EP0700581A1 - Procede de realisation d'un cordon d'etancheite et de tenue mecanique entre un substrat et une puce hybridee par billes sur le substrat - Google Patents

Procede de realisation d'un cordon d'etancheite et de tenue mecanique entre un substrat et une puce hybridee par billes sur le substrat

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EP0700581A1
EP0700581A1 EP94917059A EP94917059A EP0700581A1 EP 0700581 A1 EP0700581 A1 EP 0700581A1 EP 94917059 A EP94917059 A EP 94917059A EP 94917059 A EP94917059 A EP 94917059A EP 0700581 A1 EP0700581 A1 EP 0700581A1
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EP
European Patent Office
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substrate
chip
electronic component
bead
fusible
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Ceased
Application number
EP94917059A
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German (de)
English (en)
Inventor
Patrice Caillat
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Definitions

  • the subject of the present invention is a method for producing a bead ensuring mechanical strength and sealing between a substrate and a chip
  • a technique for transferring electronic components to an interconnection substrate using micro-bosses (also called “balls") is known today to those skilled in the art.
  • This transfer technique is called "Flip-Chip”.
  • the micro-bosses are produced around the input / output connections of the electronic component, in a fusible material deposited, for example, by electrolysis or by evaporation.
  • This fusible material can be, for example, Indium or a tin-lead alloy.
  • the operation of transferring the electronic component to the substrate is carried out at a heating temperature which corresponds at least to the melting temperature of the selected fusible material; this transfer operation is similar to soldering.
  • C4 Such a transfer process is called C4 (which means, in English terms, control collapse chip connection).
  • C4 which means, in English terms, control collapse chip connection.
  • This process is the subject of numerous publications; it is described in particular in the work entitled “Microelectronics packaging handbook”, edited by R. TUMMALA.
  • FIG. 1A there are shown, in front views, different cases of hybridization beads ensuring the connection between a chip and a substrate.
  • FIG. 1A the case of a ball in a medium brought to an average temperature of around 20 ° C has been shown.
  • the chip 1 comprising a layer 2a of electrically conductive material which is in contact with the connection pad 3.
  • An electrically insulating layer 2b covers the underside of the layer 2a around the outlet pad 3.
  • FIG. 1A also shows the substrate which comprises a layer 4a of electrically conductive material in contact with the connection pad 7.
  • An electrically insulating layer 4b covers the layer 4a around the pad 7.
  • the hybridization ball 9 provides an electrical connection between the connection pads 3 of the chip 1 and 7 of the substrate 5.
  • the ball has a vertical position, the pads 3 and 7 being positioned substantially one opposite the other .
  • FIG. 1B this same hybridization ball is shown when the ambient temperature is of the order of -50 ° C.
  • the differential of the thermal expansion coefficients between the chip and the substrate causes a relative displacement of the pads 3 and 7 which are then not opposite one another (the ball is then oblique).
  • the hybridization ball is represented in the case where the temperature is brought to + 120 ° C., which also results in a offset of the relative position of the pads 3 and 7, but in the opposite direction to that of Figure 1B.
  • FIGS. 1A, 1B and 1C it will be readily understood that, when the expansion coefficient of the chip differs from the expansion coefficient of the substrate, the hybridization ball deforms (see FIGS. 1B and 1C) in order to absorb the expansion or contraction during the temperature change. As shown in FIGS. 1B and 1C, non-alignment of the connection pad 7 of the substrate 5 with the connection pad 3 of the chip 1 results in a non-vertical shape of the ball 9.
  • the Flip-Chip technique is increasingly used for hybrid sensor type components.
  • a sensitive cell is generally reported by balls on an electronic control circuit produced in particular on silicon according to a conventional technique.
  • the sensitive cells are deposited individually on the electronic circuit, they are collectively hybridized and each sensor is then cut out.
  • it is important to preserve the sensitive structures from external aggressions such as cutting, mounting or even aggressions due to the conditions of the atmosphere.
  • the object of the present invention is precisely to remedy the drawbacks mentioned above. To this end, it proposes a method for producing a bead making it possible to ensure the seal of the chip hybridized by balls on the substrate, as well as to improve the mechanical resistance to temperature variations of the assembly made up of the chip, of the substrate and of the hybridization beads, in particular when the substrate is made of a material other than silicon.
  • the invention relates to a method for producing a tightness and mechanical strength bead between an interconnection substrate and a hybrid electronic component by balls on said interconnection substrate.
  • This process is characterized by the fact that it consists, in parallel with the production of the hybridization balls on a lower face of the electronic component or of the substrate by a first fusible material: (a) to be deposited, on the interconnection substrate or on the underside of the electronic component, a bead of a second fusible material;
  • the second material has an expansion coefficient close to the expansion coefficient of the first material used to produce the hybridization balls.
  • the bead is shaped by heating to a temperature 0 at least equal to the melting temperature of the second material.
  • the second material is a fusible material identical to the first material used for producing the hybridization beads.
  • step (a) consists in depositing the bead of second material in a preformed manner on the interconnection substrate or on the underside of the electronic component.
  • the attachment to the substrate and the electronic component of the second fusible material is obtained by means of an attachment material deposited on the substrate and on the electronic component.
  • FIG. 1A, 1B and 1C each represent, in a front view, a ball of an electronic component mounted on a substrate made of a material whose expansion coefficient differs from that of the electronic component and whose the ambient temperature is + 20 ° C, -50 ° C and + 120 ° C, respectively.
  • FIG. 2 shows, in a sectional view, a chip hybridized by balls on an interconnection substrate and a sealing bead and mechanical strength (or bead of second material) mounted between the chip and the substrate.
  • FIG. 3A shows a step of making the cord in the case where it is deposited on the underside of the chip.
  • Figure 3B shows the same process step as Figure 3A, but in the case where the bead is deposited on the substrate.
  • FIG. 3C also shows this same step of carrying out the method of the invention, but in the case where the bead has been preformed before being deposited on the interconnection substrate.
  • FIG. 4 shows the step following the steps shown in Figures 3A to 3C of the production method according to the invention, step in which the chip is placed on the substrate, the cord then playing the role of a seal and mechanical strength between the chip and the substrate.
  • connection pads 3 of the chip On the substrate 5, connection pads 6 specific to the interconnection substrate 5, are electrically connected to the connection pads 7 (not visible in the figure) of the substrate 5 by means of the connections 12.
  • connection pads 7 of the interconnection substrate are connected to the pads 3 of the chip 1 by means of the hybridization balls.
  • these hybridization balls referenced 9 in FIG. 2, are made of a fusible and conductive material.
  • the method according to the invention consists in using, preferably, the technological steps for producing the hybridization beads on the chip 1 or the substrate, to generate, during these steps, the bead 13 on the substrate 5 or on the underside the of the chip 1, (the lower face is understood to mean the of the chip 1, the face which is opposite with the substrate 5).
  • the cord 13 is made of a fusible material identical to that used to make the hybridization beads 9.
  • This material can be, for example, Indium or else a Tin alloy -Lead; more generally, this material can be any type of fusible material generally used for the manufacture of hybridization beads.
  • This method therefore has the advantage of making it possible to produce the bead 13 during the production of the hybridization balls 9. This therefore results in a significant time saving as well as a gain in equipment since it is no longer necessary to use an adhesive dispenser to produce the bead 13 after the step of hybridizing the balls 9.
  • the method according to the invention will be described in its most complex embodiment where the balls 9 and the cord 13 are made of different fusible materials and in the particular case where the balls are made on the chip (it being understood that the balls can be produced on the substrate).
  • the fusible materials making it possible, respectively, to produce the cord 13 and the hybridization balls 9 are deposited on the underside 1a of the chip 1 and / or on the substrate 5, all of these materials are brought to a temperature of heated.
  • the heating temperature to which the two fusible materials are brought is at least equal to the temperature of melting of the fusible material requiring the highest melting temperature.
  • the fusible material used to make the bead 13 is the same as the fusible material used for the hybridization balls 9, the heating temperature is chosen at least equal to the melting temperature of this fusible material.
  • This process therefore has the advantage of allowing only one heating cycle to braze both the hybridization balls 9 and the bead 13.
  • the assembly thus produced by the substrate 5 and the chip 1 is perfectly encapsulated and therefore perfectly sealed.
  • the cord 13 has a maximum height h and width d which are chosen so as to verify the following equations:
  • ⁇ is a form coefficient between 0 and 10; D is, depending on the shape of the electronic component, either the diameter or the largest dimension of the component; d is the width of the bead in the plane of the substrate; and h is the height of the bead and also that of the balls after assembly, the bead and the balls then having approximately the same height.
  • these dimensions h, d and D are represented in FIG. 4, the ratio h / d representing the form factor.
  • the form factor of the cord 13 is suitable for the substrate / chip assembly.
  • the cord 13 can thus ensure both the tightness and the mechanical strength of the assembly without risking breaking locally, even in particularly delicate cases where the size of the chip 1 is relatively large and where the substrate is made of Alumina.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C there are shown, in front view, three different embodiments of the cord 13.
  • FIG. 3A shows the embodiment in which a fusible material is deposited on the underside la of the chip 1.
  • a layer 13a of conductive material suitable for the fusible material has been deposited during the production of the connection pad 3 of the chip 1.
  • a layer 13b of conductive material was deposited on the substrate 5 during the production of the connection pad 7.
  • the materials 13a and 13b consist of a conductive material of sufficient wettability to ensure the attachment of the fusible material 13.
  • This conductive material can be Gold in the case of an Indium cord.
  • a deposition of fusible material capable of producing the bead 13 is also carried out on this same face of the chip 1.
  • the chip 1 thus comprising the fusible material capable of make the cord 13 and the fusible material capable of making the balls 9 is then advantageously brought to a chosen shaping temperature.
  • This forming temperature is at least equal to the higher melting temperature of the two fusible materials. It can be lower than the brazing temperature of these materials used during assembly.
  • This heat treatment enables the fusible materials 13, 9 to be refocused on their attachment materials 13a and 3 respectively.
  • the chip 1 is then deposited on the substrate 5, the face 1a of the chip 1 being vis-à-vis with the surface of the substrate 5 carrying the pads 13b and 7.
  • the assembly is again brought to a heating temperature so as to ensure soldering and assembly of the fusible materials with the corresponding studs on the substrate.
  • the leveling of the balls and the cord during assembly is done by playing, prior to their production, on the attachment surfaces, respectively, balls 3 and 7 and the cord 13a and 13b. This last step of brazing fusible materials is shown in Figure 4 and will be described in more detail below.
  • the main advantage of this embodiment is that it allows the cord 13 and the ball 9 to be produced on the same support.
  • This embodiment can be used, essentially, for balls whose height is, for example, less than 55 ⁇ m, after assembly because, in this case, the surface of the chip used to make the bead remains small.
  • FIG. 3B a second embodiment of the invention is shown, in which the fusible material used to make the cord 13 is deposited on the substrate 5.
  • the chip 1 and the substrate 5 comprise, respectively, conductive attachment zones 13a and 13b. according to * * - this embodiment of the invention, one of the fusible materials is deposited on the underside la of the chip 1 to produce the hybridization balls 9.
  • the second fusible material is deposited on the area 13b 5 of the substrate 5 for producing the cord 13.
  • the substrate on the one hand and the chip on the other hand are advantageously brought to a shaping temperature to 0 ensure, as in FIG. 3A, the refocusing of the balls and of the bead on their respective attachment materials 3 and 13b.
  • the forming temperatures of the beads and of the bead respectively are at least equal to the melting temperatures thereof.
  • the chip 1 5 is then deposited on the substrate 5, its lower face facing it with the surface of the substrate 5. This assembly is then heated as previously to obtain the soldering of the balls and of the cord. The leveling of the balls and the cord is also done as described above.
  • This embodiment of the method of the invention makes it possible to produce a bead for chips whose hybridization balls have a height, for example, of the order of 50 ⁇ m up to 120 ⁇ m, the surface 5 necessary for the realization of the cord being taken on the substrate.
  • FIG. 3C shows the embodiment of the method of the invention in which the fusible material of the bead has been added to the substrate in the form of a preform. More precisely, we can see in this FIG. 3C the chip 1 comprising the conductive zones 3 and 13a, as well as the fusible material making the hybridization ball 9. In this FIG. 3C, we can also see the substrate 5 5 comprising conductive areas 7 and 13b. There was also shown the fusible material capable of producing the cord 13, in its preformed form. In fact, according to this embodiment, this fusible material has undergone a preformation, such as cutting or stamping in a sheet of fusible material. This preformed fusible material 13 is then deposited on the substrate 5.
  • this fusible material has undergone a preformation, such as cutting or stamping in a sheet of fusible material. This preformed fusible material 13 is then deposited on the substrate 5.
  • the fusible material capable of producing the hybridization ball 9 is deposited on the face 1a of the chip 1.
  • This chip 1 is then brought to the setting temperature. chosen form which corresponds at least to the melting point of the fusible material capable of producing the ball.
  • the chip 1 is deposited on the substrate 5, with its face la opposite with respect to the surface of the substrate 5 provided with the cord 13.
  • the assembly consisting of the chip 1, the substrate 5 and the fusible materials is brought to a temperature chosen to ensure the soldering of these materials with the corresponding pads.
  • This last embodiment of the method of the invention obviously requires an additional step of calibrated preformation of the fusible material capable of producing the cord 13.
  • FIG 4 there is shown the chip 1 with its connection pad 3 and the conductive part 13a on which the cord 13 rests.
  • This figure represents the step in which, the chip 1 having been deposited on the substrate 5, the assembly of chip / fusible materials / substrate is heated to ensure the fusion of the fusible materials on the attachment materials, so that the parts 13a, 13b, 3 and 7 made of conductive material on the chip 1 and the substrate 5 are linked by the ball 9 and the cord 13.
  • FIG. 4 shows the dimensions h, d and D mentioned above which are, respectively, the height of the cord 13 and of the ball 9, the width of the cord 13 and the largest dimension of the bullet 1.
  • This method according to the invention therefore makes it possible to produce a bead which makes it possible on the one hand to seal the chip / substrate 5 assembly and, on the other hand, to improve the mechanical strength of this chip / substrate assembly, in particular during temperature variations, and this, for hybridization beads whose size varies, for example, from a few ⁇ m up to 300 ⁇ m.
  • this process lends itself particularly well to a collective implementation during which several chips can be hybridized simultaneously during the same heating step, the sealing and the mechanical strength of each chip on the substrate being ensured by the cord. associated with it.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation d'un cordon (13) d'encapsulation assurant l'étanchéité et la tenue mécanique d'une puce (1) hybridée par billes sur un substrat (5). Ce procédé consiste, parallèlement à la réalisation des billes (9) d'hybridation sur la face (1a) inférieure de la puce ou du substrat par un premier matériau fusible: (a) à déposer, sur le substrat ou sur la face inférieure du composant électronique, un cordon (13) d'un deuxième matériau fusible; (b) à placer la face inférieure de la puce sur le substrat de façon à réaliser les connexions entre ladite puce et ledit substrat au moyen du premier matériau fusible; et (c) à chauffer l'ensemble ainsi formé à une température au moins égale à la température de fusion la plus élevée desdits premier et second matériaux fusibles, afin de réaliser les billes d'hybridation au moyen du premier matériau et le cordon d'étanchéité au moyen de second matériau, ce cordon présentant une hauteur (h) et une largeur (d) vérifiant les expressions (I), où α est un coefficient de forme et D est la plus grande dimension du composant électronique.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN CORDON D'ETANCHEITE
ET DE TENUE MECANIQUE ENTRE UN SUBSTRAT
ET UNE PUCE HYBRIDEE
PAR BILLES SUR LE SUBSTRAT
Domaine technique
La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un cordon assurant la tenue mécanique et l'étanchéité entre un substrat et une puce
(ou tout autre composant électronique) hybridée par billes sur le substrat qui peut lui-même intégrer des composants actifs ou passifs. Elle trouve ses applications dans les domaines de la micro-électronique, de l'informatique, ou encore, de l'électronique embarquée.
Etat de la technique
Une technique de report de composants électroniques sur un substrat d'interconnexion faisant appel à des micro-bossages (appelés également "billes") est aujourd'hui connue de l'homme de l'art. Cette technique de report est appelée "Flip-Chip". Selon cette technique Flip-Chip, les micro-bossages sont réalisés autour des connexions d'entrée/sortie du composant électronique, en un matériau fusible déposé, par exemple, par électrolyse ou par evaporation. Ce matériau fusible peut être, par exemple, de l'Indium ou un alliage Etain-Plomb. L'opération de report du composant électronique sur le substrat se fait à une température de chauffe qui correspond au moins à la température de fusion du matériau fusible choisi ; cette opération de report s'apparente à un brasage.
Un tel procédé de report est nommé C4 (ce qui signifie, en termes anglo-saxons, control collapse chip connection). Ce procédé fait l'objet de nombreuses publications ; il est décrit notamment dans l'ouvrage intitulé "Microelectronics packaging handbook", édité par R. TUMMALA.
Cependant, l'utilisation de plus en plus fréquente de modules multi-puces (multi-chips en terminologie anglo-saxonne) implique une optimisation de la surface du substrat utile. C'est pourquoi, la technique du Flip-Chip est la technique généralement utilisée dans le cas de multi-chips modules. Elle est, notamment, utilisée dans des secteurs à grande diffusion dans lesquels les impératifs de coûts sont importants.
De plus, il est à noter une évolution technique des substrats qui amène des besoins d'interconnexion par Flip-Chip sur des supports autres que les supports classiques en Silicium ; ces supports peuvent être par exemple en Alumine ; ils peuvent être, également, des circuits imprimés.
Cependant, la technique connue de report de puce par Flip-Chip est fiable lorsque les coefficients d'expansion thermique de la puce (ou autre composant électronique) et du substrat sont très voisins. Or, l'Alumine, et plus encore les circuits imprimés, communément utilisés en substrat, ont un coefficient d'expansion très différent de celui de la puce réalisée habituellement sur Silicium. Aussi, lorsque ces coefficients d'expansion de la puce et du substrat diffèrent, les changements (variations temporelles) en température conduisent à l'établissement de contraintes importantes dans les billes, ce qui a pour effet de les fragiliser et de réduire de façon - importante la fiabilité du système réalisé par la puce hybridée sur le substrat.
Sur les figures 1A, 1B et 1C, on a représenté, selon des vues de face, différents cas de billes d'hybridation assurant la connexion entre une puce et un substrat. Sur la figure 1A, on a représenté le cas d'une bille dans un milieu porté à une température moyenne d'environ 20°C. Sur cette figure 1A, on a représenté la puce 1 comportant une couche 2a de matériau électriquement conducteur qui est en contact avec le plot de connexion 3. Une couche 2b électriquement isolante recouvre la face inférieure de la couche 2a autour du plot de sortie 3. Cette figure 1A montre également le substrat qui comporte une couche 4a de matériau électriquement conducteur en contact avec le plot de connexion 7. Une couche 4b électriquement isolante recouvre la couche 4a autour du plot 7. La bille 9 d'hybridation assure une liaison électrique entre les plots de connexion 3 de la puce 1 et 7 du substrat 5. Pour une température ambiante d'environ 20°C, la bille a une position verticale, les plots 3 et 7 étant positionnés sensiblement l'un en face de l'autre. Sur la figure 1B, on a représenté cette même bille d'hybridation lorsque la température ambiante est de l'ordre de -50°C. Le différentiel des coefficients d'expansion thermique entre la puce et le substrat provoque un déplacement relatif des plots 3 et 7 qui ne sont alors pas en face l'un de l'autre (la bille est alors oblique) .
Et enfin, sur la figure 1C, on a représenté la bille d'hybridation dans le cas où la température est portée à +120°C, ce qui entraîne également un décalage de la position relative des plots 3 et 7, mais de sens opposé à celui de la figure 1B.
En observant ces figures 1A, 1B et 1C, on comprendra aisément que, lorsque le coefficient d'expansion de la puce diffère du coefficient d'expansion du substrat, la bille d'hybridation se déforme (voir figures 1B et 1C) afin d'encaisser la dilatation ou la contraction durant le changement de température. Comme montré sur les figures 1B et 1C, un non-alignement du plot de connexion 7 du substrat 5 avec le plot de connexion 3 de la puce 1 entraîne une forme non verticale de la bille 9.
Aussi, afin de limiter ce problème de dilatation ou de contraction dû aux différences des coefficients d'expansion entre la puce 1 et le substrat 5, on a cherché à remplir l'espace situé entre la puce 1 et le substrat 5 de façon à ce que le matériau remplissant cet espace puisse "encaisser" une partie des contraintes. Quel qu'il soit, le matériau utilisé pour le remplissage de cet espace puce/substrat est appelé "encapsulant" ou "substance encapsulante". La réalisation de ce remplissage global par un encapsulant consiste après hybridation de la puce par des billes sur le substrat, à remplir l'espace puce/substrat au moyen d'un dispenseur. Cette réalisation nécessite un certain nombre d'étapes et des moyens relativement coûteux.
Parallèlement, on utilise de plus en plus la technique de Flip-Chip pour les composants de type capteur hybride. En effet, pour de tels composants, on rapporte généralement par billes une cellule sensible sur un circuit électronique de commande réalisé notamment sur Silicium selon une technique classique. Dans ce cas, les cellules sensibles sont déposées individuellement sur le circuit électronique, elles sont hybridées collectivement et chaque capteur est ensuite découpé. Pour une telle réalisation, il est important de préserver les structures sensibles, des agressions extérieures telles que la découpe, le montage ou encore les agressions dues aux conditions de 1'atmosphère.
Afin de préserver les structures sensibles, telles que citées précédemment, il est possible d'isoler l'intérieur de l'assemblage (c'est-à-dire du capteur) par rapport au monde extérieur. Pour cela, on peut utiliser un encapsulant sous forme d'un cordon disposé sur la périphérie de la puce. A cette fin, la société IBM, a étudié l'aspect géométrique de 1'encapsulation périphérique destinée à permettre l'isolation telle que décrite précédemment. L'article intitulé "Encapsulating Flip-Chip device with Epoxy-resin", publié dans "International Interconnection Intelligence Flip-Chip Technology Impact Report" décrit cet aspect géométrique de 1'encapsulation.
Tout comme l'encapsulation globale, décrite ci-dessus, destinée à assurer la tenue mécanique de l'assemblage puce/substrat, la réalisation de cette encapsulation périphérique destinée à l'etancheité de l'assemblage nécessite de nombreuses étapes et un matériel coûteux. En outre, une étape de recuit est généralement nécessaire pour la polymérisation du cordon réalisé habituellement par une colle époxy, cette étape pouvant être critique pour les billes ou pour la puce. Exposé de l'invention
La présente invention a justement pour but de remédier aux inconvénients cités ci-dessus. A cette fin, elle propose un procédé pour réaliser un cordon permettant d'assurer l'etancheité de la puce hybridée par billes sur le substrat, ainsi que d'améliorer la tenue mécanique aux variations de température de l'ensemble constitué de la puce, du substrat et des billes d'hybridation, notamment lorsque le substrat est réalisé dans un matériau autre que le Silicium.
Ce cordon d'étancheite et de tenue mécanique sera nommé, plus généralement, cordon de second matériau ou encore tout simplement cordon. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de réalisation d'un cordon d'étancheite et de tenue mécanique entre un substrat d'interconnexion et un composant électronique hybride par billes sur ledit substrat d'interconnexion. Ce procédé est caractérisé par le fait qu'il consiste, parallèlement à la réalisation des billes d'hybridation sur une face inférieure du composant électronique ou du substrat par un premier matériau fusible : (a) à déposer, sur le substrat d'interconnexion ou sur la face inférieure du composant électronique, un cordon d'un deuxième matériau fusible ;
(b) à placer la face inférieure du composant électronique sur le substrat d'interconnexion de façon à réaliser les connexions entre ledit composant électronique et ledit substrat d'interconnexion au moyen du premier matériau fusible ; et
(c) à chauffer l'ensemble ainsi formé à une température au moins égale à la température de fusion la plus •-• élevée desdits premier et second matériaux fusibles, afin de réaliser les billes d'hybridation de hauteur h au moyen du premier matériau et le cordon d'étancheite et de tenue mécanique au moyen du 5 cordon de second matériau, ce cordon présentant une hauteur (h) et une largeur (d) vérifiant les expressions : h > 1CT2 D + α 10-2 D - h
10 d > , h - α où α est un coefficient de forme, et D est la plus grande dimension du composant électronique.
Avantageusement, le second matériau a un 15 coefficient d'expansion voisin du coefficient d'expansion du premier matériau utilisé pour réaliser les billes d'hybridation.
Avantageusement, préalablement à l'étape (b) , le cordon est mis en forme par chauffage à une 0 température au moins égale a la température de fusion du second matériau.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le second matériau est un matériau fusible identique au premier matériau utilisé pour la 5 réalisation des billes d'hybridation.
De façon avantageuse, le second matériau est disposé sur la périphérie de l'espace réalisé entre le composant électronique et le substrat d'interconnexion. 0 Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'étape (a) consiste à déposer le cordon de second matériau de façon préformée sur le substrat d'interconnexion ou sur la face inférieure du composant électronique. L'accrochage sur le substrat et le composant électronique du second matériau fusible est obtenu par l'intermédiaire d'un matériau d'accrochage déposé sur le substrat et sur le composant électronique.
Brève description des dessins
- Les figures 1A, 1B et 1C, déjà décrites, représentent chacune, selon une vue de face, une bille d'un composant électronique monté sur un substrat réalisé dans un matériau dont le coefficient d'expansion diffère de celui du composant électronique et dont la température ambiante est, respectivement, de +20°C, -50°C et +120°C.
- La figure 2 représente, selon une vue en coupe, une puce hybridée par billes sur un substrat d'interconnexion et un cordon d'étancheite et de tenue mécanique (ou cordon de second matériau) monté entre la puce et le substrat.
- La figure 3A représente une étape de réalisation du cordon dans le cas où celui-ci est déposé sur la face inférieure de la puce.
- La figure 3B représente la même étape du procédé que la figure 3A, mais dans le cas où le cordon est déposé sur le substrat.
- La figure 3C représente également cette même étape de réalisation du procédé de l'invention, mais dans le cas où le cordon a été préformé avant d'être déposé sur le substrat d'interconnexion.
- La figure 4 représente l'étape qui suit les étapes représentées sur les figures 3A à 3C du procédé de réalisation selon l'invention, étape dans laquelle la puce est posée sur le substrat, le cordon jouant alors le rôle d'un joint d'étancheite et de tenue mécanique entre la puce et le substrat.
Exposé détaillé de modes de réalisation
Sur la figure 2, on a représenté, selon une vue en coupe, le substrat 5 sur lequel est déposée la puce 1. Le substrat 5 est représenté en traits continus, tandis que la puce 1 est représentée, sur cette figure 2, en traits mixtes. On voit donc, sur cette figure 2, les plots de connexion 3 de la puce. Sur le substrat 5, des plots de connexion 6 propres au substrat 5 d'interconnexion, sont électriquement reliés aux plots de connexion 7 (non visibles sur la figure) du substrat 5 au moyen des liaisons 12. En outre, les plots de connexion 7 du substrat d'interconnexion sont connectés aux plots 3 de la puce 1 au moyen des billes d'hybridation. En effet, ces billes d'hybridation, référencées 9 sur la figure 2, sont réalisées en un matériau fusible et conducteur. Une liaison électrique peut donc se faire entre les plots 6 du substrat 5 et les plots 3 de la puce 1, via les plots de connexion 7, les billes d'hybridation 9 et les fils de connexion 12. Sur cette figure 2, on a également représenté le cordon 13. Ce cordon, appelé également cordon d'étancheite et de tenue mécanique, est réalisé dans un matériau fusible.
Le procédé selon l'invention consiste à utiliser, de préférence, les étapes technologiques de réalisation des billes d'hybridation sur la puce 1 ou le substrat, pour générer, durant ces étapes, le cordon 13 sur le substrat 5 ou sur la face inférieure la de la puce 1, (on entend par face inférieure la de la puce 1, la face qui est en vis-à-vis avec le substrat 5) . Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, le cordon 13 est réalisé dans un matériau fusible identique à celui utilisé pour réaliser les billes d'hybridation 9. Ce matériau peut être, par exemple, de l'Indium ou encore un alliage Etain-Plomb ; de façon plus générale, ce matériau peut être n'importe quel type de matériau fusible utilisé généralement pour la fabrication des billes d'hybridation.
Ce procédé a donc pour avantage de permettre de réaliser le cordon 13 au cours de la réalisation des billes d'hybridation 9. Il en résulte, de ce fait, un gain de temps non négligeable ainsi qu'un gain d'équipement puisqu'il n'est plus nécessaire d'utiliser un dispenseur de colle pour réaliser le cordon 13 après l'étape d'hybridation des billes 9.
Dans la suite de la description, le procédé selon l'invention sera décrit dans son mode de réalisation le plus complexe où les billes 9 et le cordon 13 sont réalisés dans des matériaux fusibles différents et dans le cas particulier où les billes sont réalisées sur la puce (étant bien entendu que les billes peuvent être réalisées sur le substrat) .
Les matériaux fusibles permettant de réaliser, respectivement, le cordon 13 et les billes 9 d'hybridation sont déposés sur la face inférieure la de la puce 1 et/ou sur le substrat 5, l'ensemble de ces matériaux est porté à une température de chauffe. Dans le cas où le matériau fusible utilisé pour la réalisation du cordon 13 est différent du matériau fusible utilisé pour la réalisation des billes 9 d'hybridation, la température de chauffe à laquelle sont portés les deux matériaux fusibles est au moins égale à la température de fusion du matériau fusible nécessitant la plus forte température de fusion. Lorsque, selon le mode de réalisation préféré de l'invention, le matériau fusible utilisé pour réaliser le cordon 13 est le même que le matériau fusible utilisé pour les billes 9 d'hybridation, la température de chauffe est choisie au moins égale à la température de fusion de ce matériau fusible.
Ce procédé a donc 1 ' avantage de ne permettre qu'un seul cycle de chauffe pour braser à la fois les billes d'hybridation 9 et le cordon 13.
En outre, l'ensemble ainsi réalisé par le substrat 5 et la puce 1 est parfaitement encapsulé et donc parfaitement étanche.
Avantageusement, après la dernière étape de chauffage, le cordon 13 a une hauteur h et une largeur d maximale qui sont choisies de façon à vérifier les équations suivantes :
h > 10-2 D + α
10-2 D - h d > , h - α
où α est un coefficient de forme compris entre 0 et 10 ; D est, selon la forme du composant électronique, soit le diamètre, soit la plus grande dimension du composant ; d est la largeur du cordon dans le plan du substrat ; et h est la hauteur du cordon et également celle des billes après assemblage, le cordon et les billes ayant alors approximativement la même hauteur. Pour une meilleure compréhension, ces dimensions h, d et D sont représentées sur la figure 4, le rapport h/d représentant le facteur de forme.
Lorsque ces équations sont vérifiées, on dit que le facteur de forme du cordon 13 est adapté à l'ensemble substrat/puce. Le cordon 13 peut ainsi assurer à la fois l'etancheité et la tenue mécanique de l'ensemble sans risquer de se rompre localement, même dans les cas particulièrement délicats où la taille de la puce 1 est relativement importante et où le substrat est en Alumine.
Un cordon selon l'invention peut avoir, par exemple, une hauteur h de 10 μm et une largeur d de 40 μm (pour un composant de largeur D = 2 mm) ou une hauteur h et une largeur d de 55 μm (pour D = 55 mm) , ou bien une hauteur h et une largeur d de 105 μm (pour D = 10 mm) ou encore une hauteur h et une largeur d de 155 μm (pour D = 15 mm) .
Sur les figures 3A, 3B et 3C, on a représenté, en vue de face, trois modes de réalisation différents du cordon 13.
Sur la figure 3A, on a représenté le mode de réalisation dans lequel un matériau fusible est déposé sur la face inférieure la de la puce 1. Sur cette face la de la puce 1, une couche 13a de matériau conducteur adapté au matériau fusible a été déposée lors de la réalisation du plot de connexion 3 de la puce 1. De même, une couche 13b de matériau conducteur a été déposée sur le substrat 5 lors de la réalisation du plot de connexion 7. Les matériaux 13a et 13b sont constitués d'un matériau conducteur de mouillabilité suffisante pour assurer l'accrochage du matériau fusible 13. Ce matériau conducteur peut être de l'Or dans le cas d'un cordon en Indium. Lors du dépôt du matériau fusible apte à réaliser la bille 9 d'hybridation, un dépôt de matériau fusible apte à réaliser le cordon 13 est également effectué sur cette même face la de la puce 1. La puce 1 comportant ainsi le matériau fusible apte à réaliser le cordon 13 et le matériau fusible apte à réaliser les billes 9 est alors avantageusement portée à une température de mise en forme choisie. Cette température de mise en forme est au moins égale à la température de fusion la plus forte des deux matériaux fusibles. Elle peut être inférieure à la température de brasage de ces matériaux utilisés lors de l'assemblage. Ce traitement thermique permet de recentrer les matériaux fusibles 13, 9 sur leurs matériaux d'accrochage respectivement 13a et 3. La puce 1 est ensuite déposée sur le substrat 5, la face la de la puce 1 étant en vis-à-vis avec la surface du substrat 5 portant les plots 13b et 7. Lorsque la puce 1 est déposée ainsi sur le substrat 5, l'ensemble est à nouveau porté à une température de chauffe de façon à assurer le brasage et l'assemblage des matériaux fusibles avec les plots correspondants du substrat. La mise à niveau des billes et du cordon lors de l'assemblage se fait en jouant, préalablement à leur réalisation, sur les surfaces d'accrochage, respectivement, des billes 3 et 7 et du cordon 13a et 13b. Cette dernière étape de brasage des matériaux fusibles est représentée sur la figure 4 et sera décrite plus en détail par la suite.
Ce mode de réalisation a pour principal avantage de permettre la réalisation du cordon 13 et de la bille 9 sur le même support. Ce mode de réalisation peut être utilisé, essentiellement, pour des billes dont la hauteur est, par exemple, inférieure à 55 μm, après assemblage car, dans ce cas, la surface de la puce utilisée pour réaliser le cordon reste faible. Sur la figure 3B, on a représenté un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel le matériau fusible utilisé pour réaliser le cordon 13 est déposé sur le substrat 5. Tout comme sur la figure 3A, la puce 1 et le substrat 5 comportent, respectivement, des zones conductrices d'accrochage 13a et 13b. Selon »*- ce mode de réalisation de l'invention, l'un des matériaux fusibles est déposé sur la face inférieure la de la puce 1 pour réaliser les billes d'hybridation 9. Le second matériau fusible est déposé sur la zone 13b 5 du substrat 5 pour réaliser le cordon 13. Lorsque les matériaux fusibles ont été déposés, respectivement, sur la face la de la puce 1 et sur le substrat 5, le substrat d'une part et la puce d'autre part sont portés avantageusement à une température de mise en forme pour 0 assurer comme dans la figure 3A le recentrage des billes et du cordon sur leurs matériaux d'accrochage respectifs 3 et 13b. Les températures de mise en forme respectivement des billes et du cordon sont au moins égales aux températures de fusion de ceux-ci. La puce 1 5 est alors déposée sur le substrat 5, sa face inférieure la en vis-à-vis avec la surface du substrat 5. Cet ensemble est alors chauffé comme précédemment pour obtenir le brasage des billes et du cordon. La mise à niveau des billes et du cordon se fait également comme 0 décrit précédemment.
Ce mode de réalisation du procédé de l'invention permet de réaliser un cordon pour des puces dont les billes d'hybridation ont une hauteur, par exemple, de l'ordre de 50 μm jusqu'à 120 μm, la surface 5 nécessaire à la réalisation du cordon étant prise sur le substrat.
Sur la figure 3C, on a représenté le mode de réalisation du procédé de l'invention dans lequel le matériau fusible du cordon a été rapporté sur le 0 substrat sous forme d'une préforme. De façon plus précise, on peut voir sur cette figure 3C la puce 1 comportant les zones conductrices 3 et 13a, ainsi que le matériau fusible réalisant la bille d'hybridation 9. Sur cette figure 3C, on peut également voir le substrat 5 5 comportant les zones conductrices 7 et 13b. On y a représenté aussi le matériau fusible apte à réaliser le cordon 13, sous sa forme préformée. En effet, selon ce mode de réalisation, ce matériau fusible a subi une préformation, telle qu'un découpage ou un emboutissage dans une feuille de matériau fusible. Ce matériau fusible 13 préformé est alors déposé sur le substrat 5. Indépendamment, le matériau fusible apte à réaliser la bille d'hybridation 9 est déposé sur la face la de la puce 1. Cette puce 1 est alors portée à la température de mise en forme choisie qui correspond au moins à la température de fusion du matériau fusible apte à réaliser la bille. Lors de l'étape d'assemblage, la puce 1 est déposée sur le substrat 5, avec sa face la en vis-à-vis par rapport à la surface du substrat 5 muni du cordon 13. Et enfin, l'ensemble constitué de la puce 1, du substrat 5 et des matériaux fusibles est porté à une température choisie pour assurer le brasage de ces matériaux avec les plots correspondants.
Ce dernier mode de réalisation du procédé de l'invention nécessite, bien évidemment, une étape supplémentaire de préformation calibrée du matériau fusible apte à réaliser le cordon 13. Cependant, il permet de réaliser un cordon pour des puces hybridées par des billes ayant, par exemple, une taille comprise entre 100 μm et 300 μm.
Il permet, en outre, d'obtenir aisément le facteur de forme voulu.
Sur la figure 4, on a représenté la puce 1 avec son plot de connexion 3 et la partie conductrice 13a sur laquelle repose le cordon 13. On voit également sur cette figure 4 le substrat 5 avec le plot de connexion 7 et la partie conductrice 13b en contact avec le cordon 13. Cette figure représente l'étape dans laquelle, la puce 1 ayant été déposée sur le substrat 5, l'ensemble puce/matériaux fusibles/substrat est chauffé pour assurer la fusion des matériaux fusibles sur les matériaux d'accrochage, afin que les parties 13a, 13b, 3 et 7 réalisées en matériau conducteur sur la puce 1 et le substrat 5 soient liées par la bille 9 et le cordon 13.
On a représenté, de plus, sur cette figure 4, les dimensions h, d et D citées précédemment et qui sont, respectivement, la hauteur du cordon 13 et de la bille 9, la largeur du cordon 13 et la plus grande dimension de la puce 1.
Ce procédé selon l'invention, comme cela a été compris précédemment, permet donc de réaliser un cordon permettant d'une part l'etancheité de l'ensemble puce/substrat 5 et, d'autre part, d'améliorer la tenue mécanique de cet ensemble puce/substrat, notamment lors de variations de température, et ce, pour des billes d'hybridation dont la taille varie, par exemple, de quelques μm jusqu'à 300 μm. En outre, ce procédé se prête particulièrement bien à une réalisation collective au cours de laquelle plusieurs puces peuvent être hybridées simultanément lors d'une même étape de chauffage, l'etancheité et la tenue mécanique de chaque puce sur le substrat étant assurées par le cordon qui lui est associé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'un cordon (13) d'étancheite et de tenue mécanique entre un substrat (5) d'interconnexion et un composant électronique (1) hybride par billes (9) sur ledit substrat d'interconnexion, caractérisé en ce qu'il consiste, parallèlement à la réalisation des billes d'hybridation sur une face (la) inférieure du composant électronique ou du substrat par un premier matériau fusible :
(a) à déposer, sur le substrat d'interconnexion ou sur la face inférieure du composant électronique, un cordon (13) d'un deuxième matériau fusible ; (b) à placer la face inférieure du composant électronique sur le substrat d'interconnexion de façon à réaliser les connexions entre ledit composant électronique et ledit substrat d'interconnexion au moyen du premier matériau fusible ; et
(c) à chauffer l'ensemble ainsi formé à une température au moins égale à la température de fusion la plus élevée desdits premier et second matériaux fusibles, afin de réaliser les billes d'hybridation de hauteur h au moyen du premier matériau et le cordon d'étancheite et de tenue mécanique au moyen du cordon de second matériau, ce cordon présentant une hauteur (h) et une largeur (d) vérifiant les expressions : h > 10"2 D + α
10-2 D - h d > , h - α où α est un coefficient de forme et D est la plus grande dimension du composant électronique ;
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau a un coefficient d'expansion proche du coefficient d'expansion du premier matériau.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que préalablement à l'étape (b) , le cordon est mis en forme par chauffage à une température au moins égale à la température de fusion du second matériau.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second matériau est un matériau fusible identique au premier matériau fusible assurant la réalisation des billes d'hybridation.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cordon de second matériau est disposé sur la périphérie d'un espace réalisé entre le composant électronique et le substrat d'interconnexion.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape (a) consiste à déposer le cordon de second matériau de façon préformée sur le substrat d'interconnexion ou sur la face inférieure du composant électronique.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le coefficient de forme (α) est compris entre 0 et 10.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'accrochage sur le substrat et le composant électronique du second matériau fusible est obtenu par l'intermédiaire d'un matériau d'accrochage déposé sur le substrat et sur le composant électronique.
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