EP1129479A1 - Systeme d'assemblage de substrats a zones d'accrochage pourvues de cavites - Google Patents

Systeme d'assemblage de substrats a zones d'accrochage pourvues de cavites

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EP1129479A1
EP1129479A1 EP99950858A EP99950858A EP1129479A1 EP 1129479 A1 EP1129479 A1 EP 1129479A1 EP 99950858 A EP99950858 A EP 99950858A EP 99950858 A EP99950858 A EP 99950858A EP 1129479 A1 EP1129479 A1 EP 1129479A1
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EP
European Patent Office
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fusible material
substrate
substrates
attachment
wettable
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99950858A
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German (de)
English (en)
Inventor
François BALERAS
Pierre Renard
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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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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a system for assembling substrates, using a fusible material.
  • the assembly of substrates by means of fusible material can take place by bringing the substrates to be assembled into contact, by heating a fusible material previously placed in areas for mutual bonding of the substrates, then by allowing this material to cool to weld together. hanging areas.
  • the invention finds applications in the manufacture of electronic devices and in particular of microwave circuits.
  • the invention can be implemented to associate a cover with the components.
  • a cover is intended in particular to promote the propagation of signals, and to constitute a shielding against parasitic electromagnetic radiation.
  • the invention also finds applications in the manufacture of devices including microelectronics and / or micromechanics components requiring a shielding or protection element.
  • the invention can be used in the manufacture of accelerometers including an electronic measurement circuit and a seis ic weight, that is to say a micromechanical element capable of moving under the effect of a acceleration.
  • a protective cover can be used in particular to prevent excessive movement of the counterweight.
  • flip chip This technique essentially comprises the following stages: - the deposition of assembly balls or wafers in a fusible material on areas for attaching substrates to be assembled,
  • the interconnection balls made of a fusible material have the essential function of ensuring the cohesion of the structure formed by the assembled substrates. Another function conferred on the balls, in particular for assemblies including electronic circuits, is to provide an electrical contact path between the assembled parts. Finally, the balls can be taken advantage of in an adjustment and maintenance function of a determined spacing between the assembled substrates, and in particular between a substrate comprising a component, and a substrate forming a cover.
  • This last function can be essential, in particular in the formation of accelerometers in which the hood is used to adjust the stroke or the maximum displacement of a seismic flyweight.
  • the seismic counterweight is indeed a fragile mechanical member and the cover makes it possible to prevent excessive movement or deformation of the counterweight capable of causing it to break.
  • the fusible material of the balls, or of the pancakes can be formed by electrolysis, by dispensing or any other deposition technique. It is formed in particular in attachment zones provided with areas of material wettable by the fusible material, also called "interconnection pads".
  • the particular techniques for manufacturing balls of fusible material increase the number of process steps, in particular of preparation of deposit or growth masks, and increase the cost of assembly.
  • the purpose of the present invention is to propose a substrate, and more generally a system for assembling substrates which does not have the limitations mentioned above.
  • One aim is in particular to propose a substrate and an assembly system which does not require additional processing operations.
  • an aim is also to propose an inexpensive assembly system to produce and to implement.
  • Another aim is to propose an assembly system and method making it possible to adjust the spacings between substrates simply and with great precision, and in particular spacings of less than 15 ⁇ m.
  • the invention more specifically relates to a device comprising a first substrate, with at least one attachment zone, capable of being assembled to a second substrate, the attachment zone having a pad made of a material. wettable with fusible material.
  • the attachment zone is provided with at least one cavity for receiving fusible material.
  • the term “substrate” means any element capable of being assembled by a fusible material.
  • a substrate can therefore be, for example, a cover, a support comprising individual mechanical, optical and / or electronic components. or in circuit.
  • the "substrate” can also consist of a micromechanical part, intended to be assembled with other parts to form a structure.
  • the present disclosure of the invention relates in a simplified manner to a case where the system of substrates to be assembled comprises only two substrates. It will be understood that the invention applies to any system comprising a number of substrates greater than or equal to two.
  • the attachment areas of the substrate, and in particular the areas of wettable material, are intended to receive the fusible material.
  • the quantity of fusible material necessary to perform an assembly with a given spacing can be determined with less precision. Indeed, a possible excess of fusible material can be collected in the cavities of the attachment zones. By fixing their volume, the cavities also make it possible to adjust the height of fusible material joining the two substrates. In addition, since the fusible material can be collected in the cavities, it is possible, with good precision, to obtain spacing heights between the substrates of the order of a micrometer.
  • the walls of the cavities may be made of a material wettable by the fusible material.
  • the walls of the cavity also contribute to the attachment, that is to say to the cohesion of the structures.
  • the cavities receive a possible excess of fusible material which does not become fixed in the cavity.
  • the non-wettable nature of the walls of the cavity can also be used to delimit the extension of the surface on which the weld is made, that is to say, ultimately, to delimit the extension of the attachment zone.
  • the attachment zone can be delimited in particular by one or more cavities which surround it.
  • the hybridization height that is to say the height of the spacing between the assembled substrates, is essentially dictated by the extension of the attachment zone.
  • the spacing provided between the cavities makes it possible to adjust the height of hybridization.
  • the hybridization height is automatically adjusted to a minimum value of the order micron.
  • the height is greater, and can be adjusted to a desired value.
  • V f H-S + V c
  • V f corresponds to the volume of fusible material
  • H to the assembly height
  • S to the surface of the attachment zone
  • V c to the volume of the cavities.
  • the height of the assembly will be approximately 10 ⁇ m.
  • the invention also relates to an assembly system comprising a first substrate and at least a second substrate, the first and second substrates having attachment zones.
  • the attachment zones of the first and second substrates are respectively conjugated in pairs so that a first attachment zone of a pair comes opposite a second conjugated attachment zone of the pair, when the first and second substrates are assembled.
  • the attachment zones each comprise at least one range of material wettable by a fusible material, and at least one of the attachment zones of a pair comprises a boss of fusible material in contact with the range of material. fuse.
  • at least one of the attachment zones of each pair is provided with at least one cavity for receiving fusible material.
  • bosses means any heap of fusible material capable of contributing to the assembly (or hybridization) of the substrates.
  • the bosses can be in particular in the form of balls, pancakes or small columns.
  • the invention also relates to a method for producing a device comprising first and second substrates as described. According to this process:
  • the first and second substrates are assembled so that the attachment zones of a pair are opposite and separated respectively by at least one boss of fusible material
  • Heating of the fusible material is carried out at a temperature sufficient to cause the welding of the fusible material respectively on the facing attachment zones and to cause the flow of an excess of fusible material in at least one cavity of the zones of hanging, and
  • FIG. 1 shows in a simplified manner a substrate according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross section of a microwave propagation device using a substrate similar to that of Figure 1.
  • - Figures 3 to 7 are schematic sections of substrates illustrating successive stages of preparation of a first substrate according to the invention.
  • - Figures 8 and 9 are schematic sections illustrating the assembly of the first substrate of Figure 7 with a second substrate.
  • FIG. 1 represents a substrate 100, shaped, in accordance with the invention with a view to producing a cover for a microwave transmission line.
  • the substrate 100 made of an insulating or semiconducting material, such as silicon for example, has a face 102 covered with a metallic layer 104.
  • the metallic layer is wettable by a fusible material capable of being used during an operation of 'assembly.
  • the face 102 of the substrate comprises a rectilinear central depression 106 intended to form a housing for a component of a second substrate (not shown) with which the substrate 100 can be associated.
  • the surface 102 of the substrate also comprises two attachment zones 110a, 110b formed on either side of the depression 106.
  • the attachment zones have a range of wettable material, formed by the metal layer 104, and are provided with cavities 120.
  • Each attachment zone 110a, 110b, of rectangular shape, is provided with four cavities 120.
  • the cavities are arranged respectively on each of its sides so as to delimit and surround the attachment zones.
  • the attachment zones can also be surrounded respectively by a zone (not shown) whose surface is non-wettable.
  • the cavities 120 can be formed in the substrate either before the establishment of the metal layer 104 (the cavities then have wettable walls), or after the etching of the metal layer 104 (the cavities have non-wettable walls).
  • Figure 2 shows in section a microwave device using a first substrate similar to Figure 1 as a cover.
  • FIGS. 1 and 2 are marked with the same references to facilitate reading.
  • the microwave device of FIG. 2 also comprises a second substrate 200 used as a support for a suspended membrane 203.
  • This membrane is composed of insulating materials which are not wettable by the fusible material used for hybridization.
  • a microwave propagation line 205 extends over the central part of the membrane perpendicular to the plane of the figure.
  • attachment areas 210a, 210b are provided in peripheral parts of the membrane, where the latter covers the substrate.
  • the attachment zones 210a, 210b each comprise a range of wettable material 212a, 212b in the form of a metal stud formed on the surface of the membrane.
  • the areas of wettable material are surrounded by non-wettable areas, formed by bare portions of the membrane 203.
  • the microwave device of FIG. 2 also comprises a substrate 100, similar to that of FIG. 1, which is transferred to the substrate 200 so as to make the hooking zones 110a, 110b of the first substrate 100 respectively coincide with the zones d attachment 210a, 210b of the second substrate 200. Furthermore, it is observed that the depression 106 of the substrate 100 is arranged so as to coincide with the microwave propagation line 205.
  • the metal layer 104 of the first substrate 100 constitutes a ground plane intended to form a shield for the microwave line.
  • This ground plane must be electrically connected to other ground planes of the second substrate supporting the microwave line.
  • metal pads 213, as well as the pads of wettable material 212a, 212b can constitute ground planes of the second substrate.
  • the ground plane should be positioned at a given distance from the propagation line, determined by its characteristics and properties of microwave transmission. This distance is for example 200 ⁇ m.
  • the electrical contacting of the ground plane of the first substrate with the second substrate takes place by means of a fusible material 214 placed between the opposite attachment zones.
  • the fusible material also provides mechanical maintenance and mutual spacing between the substrates.
  • the cavities 120 of the first substrate 100, forming the cover have a volume greater than the volume of the fusible material put in place.
  • the hybridization height that is to say the spacing of the substrates in the vicinity of the attachment zones is very small, of the order of a micrometer.
  • the spacing (200 ⁇ m) that should be made between the ground plane, that is to say the layer 104 of the cover, and the propagation line 205 can be adjusted with great precision by simply controlling the engraving depth of the cover during the formation of the depression 106.
  • Figures 3 to 7 indicate more precisely an example of treatment of a substrate wafer according to the invention.
  • a continuous layer 142 of masking material is formed on one face 102 of a substrate wafer 100.
  • the substrate 100 is, for example, a silicon substrate and the mask layer 142 is, for example, a layer of silicon nitride with respect to which the material of the substrate can be selectively etched.
  • FIG. 4 shows the formation on the mask layer 142 of a layer of photosensitive resin 144 according to a predetermined pattern. The pattern is obtained according to conventional photolithography techniques by exposure then by development of the resin layer.
  • the mask layer 142 is then subjected to a dry or wet etching, selective with respect to the material of the substrate, so as to leave on the surface of the substrate only a part of this mask layer corresponding to the pattern of the resin layer. .
  • FIG. 5 shows the state of the substrate after this etching.
  • the substrate is also subjected to etching, for example chemical etching in a KOH solution so as to make depressions in the substrate.
  • the etching of the depressions is selective with respect to the material of the mask layer 142 which protects the parts of the substrate which it covers.
  • a central depression 106 is obtained, which may coincide, for example, with a component of another substrate and depressions 120 in peripheral regions in which one wishes to form attachment zones.
  • the attachment zones marked with the references 110a, 110b in FIG. 7 are formed essentially by spraying on the etched surface of the substrate a layer of metal 104.
  • the metal is for example titanium-nickel or titanium - copper, and is wettable by a fusible material.
  • the metal layer 104 also covers the parts of the mask layer remaining on the surface of the substrate.
  • the metal layer 104 lines the walls of the depressions 120 which form cavities for receiving fusible material.
  • Figure 8 shows a system of substrates to be assembled. This system comprises the substrate 100 of FIG. 7 and another substrate 300 which may include components 305.
  • the substrate 300 made of a non-wettable material, comprises attachment zones 310a, 310b in which connection pads 312a are formed, 312b in a material, such as Cu, Ti-Ni or Ti-Cu, wettable by a fusible material. Also, within the meaning of the invention, the studs 312a, 312b constitute the areas of wettable material of the attachment zones 310a, 310b.
  • the studs are produced by etching a metal layer in a pattern also defined by a resin mask (not shown).
  • the attachment zones 310a, 310b of the second substrate 300 are conjugated in position to the attachment zones 110a, 110b of the first substrate 100, so as to form pairs of opposite attachment zones.
  • the areas of wettable material formed by the pads 312a, 312b are surrounded by the non-wettable material of the second substrate.
  • a quantity of fusible material is deposited, for example in the form of balls or bosses 314.
  • the fusible material is for example an alloy based on indium, tin-lead or any other material fuse, can be melted (or softened) at low temperature. It is for example an alloy SnPb 60/40.
  • the placement of the fusible material on the pads 312a, 312b can be carried out very simply by "dispensing with a syringe" (dispensing). This process is more faster and more economical than chemical or electrolyte material formation processes.
  • the amount of material applied is not very critical.
  • the substrates are assembled so as to bring the balls of fusible material into contact with the attachment zones of the first substrate.
  • the balls of fusible material is (are) brought (s) then to a temperature sufficient to soften, or to melt the fusible material, so that a welding of the material on the corresponding attachment zones can take place. After cooling, the assembly illustrated in FIG. 9 is obtained. It is observed that an excess of fusible material has flowed into the cavities 120 of the first substrate 100 and that only a small amount of material remains between the attachment zones. .

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Abstract

L'invention concerne un dispositif comprenant un premier substrat (100) avec au moins une zone d'accrochage (110a, 110b), susceptible d'être assemblé avec un deuxième substrat (200), la zone d'accrochage (110a, 110b) présentant une plage en un matériau (104) mouillable par un matériau fusible. Conformément à l'invention, la zone d'accrochage (110a, 110b) est munie d'au moins une cavité (120) de réception de matériau fusible.

Description

SYSTEME D'ASSEMBLAGE DE SUBSTRATS A ZONES D'ACCROCHAGE
POURVUES DE CAVITES
Domaine technique La présente invention concerne un système d'assemblage de substrats, au moyen d'un matériau fusible .
L'assemblage de substrats au moyen de matériau fusible peut avoir lieu en mettant en contact les substrats à assembler, en chauffant un matériau fusible préalablement mis en place dans des zones d'accrochage mutuel des substrats puis en laissant ce matériau refroidir pour souder entre elles les zones d' accrochage . L'invention trouve des applications dans la fabrication de dispositifs électroniques et en particulier de circuits à hyperfréquences .
Dans les circuits à hyperfréquences, 1 ' invention peut être mise en oeuvre pour associer un capot aux composants. Un tel capot est destiné notamment à favoriser la propagation des signaux, et à constituer un blindage contre les rayonnements électromagnétiques parasites.
De façon plus générale, l'invention trouve également des applications dans la fabrication de dispositifs incluant des composants de microélectronique et/ou de micromécanique nécessitant un élément de blindage ou de protection.
A titre d'exemple, l'invention peut être utilisée dans la fabrication ' accéléromètres incluant un circuit électronique de mesure et une masselotte sis ique, c'est-à-dire un élément de micromécanique susceptible de se déplacer sous l'effet d'une accélération. Dans cet exemple, un capot de protection peut être utilisé notamment pour empêcher un déplacement excessif de la masselotte.
Etat de la technique antérieure
La technique la plus couramment utilisée pour l'assemblage de deux substrats est la technique dite de
"flip chip". Cette technique comprend pour l'essentiel les étapes suivantes : - le dépôt de billes ou de galettes d'assemblage en un matériau fusible sur des zones d'accrochage de substrats à assembler,
- l'assemblage des substrats de façon à mettre en regard des paires de zones d'accrochage respectivement de chacun des substrats, au moins l'une des zones d'accrochage de chaque paire étant équipée de matériau fusible,
- le chauffage des substrats pour porter les deux parties à assembler, mises face à face, à une température légèrement supérieure à la température de fusion du matériau des billes, de manière à réaliser une sorte de brasage, qui relie entre elles des zones d'accrochage situées respectivement sur chacun des substrats.
Les billes d'interconnexion en un matériau fusible ont pour fonction essentielle d'assurer la cohésion de la structure formée par les substrats assemblés. Une autre fonction conférée aux billes, notamment pour les assemblages incluant des circuits électroniques, est de fournir une voie de contact électrique entre les parties assemblées. Enfin, les billes peuvent être mises à profit dans une fonction d'ajustage et de maintien d'un espacement déterminé entre les substrats assemblés, et en particulier entre un substrat comportant un composant, et un substrat formant capot.
Cette dernière fonction peut être essentielle, notamment dans la formation d' accéléromètres dans lesquels le capot est utilisé pour ajuster la course ou le déplacement maximum d'une masselotte sismique. La masselotte sismique est en effet un organe mécanique fragile et le capot permet d'empêcher un déplacement ou une déformation excessifs de la masselotte susceptibles de causer sa rupture.
La technique d'assemblage par billes de matériau fusible, bien que commode à mettre en oeuvre, reste d'une précision insuffisante pour l'ajustage d'un espacement entre substrats qui soit inférieur ou égal à
15μm.
Pour garantir avec précision et uniformité des espacements inférieurs à 15μm, il est indispensable d'avoir recours a des techniques particulières de fabrication et de contrôle de la hauteur des billes de matériau fusible.
En particulier, le matériau fusible des billes, ou des galettes, peut être formé par voie d' électrolyse, par dispensing ou toute autre technique de dépôt. Il est formé notamment en des zones d'accrochage pourvues de plages de matériau mouillable par le matériau fusible, encore appelées "plots d ' interconnexion" .
Les techniques particulières de fabrication des billes de matériau fusible augmentent le nombre d'étapes de procédé, notamment de préparation de masques de dépôt ou de croissance, et alourdissent le coût de l'assemblage.
Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un substrat, et plus généralement un système d'assemblage de substrats ne présentant pas les limitations évoquées ci-dessus .
Un but est en particulier de proposer un substrat et un système d'assemblage ne nécessitant pas d'opérations supplémentaires de traitement.
Un but est également de proposer un système d'assemblage peu coûteux à réaliser et à mettre en oeuvre . Un but est encore de proposer un système et un procédé d'assemblage permettant d'ajuster simplement et avec une grande précision des espacements entre substrats, et notamment des espacements inférieurs à 15μm. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un dispositif comprenant un premier substrat, avec au moins une zone d'accrochage, susceptible d'être assemblé à un deuxième substrat, la zone d'accrochage présentant une plage en un matériau mouillable par un matériau fusible. De plus, conformément à l'invention, la zone d'accrochage est munie d'au moins une cavité de réception de matériau fusible.
Au sens de la présente invention, on entend par substrat tout élément susceptible d'être assemblé par un matériau fusible. Un substrat peut donc être, par exemple, un capot, un support comportant des composants mécaniques, optiques et/ou électroniques, individuels ou en circuit. Le "substrat" peut aussi consister en une pièce de micromécanique, destinée à être assemblée avec d'autres pièces pour former une structure.
Le présent exposé de 1 ' invention se rapporte de façon simplifiée à un cas où le système de substrats à assembler ne comporte que deux substrats. On comprendra que l'invention s'applique à tout système comprenant un nombre de substrats supérieur ou égal à deux.
Les zones d'accrochage du substrat, et en particulier les plages de matériau mouillable, sont destinées à recevoir le matériau fusible.
Grâce à l'invention, la quantité de matériau fusible nécessaire pour effectuer un assemblage avec un espacement donné peut être déterminée avec une précision moindre. En effet, un éventuel excès de matériau fusible peut être recueilli dans les cavités des zones d'accrochage. En fixant leur volume, les cavités permettent en outre d'ajuster la hauteur de matériau fusible assemblant les deux substrats. De plus, comme le matériau fusible peut être recueilli dans les cavités, il est possible, avec une bonne précision, d'obtenir des hauteurs d'espacement entre les substrats de l'ordre du micromètre.
Les parois des cavités peuvent être en un matériau mouillable par le matériau fusible.
Lorsqu'elles sont en un matériau mouillable, les parois de la cavité contribuent également à l'accrochage, c'est-à-dire à la cohésion des structures.
A l'inverse, lorsqu'elles sont en un matériau non mouillable, les cavités reçoivent un éventuel excès de matériau fusible qui ne se fixe pas dans la cavité.
Le caractère non-mouillable des parois de la cavité peut également être mis à profit pour délimiter l'extension de la surface sur laquelle se fait la soudure, c'est-à-dire, en définitive, pour délimiter l'extension de la zone d'accrochage.
La zone d'accrochage peut être délimitée notamment par une ou plusieurs cavités qui l'entourent.
Pour une quantité donnée de matériau fusible, la hauteur d'hybridation, c'est-à-dire la hauteur de l'espacement entre les substrats assemblés est dictée pour l'essentiel par l'extension de la zone d'accrochage.
Ainsi, lorsque les cavités sont utilisées pour délimiter la zone d'accrochage, l'écartement prévu entre les cavités permet d'ajuster la hauteur d'hybridation. Dans un cas particulier où le volume de matériau fusible mis en place dans une zone d'accrochage est inférieur au volume global des cavités associées à cette zone d'accrochage, la hauteur d'hybridation se règle automatiquement à une valeur minimale de l'ordre du micron.
Dans le cas contraire, la hauteur est plus importante, et peut être ajustée à une valeur souhaitée. En connaissant la surface de la zone d'accrochage et en définissant une hauteur d'assemblage désirée, on peut déterminer le volume nécessaire de matériau fusible.
On a : Vf=H-S+Vc
Dans cette expression Vf correspond au volume de matériau fusible, H à la hauteur d'assemblage, S à la surface de la zone d'accrochage et Vc au volume des cavités .
La relation donnant la hauteur d'assemblage peut donc s'écrire : H -- Vf - V . S
A titre d'exemple, pour une zone d'accrochage de 2x5 mm2 encadrée par quatre cavités : 2 cavités de
0,1x5 mm2, 2 cavités de 0,1x2 mm2, pour un volume de matériau fusible de 20,8.10"2 mm3, la hauteur de l'assemblage sera de 10 μm environ.
L'invention concerne également un système d'assemblage comprenant un premier substrat et au moins un deuxième substrat, les premier et deuxième substrats présentant des zones d'accrochages. Les zones d'accrochage des premier et deuxième substrats sont respectivement conjuguées par paires de telle sorte qu'une première zone d'accrochage d'une paire vienne en regard d'une deuxième zone d'accrochage conjuguée de la paire, lorsque les premier et deuxième substrats sont assemblés. De plus, les zones d'accrochage comportent chacune au moins une plage de matériau mouillable par un matériau fusible, et au moins l'une des zones d'accrochage d'une paire comporte un bossage de matériau fusible en contact avec la plage de matériau fusible. Conformément à l'invention, au moins l'une des zones d'accrochage de chaque paire est munie d'au moins une cavité de réception de matériau fusible.
On entend par bossage tout amas de matériau fusible susceptible de contribuer à l'assemblage (ou hybridation) des substrats. Les bossages peuvent se présenter notamment sous forme de billes, de galettes ou de colonnettes.
Dans une présentation particulière possible du système, seules les zones d'accrochage d'un seul des substrats sont équipées de bossages de matériau fusible, mais dépourvues de cavités. Le deuxième substrat, présentant les zones d'accrochage conjuguées est dépourvu de matériau fusible (avant l'assemblage) mais comprend les cavités destinées à recueillir, lors de l'assemblage, le matériau fusible en excès. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif comprenant un premier et un deuxième substrats tels que décrits. Selon ce procédé :
- on assemble les premier et deuxième substrats de façon que les zones d'accrochage d'une paire soient en regard et séparées respectivement par au moins un bossage de matériau fusible,
- on effectue un chauffage du matériau fusible à une température suffisante pour provoquer le soudage du matériau fusible respectivement sur les zones d'accrochage en regard et pour provoquer l'écoulement d'un excès de matériau fusible dans au moins une cavité des zones d'accrochage, et
- on laisse refroidir le matériau fusible pour le durcir. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.
Brève description des figures
- La figure 1 représente de façon simplifiée un substrat conforme à l'invention.
- La figure 2 est une coupe schématique transversale d'un dispositif de propagation de microondes utilisant un substrat semblable à celui de la figure 1. - Les figures 3 à 7 sont des coupes schématiques de substrats illustrant des étapes successives de préparation d'un premier substrat conformément à l'invention. - Les figures 8 et 9 sont des coupes schématiques illustrant l'assemblage du premier substrat de la figure 7 avec un deuxième substrat.
Description détaillée de modes de mise en oeuyre de 1' invention
La figure 1 représente un substrat 100, mis en forme, conformément à l'invention en vue de réaliser un capot pour une ligne de transmission hyperfréquence.
Le substrat 100, en un matériau isolant ou semiconducteur, tel que du silicium par exemple, présente une face 102 recouverte d'une couche métallique 104. La couche métallique est mouillable par un matériau fusible susceptible d'être employé lors d'une opération d'assemblage. La face 102 du substrat comprend une dépression centrale rectiligne 106 destinée à former un logement pour un composant d'un deuxième substrat (non représenté) auquel le substrat 100 peut être associé.
La face 102 de substrat comprend également deux zones d'accrochage 110a, 110b ménagées de part et d'autre de la dépression 106. Les zones d'accrochage présentent une plage de matériau mouillable, formée par la couche métallique 104, et sont munies de cavités 120. Chaque zone d'accrochage 110a, 110b, de forme rectangulaire, est munie de quatre cavités 120. Les cavités sont disposées respectivement sur chacun de ses côtés de façon à délimiter et entourer les zones d' accrochage. Dans l'exemple décrit, dès lors que la couche métallique 104 recouvre l'ensemble de la face 102, les cavités 120 peuvent présenter des parois mouillables par un matériau fusible. Eventuellement, les zones d'accrochage peuvent aussi être entourées respectivement par une zone (non représentée) dont la surface est non mouillable.
Les cavités 120 peuvent être pratiquées dans le substrat soit avant la mise en place de la couche métallique 104 (les cavités présentent alors des parois mouillables) , soit après la gravure de la couche métallique 104 (les cavités présentent des parois non mouillables) .
La figure 2 montre en coupe un dispositif hyperfréquence utilisant un premier substrat semblable à la figure 1 comme capot.
Des éléments identiques ou similaires sur les figures 1 et 2, de même que sur les figures suivantes, sont repérés par les mêmes références pour en faciliter la lecture.
Le dispositif hyperfréquence de la figure 2 comprend également un deuxième substrat 200 utilisé comme support d'une membrane suspendue 203. Cette membrane est composée de matériaux isolants qui ne sont pas mouillables par le matériau fusible utilisé pour l'hybridation.
Une ligne de propagation hyperfréquence 205 s'étend sur la partie centrale de la membrane perpendiculairement au plan de la figure. Dans des parties périphériques de la membrane, où celle-ci recouvre le substrat, sont ménagées des zones d'accrochage 210a, 210b. Les zones d'accrochage 210a, 210b comprennent chacune une plage de matériau mouillable 212a, 212b sous la forme d'un plot métallique formé à la surface de la membrane. Les plages de matériau mouillable sont entourées par des plages non mouillables, formées par des portion à nu de la membrane 203.
Le dispositif hyperfréquence de la figure 2 comporte également un substrat 100, semblable à celui de la figure 1, qui est reporté sur le substrat 200 de manière à faire coïncider respectivement les zones d'accrochage 110a, 110b du premier substrat 100 avec les zones d'accrochage 210a, 210b du deuxième substrat 200. Par ailleurs, on observe que la dépression 106 du substrat 100 est disposée de façon à coïncider avec la ligne de propagation hyperfréquence 205.
La couche métallique 104 du premier substrat 100 constitue un plan de masse destiné à former un blindage de la ligne hyperfréquence.
Ce plan de masse doit être relié électriquement à d'autres plans de masse du deuxième substrat supportant la ligne hyperfréquence.
Sur la figure 2, des plages métalliques 213, de même que les plages de matériau mouillable 212a, 212b peuvent constituer des plans de masse du deuxième substrat.
De plus, il convient de positionner le plan de masse à une distance donnée de la ligne de propagation, déterminée par ses caractéristiques et propriétés de transmission hyperfréquence. Cette distance est par exemple de 200μm. La mise en contact électrique du plan de masse du premier substrat avec le deuxième substrat a lieu par l'intermédiaire d'un matériau fusible 214 mis en place entre les zones d'accrochage en regard. Le matériau fusible assure également le maintien mécanique et l'espacement mutuel entre les substrats.
De préférence, les cavités 120 du premier substrat 100, formant le capot, présentent un volume supérieur au volume du matériau fusible mis en place. Ainsi, la hauteur d'hybridation, c'est-à-dire l'espacement des substrats au voisinage des zones d'accrochage est très faible, de l'ordre du micromètre.
L'espacement (200μm) qu'il convient de ménager entre le plan de masse, c'est-à-dire la couche 104 du capot, et la ligne de propagation 205 peut être ajusté avec grande précision en contrôlant simplement la profondeur de gravure du capot lors de la formation de la dépression 106.
Les figures 3 à 7 indiquent de façon plus précise un exemple de traitement d'une plaquette de substrat conforme à l'invention.
Dans une première étape, illustrée par la figure 3, on forme sur une face 102 d'une plaquette de substrat 100 une couche continue 142 de matériau de masquage. Le substrat 100 est, par exemple, un substrat de silicium et la couche de masque 142 est, par exemple, une couche de nitrure de silicium par rapport à laquelle le matériau du substrat peut être gravé sélectivement . La figure 4 montre la formation sur la couche de masque 142 d'une couche de résine photosensible 144 selon un motif prédéterminé. Le motif est obtenu selon des techniques de photolithographie classiques par insolation puis par développement de la couche de résine.
La couche de masque 142 est alors soumise à une gravure sèche ou humide, sélective par rapport au matériau du substrat, de façon à ne laisser à la surface du substrat qu'une partie de cette couche de masque correspondant au motif de la couche de résine.
La figure 5 montre l'état du substrat après cette gravure. Après avoir éliminé la couche de résine, le substrat est soumis également à une gravure, par exemple une gravure chimique dans une solution de KOH de façon à pratiquer dans le substrat des dépressions.
La gravure des dépressions est sélective par rapport au matériau de la couche de masque 142 qui protège les parties du substrat qu'elle recouvre.
Comme le montre la figure 6, dans l'exemple illustré, on obtient au terme de la gravure une dépression centrale 106, pouvant coïncider, par exemple, avec un composant d'un autre substrat et des dépressions 120 dans des régions périphériques dans lesquelles on souhaite former des zones d'accrochage.
Les zones d'accrochage repérées avec les références 110a, 110b sur la figure 7 sont formées pour l'essentiel en déposant par pulvérisation sur la surface gravée du substrat une couche de métal 104. Le métal est par exemple du titane-nickel ou du titane- cuivre, et est mouillable par un matériau fusible. La couche de métal 104 recouvre également les parties de la couche de masque subsistant à la surface du substrat. Enfin, la couche de métal 104 tapisse les parois des dépressions 120 qui forment des cavités de réception de matériau fusible. La figure 8 montre un système de substrats à assembler. Ce système comprend le substrat 100 de la figure 7 et un autre substrat 300 pouvant comporter des composants 305. Le substrat 300, en un matériau non mouillable, comprend des zones d'accrochage 310a, 310b dans lesquelles sont formées des plots de connexion 312a, 312b en un matériau, tel que Cu, Ti-Ni ou Ti-Cu, mouillable par un matériau fusible. Aussi, au sens de l'invention, les plots 312a, 312b constituent les plages de matériau mouillable des zones d'accrochage 310a, 310b.
Les plots sont réalisés par gravure d'une couche métallique selon un motif défini également par un masque de résine (non représenté) .
Les zones d'accrochage 310a, 310b du deuxième substrat 300 sont conjuguées en position aux zones d'accrochages 110a, 110b du premier substrat 100, de façon à former des paires de zones d'accrochage en regard.
Les plages de matériau mouillable formées par les plots 312a, 312b sont entourées par le matériau non mouillable du deuxième substrat.
Sur les plots 312a et 312b, on dépose une quantité de matériau fusible, par exemple sous la forme de billes ou de bossages 314. Le matériau fusible est par exemple un alliage à base d'indium, d' étain-plomb ou tout autre matériau fusible, pouvant être fondu (ou ramolli) à faible température. Il s'agit par exemple d'un alliage SnPb 60/40.
La mise en place du matériau fusible sur les plots 312a, 312b peut être réalisée très simplement par "dépôt à la seringue" (dispensing) . Ce procédé est plus rapide et plus économique que les procédés de formation du matériau par voie chimique ou électrolyte.
De plus, dès lors que les cavités 120 sont prévues pour absorber l'excès de matériau, la quantité de matériau appliquée n'est pas très critique.
Les substrats sont assemblés de façon à mettre les billes de matériau fusible en contact avec les zones d'accrochage du premier substrat.
Les billes de matériau fusible, et éventuellement l'ensemble de la structure, est (sont) portée (s) ensuite à une température suffisante pour faire ramollir, ou pour faire fondre le matériau fusible, de sorte qu'un soudage du matériau sur les zones d'accrochage correspondantes puisse avoir lieu. Après refroidissement, on obtient l'assemblage illustré par la figure 9. On observe qu'un excès de matériau fusible s'est écoulé dans les cavités 120 du premier substrat 100 et que seule une faible quantité de matériau demeure entre les zones d'accrochage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif comprenant un premier substrat (100) avec au moins une zone d'accrochage (110a, 110b), susceptible d'être assemblé avec un deuxième substrat (200, 300), la zone d'accrochage (110a, 110b) présentant une plage en un matériau mouillable par un matériau fusible, caractérisé en ce que la zone d'accrochage (110a, 110b) est munie d'au moins une cavité (120) de réception de matériau fusible pour ajuster une hauteur de matériau fusible entre les substrats .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cavité (120) présente des parois en un matériau mouillable par le matériau fusible.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cavité (120) présente des parois en un matériau non mouillable par le matériau fusible.
4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la ou les cavités (120) entourent la plage de matériau mouillable de la zone d'accrochage de façon à la délimiter.
5. Système d'assemblage comprenant un premier (100) substrat et au moins un deuxième substrat (200, 300) , les premier et deuxième substrats présentant des zones d'accrochage (110a, 110b, 210a, 210b, 310a, 310b) et les zones d'accrochage des premier et deuxième substrats étant respectivement conjuguées par paires, de telle sorte qu'une première zone d'accrochage (110a, 110b) d'une paire vienne en regard d'une deuxième zone d'accrochage (210a, 310a, 210b, 310b) conjuguée de la paire, lorsque les premier et deuxième substrats sont assemblés, dans lequel les zones d'accrochage comportent respectivement une plage de matériau mouillable par un matériau fusible et dans lequel au moins l'une des zones d'accrochage d'une paire comporte un bossage (214, 314) de matériau fusible en contact avec la plage de matériau mouillable, caractérisé en ce qu'au moins l'une des zones d'accrochage de chaque paire est munie d'au moins une cavité (120) de réception de matériau fusible pour ajuster une hauteur de matériau fusible entre les substrats .
6. Système selon la revendication 5, dans lequel l'une des zones d'accrochage, comportant le bossage de matériau fusible, est dépourvue de cavité et une seconde zone d'accrochage, dépourvue de matériau fusible, comporte au moins une cavité (120) .
7. Système selon la revendication 5, dans lequel au moins une zone d'accrochage (110a, 110b) est munie d'une pluralité de cavités (120) , ménagées à sa périphérie de façon à l'entourer et la délimiter.
8. Système selon la revendication 5, dans lequel au moins une cavité (120) présente des parois en un matériau mouillable.
9. Système selon la revendication 5, dans lequel au moins l'un des premier et deuxième substrats présente en outre une dépression (106) de logement de composant .
10. Dispositif comprenant au moins un premier et un deuxième substrats d'un système d'assemblage selon la revendication 5, dans lequel les zones d'accrochage (110a, 110b, 310a, 310b) d'au moins une paire de zones d'accrochage sont reliées par un bossage (314) de matériau fusible, le bossage s 'étendant, au moins en partie dans une cavité de réception (120) de l'une des zones d'accrochage.
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le bossage (314) présente une hauteur de l'ordre de lμm.
12. Procédé de réalisation d'un dispositif selon la revendication 10, dans lequel :
- on assemble les premier et deuxième substrats (100, 300) de façon que les zones d'accrochage (110a, 110b,
310a, 310b) d'une paire soient en regard et séparées respectivement par au moins un bossage (314) de matériau fusible,
- on effectue un chauffage du matériau fusible à une température suffisante pour provoquer le soudage du matériau fusible respectivement sur les zones d'accrochage en regard et pour provoquer l'écoulement d'un excès de matériau fusible dans au moins une cavité (120) des zones d'accrochage, et - on laisse refroidir ce matériau fusible pour le durcir .
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