Normes de cuisson des chips à haute et basse température

Lors de la fabrication, du conditionnement et de l'intégration des puces semi-conductrices, l'exposition à l'air ambiant pendant la production, le transport et le stockage provoque l'absorption d'humidité. Lorsqu'une puce humide est soumise à des procédés à haute température comme le brasage par refusion, l'eau contenue dans le boîtier s'évapore rapidement, générant une pression de vapeur interne importante. Cette pression peut entraîner le délaminage et la fissuration du boîtier, voire, dans les cas les plus graves, l'explosion catastrophique de la puce (effet popcorn). Une rupture instantanée sous l'effet de la chaleur conduit à la mise au rebut de la totalité du lot. Des durées de stockage prolongées, un emballage sous vide endommagé ou une exposition prolongée après ouverture peuvent favoriser l'absorption d'humidité et l'oxydation, affectant directement les performances électriques et la soudabilité. Un traitement thermique à basse et haute température permet d'éliminer l'humidité résiduelle et les substances volatiles présentes à l'intérieur du boîtier grâce à un chauffage contrôlé, garantissant ainsi que les puces restent sèches, stables et fiables lors des procédés ultérieurs.

I.Normes de cuisson des chips à haute et basse température

1. Plage de cuisson à basse température (40 °C ~ 80 °C) :

Conçu pour les composants très sensibles à la chaleur, notamment les micro-capteurs, les circuits imprimés flexibles et les puces à haut niveau de sensibilité à l'humidité (MSL). Le procédé standard pour les dispositifs sensibles à l'humidité conditionnés en bobine consiste en un traitement à 70 °C pendant 24 heures afin d'éliminer efficacement l'humidité adsorbée sur l'emballage. Sous vide, le point d'ébullition de l'eau chute considérablement, permettant ainsi une élimination douce de l'humidité de surface et des couches superficielles. Ceci prévient le vieillissement des composants et la dégradation de leurs performances dus à une chaleur excessive. Les températures courantes sont de 45 °C, 60 °C et 70 °C.

2. Plage de cuisson à température moyenne (80 °C ~ 150 °C) :

La plage de déshumidification et de précuisson standard pour la grande majorité des puces d'usage général est de 100 °C à 125 °C. Cette plage de températures est utilisée pour la cuisson des circuits intégrés, des semi-conducteurs discrets et des modules encapsulés classiques. Par exemple, un circuit intégré MSL 3 de 1,2 mm d'épaisseur, exposé pendant plus de 72 heures, nécessite une cuisson à 125 °C ± 5 °C pendant 9 heures s'il est conditionné en plateau ; s'il est conditionné en bobine, il doit être cuit à 40 °C avec une humidité relative ≤ 5 % pendant une durée maximale de 9 jours. La plage de 125 °C à 150 °C est utilisée pour les tests de rodage et le dégazage profond des composants d'usage général à haute fiabilité. Les équipements fonctionnant dans cette plage requièrent une précision de contrôle de la température de ± 1 °C afin d'éviter toute dérive des paramètres due aux fluctuations de température.

3. Plage de cuisson à haute température (150 °C ~ 600 °C) :

Entre dans le domaine du durcissement et du recuit de précision.

• 150°C ~ 250°C : Convient aux composants optoélectroniques, aux puces encapsulées dans de l'époxy et aux modules de polymérisation de pâte d'argent ; nécessite une uniformité de température ≤ ±1,5°C.
• 250 °C ~ 400 °C : Utilisé pour les tests d'encapsulation de semi-conducteurs, la déshumidification des substrats céramiques et le recuit des couches de métallisation. Les dispositifs RF de qualité militaire/aérospatiale encapsulés en céramique nécessitent une cuisson/un recuit à 300 °C ~ 400 °C.
• 400 °C ~ 600 °C : Adapté au recuit de composants semi-conducteurs de grande taille et au prétraitement des semi-conducteurs de troisième génération (SiC/GaN). Nécessite un vide poussé (≤ 1 Pa) et une précision extrême de contrôle de la température (±0,1 °C).

II.Différences entre la cuisson des chips à haute et à basse température

1. Objectif:

• Cuisson à basse température (40 °C à 125 °C) : Son but est de « déshumidifier ». Il évapore et expulse l'humidité de l'intérieur de la puce et des interstices du boîtier pour éviter « l'effet popcorn » (fissuration du boîtier) lors du refusion.
• Cuisson à haute température (150 °C ~ 600 °C) : Son objectif est de « modifier ». Il induit des réactions physiques et chimiques telles que la recristallisation, la réticulation thermique et la réparation du réseau cristallin afin d'améliorer les performances électriques et la fiabilité à long terme.

2. Échelle de température et de temps :

• Basse température : Réalisé en quelques heures à quelques dizaines d'heures ; le contrôle des fluctuations de température à ±5°C répond à la plupart des exigences.
• Haute température : exige une précision extrême – les composants standard nécessitent ±1 °C, les composants de précision ±0,5 °C et les procédés à très haute température ±0,1 °C. Nécessite souvent un environnement sous vide ou sous gaz inerte, pendant plusieurs heures, voire plusieurs jours.

3. Exigences atmosphériques :

• Déshumidification à basse température (40°C ~ 150°C) : Un faible vide (10 Pa ~ 100 Pa) est suffisant pour abaisser le point d'ébullition de l'eau et accélérer l'évaporation.
• Recuit à haute température (250 °C à 600 °C) : Un vide poussé (≤ 1 Pa) ou une protection à l’azote est indispensable pour éviter l’oxydation à haute température et l’humidité résiduelle. Dans le cas contraire, des défauts de réseau et une oxydation de surface détérioreront les performances de la puce.

III.Fonctions de la cuisson à haute et basse température des puces

1. Éliminer l'humidité et prévenir l'effet popcorn : Les puces absorbent inévitablement l'humidité ambiante lors du stockage ou du transport. Lors de procédés à haute température comme le refusion, l'évaporation de cette humidité provoque une dilatation, entraînant un gonflement, une déformation ou des fissures. La cuisson permet d'éliminer complètement cette humidité, supprimant ainsi ce défaut majeur à la source.
2. Améliorer les performances et la fiabilité électriques : La cuisson à haute température favorise des réactions chimiques qui optimisent les propriétés des matériaux. Par exemple, certains dispositifs MOS présentent une mobilité et une durée de vie des porteurs améliorées ; les composés de moulage époxy montrent une résistance d’adhérence et une conductivité thermique nettement supérieures après polymérisation à 175 °C.
3. Soulager les tensions internes et réduire les défauts : La cuisson élimine les contraintes résiduelles, réduit les microfissures et minimise les défauts potentiels, prolongeant ainsi la durée de vie. En lithographie des semi-conducteurs, la cuisson dure (post-cuisson) utilise la réticulation thermique pour former une structure de réseau 3D dans la résine photosensible, améliorant considérablement la résistance à la gravure.
4. Processus de durcissement complet des clés : Du durcissement du silicone de l'encapsulant LED (120 °C ~ 150 °C) au durcissement de l'adhésif du panneau d'affichage (180 °C ~ 220 °C) et aux tests de rodage du module de communication, la cuisson est une étape centrale irremplaçable.

IV.Quand faut-il cuire les chips ?

1. À consommer de préférence avant ouverture :Si un circuit intégré est exposé à l'humidité pendant plus de 72 heures après son ouverture, ou si la carte indicatrice d'humidité (HIC) devient rose (humidité ≥ 10 %), un traitement thermique est obligatoire. Pour une puce MSL 3 BGA, un traitement de 9 heures à 125 °C ou de 9 jours à 40 °C/≤ 5 % HR est requis.
2. Dépassement des limites de contrôle de la sensibilité à l'humidité : Même non ouverte, si l'humidité relative de l'environnement de stockage dépasse 40 % ou si la durée d'exposition excède 48 heures, la puce est considérée comme humide et doit être étuvée conformément à son niveau MSL. Le niveau MSL 1 (par exemple, CSP) n'impose aucune limite ; le niveau MSL 2 exige une étuvage dans l'année ; les niveaux MSL 3 à 5 ont une durée de vie au sol de seulement 168 à 24 heures.
3. Emballage sous vide ou emballage en vrac défectueux : Si le sachet sous vide d'une puce BGA est endommagé, ou si les puces sont emballées en vrac sans vide, elles courent un risque élevé d'humidité et doivent être étuvées avant utilisation.
4. Pré-soudage des circuits imprimés : Les PCB stockés dans une humidité relative > 40 % ou avec des HIC périmés nécessitent une cuisson à 105 °C ± 5 °C pendant 2 à 8 heures (limite inférieure pour les cartes minces, limite supérieure pour les substrats en cuivre épais) pour éviter le délaminage et les points blancs lors du refusion.
5. Exigences obligatoires pour les champs à haute fiabilité : Les secteurs de l'aérospatiale, de l'électronique automobile et des dispositifs militaires exigent un étuvage rigoureux tout au long des phases d'emballage, de stockage et de transport afin de garantir un fonctionnement sans faille dans des environnements extrêmes. Les puces de qualité automobile subissent souvent des tests à trois températures et un étuvage de fiabilité, même pendant les phases de test CP, FT et SLT.

V.Fours compatibles pour la cuisson des chips à haute et basse température

1. Four à convection forcée : Ces fours utilisent des ventilateurs pour faire circuler l'air chaud et assurer un transfert de chaleur uniforme. Équipés de tubes chauffants en acier inoxydable et de régulateurs PID intelligents, ils offrent une excellente uniformité de température. Ils conviennent au durcissement de la pâte à braser et au séchage général des puces, lorsque la précision n'est pas extrême. La précision est généralement de l'ordre de ±5 °C. Ils sont économiques et répondent aux besoins essentiels.
2. Four de précision:Offre une précision de contrôle de température nettement supérieure (jusqu'à ±1 °C, voire mieux) grâce à une programmation multisegment et une uniformité de ±1 °C. Convient au conditionnement de puces et aux tests de rodage de capteurs. Pour les procédés de précision tels que la cuisson de plaquettes et le durcissement de la résine photosensible, les fours de précision sont indispensables.
3. four sous vide: Fonctionne sous pression négative. Le vide abaisse le point d'ébullition de l'eau, favorisant sa volatilisation et assurant un séchage optimal. L'environnement pauvre en oxygène prévient l'oxydation. Cependant, en raison de l'absence de convection, l'homogénéité de la température est relativement faible. Idéal pour les matériaux thermosensibles ou facilement oxydables.
4. Four à azote:L'enceinte est remplie d'azote de haute pureté (généralement ≥ 99,999 %) afin de créer un environnement propre, exempt d'oxygène et à température constante, empêchant ainsi efficacement l'oxydation lors de la cuisson à haute température. Ce procédé est largement utilisé dans l'encapsulation des semi-conducteurs et la cuisson des plaquettes. Pour les environnements inflammables ou en cas d'exigences anti-oxydation, des fours à azote ou antidéflagrants sont nécessaires.

Le traitement thermique à haute et basse température des puces semi-conductrices est un procédé de précision intégrant déshumidification, prétraitement et garantie de sécurité. Il joue un rôle crucial dans la prévention de l'effet popcorn, la fiabilité des joints de soudure et l'amélioration de la durée de vie des puces. Le traitement à haute température (125 °C à 150 °C) offre une efficacité et une précision optimales, et convient à la déshumidification rapide de la plupart des dispositifs sensibles à l'humidité. Le traitement à basse température (40 °C à 90 °C) garantit sécurité et douceur, et est idéal pour la fabrication de précision de structures thermosensibles et de composants facilement oxydables. La nécessité d'un traitement thermique dépend de plusieurs facteurs, notamment le niveau MSL du dispositif, son état de consommation, les mesures HIC et son historique de stockage.