Détermination de la dureté de films à nano domaine sur substrat flexible pour l’optimisation de son interconnexion avec une puce

Determination of the hardness of thin films with nanosized grains on flexible substrate for optimal interconnection with integrated circuit chips

¹ Gemalto – IMT Innovation group, 525 avenue du Pic de Bertagne, BP 100, 13881 Gémenos, France
² École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, Centre Microélectronique de Provence, France
mohamed.saadaoui@mines-stetienne.fr
³ École Nationale Supérieure des Mines de Paris, Centre de Mise en forme des Matériaux, France

Reçu : 24 Juillet 2015
Accepté : 15 Octobre 2015

Résumé

Ce travail est issu d’une problématique d’interconnexion électrique d’une puce en silicium sur des films minces imprimés par jet d’encre. L’impression est réalisée en utilisant une encre à base de nanoparticules d’argent de 20 nm de diamètre moyen. Après l’impression, une étape de recuit est nécessaire pour éliminer les solvants et fritter les nanoparticules. Deux types de recuit sont étudiés et les films obtenus sont caractérisés en terme de propriétés mécaniques (dureté et contact mécanique) et électriques (résistance de contact et résistivité électrique). Ces recuits sont réalisés soit dans une étuve conventionnelle soit à travers l’utilisation d’une lumière pulsée ultra-courte. L’épaisseur du film obtenu est de l’ordre de 700 nm. En fonction des conditions de recuit, la dureté des films poreux obtenus par nano-indentation varie entre 0,6 et 0,9 GPa en fonction de la nanostructure. Cette dureté reste inférieure à celle des films obtenus par évaporation sous vide qui est de 1,6 GPa (1 μm d’épaisseur). La caractérisation de la résistance électrique de contact est réalisée in-situ pendant le cycle de nano-indentation. Les valeurs obtenues, entre 150 et 300 mΩ, sont dépendantes du type de recuit utilisé, et montrent l’effet des propriétés mécaniques des films pendant les premières phases de chargement (F< 50 mN). Cette étude sert à optimiser les étapes technologiques de réalisation de dispositifs flexibles par électronique imprimée (étiquette intelligente RFID, capteur autonome, etc.).

Abstract

The presented work is part of a problematic on silicon chips electrical interconnection on inkjet-printed films. Films are printed using a silver nanoparticles (20 nm diameter) based ink. After printing, annealing is necessary to evaporate the solvent and sinter the nanoparticles. Two types of sintering methods are studied and resulting films are characterized to evaluate their mechanical (hardness and mechanical contact) and electrical properties (contact resistance and electrical resistivity). Methods used for the annealing process are the conventional oven heating and the use of ultrashort light pulses. After this annealing step, printed films have a thickness in the order of 700 nm. Depending on the sintering conditions, porous films hardness obtained by nano-indentation is comprised between 0.6 and 0.9 GPa, depending on the sample nanostructure. This hardness remains smaller than the hardness measured for films evaporated in vacuo which is as high as 1.6 GPa (1 μm thick films). The electrical contact resistance characterization is done in-situ during the nano-indentation cycle. Resulting values, comprised between 150 and 300 mΩ, depend on the sintering method and enlighten the impact of the film mechanical properties during the first loading steps (F< 50 mN). This study serves to optimize the technological steps towards the realization of flexible devices by printing technics (smart RFID tags, autonomous sensors, etc.).