situ en Si poreux pour l’herméticité des systems in package a été démontrée par les résultats expérimentaux d’un prototype.

This work deals with the improvement of reliability of packaged electronic devices, concerning the hermeticity and the disturbances caused by moisture infiltration. As an analysis method of sealing quality of Systems in Package (SiP), a study of humidity sensors for in situ moisture level evaluation of SiP microcavities is presented. Compared to others analysis methods, the interest of the present one is its global utility for all manufactured chips, the capability to monitor the cavities atmosphere over a long period, and the possibility of automatic drifts correction. Two porous silicon (PS) based structures have been studied to make sensors. First we performed morphological analyses of PS layers. Both have a porosity of 45 %. Nitrogen sorption measurements applied to BET and BJH theories showed that PS1 and PS2 respectively present specific areas of 330 and 223 m²/g and mean pore diameters of 4.3 and 5.5 nm. A new analysis method based on processing of PS surface images is presented. It allows the estimation of pore size distribution (PSD), porosity, specific area, and volumic oxide ratio. The method has been validated by the closeness between its results and sorption theories results. In addition to the method’s completeness, it presents several advantages such as easy-to-use application, no restriction on PSD range, and no computing hypothesis on PSD evaluation. Electrical measurements showed that PS1 resistance is higher than PS2 resistance, and that sensitivity of PS1 based sensors exposed to moisture variation is superior: -90 % from 0 to 80 % relative humidity. Specificity of carriers transport in PS structures has been experimentally underlined; leading to the hypothesis of a potential barrier between PS and non porous Si. Higher resistance has been explained by the higher volumic oxide ratio of PS1, and the more developed quantum confinement and depletion surface effects. Utility of such in situ PS moisture sensor for SiP hermeticity has been demonstrated by preliminary experimental results.