EP2464596A1 - Assemblage hermetique de deux composants et procede de realisation d'un tel assemblage - Google Patents

Assemblage hermetique de deux composants et procede de realisation d'un tel assemblage

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EP2464596A1
EP2464596A1 EP10752087A EP10752087A EP2464596A1 EP 2464596 A1 EP2464596 A1 EP 2464596A1 EP 10752087 A EP10752087 A EP 10752087A EP 10752087 A EP10752087 A EP 10752087A EP 2464596 A1 EP2464596 A1 EP 2464596A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cord
insert
component
components
shim
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10752087A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François Marion
Agnès ARNAUD
Geoffroy Dumont
Pierre Imperinetti
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2464596A1 publication Critical patent/EP2464596A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
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    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00269—Bonding of solid lids or wafers to the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0172—Seals
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    • B81C2203/038—Bonding techniques not provided for in B81C2203/031 - B81C2203/037
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/071—Connecting or disconnecting
    • H10W72/072—Connecting or disconnecting of bump connectors
    • H—ELECTRICITY
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining

Definitions

  • the technical field to which the invention relates is that of microelectronics.
  • the present invention is of particular interest for devices that do not support high packaging temperatures, operating in a particular atmosphere or requiring extensive protection against external aggression, such as bolometric imagers collectively covered under vacuum on a CMOS wafer (acronym for the English expression "Complementary Metal Oxide Semiconductor”).
  • the C2W chip on wafer of electronic components is for example described in the paper IMAPS 2008 (Lecarpentier et al., Proceeding 4th conference on device packaging, Scottsdale AZ, market 2008, DP 08-T Al-P 06). This document describes the combination of the "chip to wafer” technique with the "flux less soldering” technique, under a controlled atmosphere, to ensure a hermetic assembly.
  • This publication thus demonstrates the implementation of a method also described in document FR 2 780 200.
  • it proposes to encapsulate a component disposed on a support using a hood, thanks to a sealing means surrounding the component and at least one shim fuse material of initial height greater than that of the sealing means, so as to correctly position the cover before melting.
  • a heat-up step is generally necessary during assembly: it makes it possible to assemble the protective cover on the components. to be protected by means of a sealing bead made in the form of, for example, a metal weld, a laser weld or a glass weld.
  • some components can not tolerate such thermal stresses.
  • the proposed techniques require the application of a force during hermetic sealing.
  • some components can not tolerate such mechanical stresses.
  • the Applicant has designed components allowing a hermetic vertical assembly.
  • the invention thus relates to such a hermetic assembly, illustrated in FIG.
  • This assembly is characterized by the presence of at least two vertically connected components, chip / wafer (C2W) or wafer to wafer (W2W).
  • C2W chip / wafer
  • W2W wafer to wafer
  • the invention makes the alignment of the cover and the detection matrix to better than +/- l ⁇ m, it is possible to make layers on the upper or lower face of the cover.
  • it may therefore be an assembly between a cover, advantageously having filters at the central cavity, and a bolometer, advantageously having nails at the central cavity.
  • the first component of the assembly comprises a support comprising on its surface:
  • At least one shim made of a ductile material disposed peripherally; and at least one cord made of a ductile material, defining a cavity or a space.
  • the second component comprises a support comprising on its surface:
  • At least one cord insert inserted over all or part of its surface in the bead, thereby defining a hermetic central cavity.
  • the wedge (s), advantageously in the form of balls, is (are) therefore advantageously made of a ductile or soft material, advantageously a metal (for example copper, aluminum, indium, solder and / or compounds based on tin), into which can be inserted an insert made of a material having a higher hardness.
  • a metal for example copper, aluminum, indium, solder and / or compounds based on tin
  • wedges are advantageously arranged at the periphery of the support, preferably symmetrically. This provision has the advantage of giving greater stability to the assembly, in particular, as will be detailed below, during the pre-insertion stage.
  • these shims are 4 in number, arranged at the four corners of the support.
  • the bead constituting a second welding element, characteristic of the first component, is a means of sealing or sealing the cavity. More particularly, it is a cord or ring element, hereinafter referred to as a cord. Since it is also intended to receive an insert, it is advantageously made in one ductile or soft material, preferably a metal (eg copper, aluminum, indium, solder and / or tin compounds), having a hardness less than that of the insert. This material is possibly of the same nature as that constituting wedges. Advantageously, the wedges are located outside the bead.
  • the cord defines a central zone which, in the assembly, constitutes a hermetic central cavity, isolated from the outside and able to host a component to be protected.
  • Several concentric cords, in particular two, may be envisaged on the surface of this first component.
  • the initial height of the wedges is greater than that of the cord.
  • these elements really play their role of wedge in particular during the pre-insertion stage: Before insertion, the wedge prevents the sealing means (cord) from connecting the two supports while after insertion, it allows a sealing contact of the sealing means (cord) with the two supports.
  • these wedges undergo a mechanical deformation in the assembly and are thus crushed or compressed.
  • the height of the insert of the second component is less than the height of the shim of the first component.
  • the force exerted on the second component and / or the surface of the second component in the vicinity of the insert will deform or compress the shim until said insert abuts on the first component.
  • these ductile material elements are arranged on the surface of the component and are therefore raised and not buried or recessed. This gives them an ability to sag or crash and undergo plastic deformation in a direction parallel to the surface of the component, during the insertion which can be done at low force (almost zero).
  • the two sets of inserts are made of the same material, having a hardness greater than those of the wedge and the cord. These are preferably made using W, WN, WSi, Pt, Ti, TiW or may be bilayers, consisting of a layer of metal covered with a layer of gold. According to another preferred embodiment of the invention, the two sets of inserts have a similar or identical height.
  • At least one or all of these inserts are hollow.
  • Hollow inserts have already been described, for example in ECTC 2008 (Saint-Patrice et al. Proceedings Electronic and Components Technology Conference, Orlando, 2008, pp 46-53). They may have an annular section, in particular round or oval, or parallelepipedal, advantageously square or rectangle. Typically, these inserts are in the form of tubes of height and diameter of a few microns (for example from 3 to 10 microns) and thickness of a few hundred nanometers (for example 150 nm).
  • the insert is inserted over its entire surface.
  • a compatible diameter or inferior insert width
  • the dimensions of the shims and cords Privately, in the case of hollow inserts, they have a free beveled end, so that at the time of insertion, no gas is trapped.
  • the height of the bevel is greater than the height of what is pre-inserted.
  • the insertion can be done only on a part of the surface of the insert. That is therefore in a position offset from the wedge or cord and thus overlapping in the assembly.
  • Figure 6 even in the case hollow inserts, there is no imprisonment of the atmosphere in the pre-insertion stage and / or insertion, and therefore no trapping bubbles. It is therefore to design and position the inserts offset from the wedges and / or the cord. To ensure a better seal, it is possible to provide several inserts cord to insert either in the same cord or in several cords.
  • Figures 4 and 5 illustrate several components (B) with inserts assembled to a component (A) having a succession of solder elements.
  • the invention relates to a method of manufacturing an assembly or a stack as just described.
  • Such a method comprises the following steps:
  • the pre-insertion step can lead to two different situations, with implications in the next step of insertion.
  • the elevation insert is already fully inserted and thus abutting in the hold, before the bead insert contacts the weld seam.
  • the force exerted by the wedge it is necessary to mechanically deform this element. This allows :
  • the shims it is necessary to size the shims so that their deformation does not require forces greater than the forces required by the insertion of the cord.
  • the pre-insertion step therefore results only in inserting the insert into the shim and the insertion step results in the deformation of the shim.
  • the elevation insert is not fully inserted into the shim, before the bead insert contacts the weld seam.
  • the pre-insertion step results in the insertion of the two sets of inserts into the shim and the bead, respectively, and the insertion step does not deform the shim.
  • the height of the wedges may be greater than or equal to that of the cord, advantageously greater in the second case.
  • the final insertion is carried out under a controlled atmosphere, advantageously under a pressure of less than 10 -3 mbar It can be collective, that is to say concern several components arranged on the same component or several stacked assemblies. a layer made of a flexible material is advantageously placed between the assemblies, before the insertion step.
  • the forces to be exerted in the pre-insertion and insertion stages are relatively low, or almost zero. Value ranges are difficult to define as they depend on different parameters such as: cross-section and number of inserts (especially for the pre-insertion force); section and number of cords, nature of the ductile material, number and shape of the balls (especially for the insertion force), ...
  • the device and the method according to the invention allow the collective insertion of pre-inserted wafers.
  • the cost of the final insertion operation can be high because it involves performing a vacuum operation or under specific conditions of controlled atmosphere.
  • the final insertion step is carried out as follows:
  • C2W or W2W stacking of several wafers having undergone the pre-insertion stage and placing in a process chamber under a press
  • a layer of a flexible material is advantageously introduced between each pre-inserted and stacked wafer.
  • This layer advantageously made of a flexible material such as Teflon R (polytetrafluoroethylene), an elastomeric film, or any material adapted to withstand a strain under stress, makes it possible to absorb the height differences related to the pre-insertion process or the variability height of the chips reported.
  • hermeticity can be achieved by almost no force
  • the hermeticity can be carried out at ambient temperature
  • a standard "pick and place” positioning machine pre-inserts M covers before welding (the assemblies made can then be moved without risk of misalignment "before final insertion") .
  • a stack of N wafers comprising M pre-inserted components can be completely inserted under a chosen atmosphere. Then we proceed to the actual welding step, and this, in two possible ways, either at room temperature, or by raising the temperature:
  • the metallurgical bond is carried out by interdiffusion (indium insert for example, gold wedge).
  • the contact area between the inserts is maximized with respect to the solder volume involved. It is therefore possible to recover the solder in a "welding reservoir" located at the bottom of the female tube, namely the hollow inserts.
  • FIG. 1 represents a schematic view from above (A) or in section (B) of an assembly according to the invention.
  • FIG. 2 describes the different steps (A, B and C) of a method of manufacturing an assembly according to the invention.
  • FIG. 3 schematizes two cases of figures (A and B) relating to the assembly at the end of the pre-insertion stage.
  • FIG. 4 schematizes a stack of assemblies at the end of the pre-insertion stage.
  • FIG. 5 illustrates the arrangement of a layer of flexible material to compensate for the height variability of the assemblies, in particular components B, at the end of the pre-insertion step.
  • Figure 6 illustrates the pre-insertion (A) and insertion (B) steps in the case of offset hollow inserts.
  • Figure 7 illustrates schematic top views of a hood (A) and a bolometer (B) before assembly.
  • FIG. 8 represents a diagrammatic sectional view of a bolometer slice having on its surface a pre-insertion insert and "bolometer" nails.
  • FIG. 9 represents a diagrammatic sectional view of a bolometer slice having on its surface a double ring insert and "bolometer" nails.
  • Figure 10 shows a schematic sectional view of the assembly of the two components A and B at the end of the pre-insertion step (A) and at the end of the insertion step (B).
  • the invention will be further illustrated with the aid of a particular application relating to the bolt-type chip cover using a functionalized cover.
  • a double insert cord is implemented.
  • the example relates to matrices of bolometric detection with transparent cover or provided with close optics (networks, filters, etc).
  • the aim is to align the cover and the detection matrix better than +/- 1 ⁇ m and to make filter layers on the upper or lower face of the cover, so as to obtain an infrared space spectrometer.
  • Figure 7A shows the cap corresponding to the component (A); it is provided with four support balls (1) serving as wedge, and a weld bead (3) delimiting a central zone (5) in which filters (7) are arranged.
  • FIG. 7B represents the bolometer corresponding to component (B); it has four "preinsertion” inserts (2), and two "cord” inserts (4). In the central zone (5) are bolometer nails (8).
  • the covers (A) are made using an infrared-transparent material of the silicon, germanium or ZnSe type. They are then provided with solder elements of the ball (1) and cord (3) type, the balls being located outside the bead. These elements are made for example by electrolysis and recasting.
  • the balls (1) have a diameter of 45 ⁇ m and a height of 35 ⁇ m, while the beads (3) have a width of 100 ⁇ m and a height of 20 ⁇ m.
  • the balls (1) are advantageously four in number, located at the four corners of the hood. On the hood and on the same face, inside the central zone (5) defined by the cord, infrared filters pass band of different wavelength (7) are arranged.
  • bolometers are made in the traditional way, using bolometric plate support nails, hereinafter referred to as "bolometer” nails (8), with a height of 3 ⁇ m (FIG. 8).
  • the pre-insertion inserts (2) are made using the same materials and using the same process steps as those used for the manufacture of nails "bolometers". These inserts (2) are treated so as to retain only the vertical portion of the nail material, as described in the ECTC 2008 publication (Saint-Patrice et al., Proceedings Electronic and Components Technology Conference, Orlando, 2008, pp. 46- 53), so that it is hollow cylindrical inserts.
  • They advantageously have a height of 3 .mu.m and a diameter of 10 .mu.m, allowing their insertion over their entire surface in the balls (1). They are advantageously four in number arranged at the four corners of the surface of the wafer and facing the four balls (1) of the cover.
  • the double insertion ring (4) consists of two hollow inserts in the form of concentric cords. It is made using the same materials and using the same process steps as those used for the manufacture of bolometer nails. This double ring (4) is also treated in the same way as the preinsertion inserts (2).
  • Such a ring (4) has for example two double inserts of width lO ⁇ m, spaced at 10 ⁇ m, or 30 ⁇ m in total, compatible with their insertion over their entire surface in the cord (3). It advantageously has a height equivalent to that of preinsertion inserts (2) and nails "bolometers” (8), or 3 microns. It is positioned on the edge of the bolometer so as to face the bead cord (3).
  • FIG. 10 schematizes the respective positions of the components (A) and (B) at the end of the pre-insertion step (FIG. Fig. 10A) and then after the insertion (Fig. 10B).
  • the following steps are distinguished: facing the surfaces of the components (A) and (B) to be assembled; alignment, including preinsertion inserts (2) with the balls (1) and the double insertion ring (4) with the weld seam (3); pre-insertion step, advantageously carried out at room temperature and with almost no force. Since the beads are higher than the bead (35 ⁇ m versus 20 ⁇ m), only the preinsertion inserts (2) are engaged in the beads (1) ( Figure 10A). Inserting step properly so as to engage the double insertion ring (4) in the weld seam (3) ( Figure 10B). In this case, it is necessary to crush the balls (1) until they have a height of the order of that of the cord (3). In practice, it is therefore necessary to crush them by 15 .mu.m to fully insert the bead insert (4) into the weld bead (3). The insertion is done preferably at a pressure below 10 "mbar.
  • pre-insertion If it is desired to have a better holding hoods during transport (after preinsertion) to an insertion machine, it advantageously puts 160 raising balls (pre-insertion). This makes it possible to go from holding after pre-insertion of 56g (0.56N) to holding 2.24 Kg (22.4N).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Cet assemblage hermétique de deux composants comprend : un premier composant (A) comportant un support comprenant à sa surface : au moins une cale (1) constituée d'un matériau ductile, disposée en périphérie dudit composant; au moins un cordon (3) constitué d'un matériau ductile; un second composant (B) comportant un support comprenant à sa surface : au moins un insert (2), inséré sur toute ou partie de sa surface dans la cale (1) dudit premier composant; au moins un insert en cordon (4), inséré sur toute ou partie de sa surface dans le cordon (3) dudit premier composant, définissant une cavité centrale hermétique (5).

Description

ASSEMBLAGE HERMETIQUE DE DEUX COMPOSANTS ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL ASSEMBLAGE
DOMAINE DE L'INVENTION
Le domaine technique auquel se rapporte l'invention est celui de la microélectronique.
Elle concerne plus particulièrement les dispositifs requérant simultanément la connexion verticale (mieux connue sous l'expression anglo-saxonne «flip-chip ») de deux composants et une protection hermétique des composants de type SOC (acronyme de l'expression anglo-saxonne « System on Chip »).
La présente invention présente un intérêt tout particulier pour les dispositifs ne supportant pas des températures élevées de packaging, fonctionnant dans une atmosphère particulière ou nécessitant une protection poussée contre les agressions extérieures, tels que des imageurs bolométriques capotes collectivement sous vide sur tranche CMOS (acronyme de l'expression anglo-saxonne « Complementary Métal Oxide Semiconductor »).
ETAT ANTÉRIEUR DE LA TECHNIQUE
Le capotage C2W (« chip to wafer ») sur tranche de composants électroniques est par exemple décrit dans le papier IMAPS 2008 (Lecarpentier et al., Proceeding 4th conférence on device packaging , Scottsdale AZ, march 2008, DP 08 -T Al -P 06). Ce document décrit la combinaison de la technique « chip to wafer » avec la technique de refusion {«flux less soldering »), sous atmosphère contrôlée, pour assurer un assemblage hermétique.
Cette publication démontre ainsi la mise en œuvre d'un procédé par ailleurs décrit dans le document FR 2 780 200. De manière générale, celui-ci propose d'encapsuler un composant disposé sur un support à l'aide d'un capot, grâce à un moyen de scellement entourant le composant et au moins une cale en matériau fusible de hauteur initiale supérieure à celle des moyens de scellement, de sorte à positionner correctement le capot avant la fusion. II s'avère que dans toutes les techniques de capotage sur tranche proposées dans l'art antérieur, une étape de mise en température est en général nécessaire pendant l'assemblage : elle permet d'assurer l'assemblage du capot de protection sur les composants à protéger, grâce à un cordon de scellement réalisé sous la forme par exemple d'une soudure métal, d'une soudure laser ou d'une soudure verre. Or, certains composants ne peuvent tolérer de tels stress thermiques.
Par ailleurs, les techniques proposées exigent l'application d'une force lors du scellement hermétique. Or, certains composants ne peuvent tolérer de telles contraintes mécaniques.
Dans le domaine des connexions verticales à proprement parler, il a été proposé, notamment dans le document WO 2006/054005, de réaliser un lien simultanément électrique et mécanique entre deux composants, en utilisant des techniques d'insertion à basse température et à faible force d'un matériau dur dans un matériau mou.
II existe un besoin évident de développer de nouvelles solutions techniques permettant d'assembler deux composants et d'assurer simultanément les fonctions de connexion verticale et d'herméticité, sans les inconvénients sus-mentionnés de l'art antérieur. EXPOSE DE L 'INVENTION
Ainsi, le Demandeur a conçu des composants autorisant un assemblage vertical hermétique. Selon un premier aspect, l'invention concerne donc un tel assemblage hermétique, illustré à la figure 1.
Cet assemblage se caractérise par la présence d'au moins deux composants à connecter verticalement, de type puce/tranche (« chip to wafer » - C2W) ou tranche/tranche (« wafer to wafer » - W2W). La présente application trouve donc de nombreuses applications, notamment concernant : le capotage C2W ou W2W pour tous types d'applications : bolomètres, mems, détecteurs de gaz, optique hermétique, biochips, infrarouge refroidi, ...
les matrices de détection bolométriques avec un capot transparent ou munies d'optiques proches (réseaux, filtres, ...) ; l'invention rendant l'alignement du capot et de la matrice de détection à mieux que +/-lμm, il est possible de réaliser des couches sur la face supérieure ou inférieure du capot. A titre d'exemple privilégié, il peut donc s'agir d'un assemblage entre un capot, présentant avantageusement des filtres au niveau de la cavité centrale, et un bolomètre, présentant avantageusement des clous au niveau de la cavité centrale. Plus précisément, le premier composant de l'assemblage comporte un support comprenant à sa surface :
au moins une cale constituée d'un matériau ductile, disposée en périphérie ; et au moins un cordon constitué d'un matériau ductile, définissant une cavité ou un espace.
De manière complémentaire, le second composant comporte un support comprenant à sa surface :
au moins un insert, inséré sur toute ou partie de sa surface dans la cale ;
au moins un insert en cordon, inséré sur toute ou partie de sa surface dans le cordon, définissant ainsi une cavité centrale hermétique.
La ou les cales, se présentant avantageusement sous forme de billes, est (sont) donc avantageusement réalisée(s) en un matériau ductile ou mou, avantageusement un métal (par exemple cuivre, aluminium, indium, soudure et/ou composés à base d'étain), dans lequel peut être inséré un insert réalisé dans un matériau présentant une dureté supérieure.
Ces cales sont avantageusement disposées en périphérie du support, de manière préférentiellement symétrique. Cette disposition a pour intérêt de conférer une plus grande stabilité à l'assemblage, notamment, comme il sera détaillé ci-dessous, lors de l'étape de préinsertion.
La présence de ces cales permet en outre de libérer un espace entre les moyens de scellement, en l'espèce le cordon et l'insert en cordon pour assurer le pompage, notamment de gaz, dans la cavité qu'ils sont appelés à définir.
Typiquement, ces cales sont au nombre de 4, disposés aux quatre coins du support.
Le cordon constituant un deuxième élément de soudure, caractéristique du premier composant, est un moyen de scellement ou d'étanchéité de la cavité. Plus particulièrement, il s'agit d'un élément en cordon ou en anneau, ci-après dénommé cordon. Dans la mesure où il est également destiné à recevoir un insert, il est avantageusement réalisé en un matériau ductile ou mou, avantageusement un métal (par exemple cuivre, aluminium, indium, soudure et/ou composés à base d'étain), présentant une dureté inférieure à celle de l'insert. Ce matériau est éventuellement de même nature que celui constitutif des cales. Avantageusement, les cales sont situées à l'extérieur du cordon. Ainsi, le cordon définit une zone centrale qui, dans l'assemblage, constitue une cavité centrale hermétique, isolée de l'extérieur et pouvant acceuillir un composant à protéger. Plusieurs cordons concentriques, notamment deux, peuvent être envisagés à la surface de ce premier composant.
Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, la hauteur initiale des cales est supérieure à celle du cordon. Ainsi et comme il sera détaillé ci-dessous, ces éléments jouent réellement leur rôle de cale en particulier lors de l'étape de préinsertion : Avant insertion, la cale empêche les moyens de scellement (cordon) de relier les deux supports alors qu'après insertion, elle permet un contact étanche des moyens de scellement (cordon) avec les deux supports.
Dans certaines conditions, ces cales subissent une déformation mécanique dans l'assemblage et se trouvent donc écrasées ou comprimées. Selon cette configuration, la hauteur de l'insert du second composant est inférieure à la hauteur de la cale du premier composant. Ainsi, lors de l'étape de préinsertion, la force exercée sur le second composant et/ou la surface du second composant au voisinage de l'insert va déformer ou comprimer la cale jusqu'à ce que ledit insert vienne en butée sur le premier composant. De manière importante et comme déjà dit, ces éléments en matériau ductile (cales et cordons) sont disposés à la surface du composant et sont donc surélevés et non pas enterrés ou encastrés. Ceci leur confère une capacité à s'affaisser ou à s'écraser et à subir une déformation plastique suivant une direction parallèle à la surface du composant, lors de l'insertion qui peut se faire à faible force (quasi-nulle).
Le second composant se caractérise, quant à lui, par la présence de deux jeux d'inserts situés à la surface du support :
un premier jeu d'inserts, appelés inserts de préinsertion ou de surélévation, destinés à être insérés dans les cales telles que définies ci-dessus. Leur nombre, leur positionnement et leur dimension dépendent donc de ceux des cales ; un second jeu d'inserts, appelés inserts en cordon ou en anneau, destinés à être insérés dans le cordon tel que défini ci-dessus. Leur nombre, leur positionnement et leur dimension dépendent donc de ceux du cordon. Avantageusement, les deux jeux d'inserts sont réalisés dans le même matériau, présentant une dureté supérieure à celles de la cale et du cordon. Ceux-ci sont de préférence réalisés à l'aide de W, WN, WSi, Pt, Ti, TiW ou peuvent être bicouches, constitués d'une couche de métal recouverte d'une couche d'or. Selon un autre mode de réalisation privilégié de l'invention, les deux jeux d'inserts présentent une hauteur similaire voire identique.
Par ailleurs et de manière privilégiée, au moins un de ces inserts voire la totalité sont creux.
Des inserts creux ont déjà été décrits, par exemple dans la publication ECTC 2008 (Saint- Patrice et al., Proceedings Electronic and Components Technology Conférence, Orlando, 2008, pp 46-53). Ils peuvent présenter une section annulaire, notamment ronde ou ovale, ou parallélépipédique, avantageusement carré ou rectangle. Typiquement, ces inserts se présentent sous la forme de tubes de hauteur et de diamètre de quelques micromètres (par exemple de 3 à 10 μm) et d'épaisseur de quelques centaines de nanomètres (par exemple 150 nm).
Leur insertion dans la cale et/ou le cordon, respectivement, peut se faire selon deux modes de réalisation.
Selon un premier mode de réalisation, l'insert est inséré sur toute sa surface. Dans ce cas de figure, il est nécessaire de prévoir un diamètre ou une largeur d' insert compatibles (à savoir inférieurs) avec les dimensions des cales et cordons. De manière privilégiée, dans le cas d'inserts creux, ceux-ci présentent une extrémité libre biseautée, de sorte qu'au moment de l'insertion, aucun gaz n'est emprisonné. Lors de la préinsertion, la hauteur du biseau est supérieure à la hauteur de ce qui est préinséré.
Alternativement, l'insertion peut se faire uniquement sur une partie de la surface de l'insert. Celui se trouve donc dans une position décalée par rapport à la cale ou au cordon et donc chevauchant dans l'assemblage. Comme illustré à la figure 6, même dans le cas d'inserts creux, il n'y pas d'emprisonnement de l'atmosphère dans l'étape de préinsertion et/ou d'insertion, et donc pas de piégeage de bulles. Il s'agit donc de concevoir et de positionner les inserts de manière décalée par rapport aux cales et/ou au cordon. Pour garantir une meilleure étanchéité, il est possible de prévoir plusieurs inserts en cordon, à insérer soit dans un même cordon soit dans plusieurs cordons.
Il est possible d'envisager de disposer plusieurs composants d'un type sur un même composant de l'autre type, présentant le nombre de fois nécessaires les éléments d'insertion ou de soudure. A ce titre, les figures 4 et 5 illustrent plusieurs composants (B) dotés d'inserts assemblés à un composant (A) présentant une succession d'éléments de soudure.
Selon un mode de réalisation particulier, il est en outre possible de réaliser un empilement vertical de ces assemblages. Ce mode de réalisation particulier, appelé « batch », permet d'empiler plusieurs wafers sous vide. Il peut être avantageux de prévoir d'interposer entre chaque assemblage une couche d'un matériau souple de manière à compenser la variabilité de hauteur des assemblages. Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un assemblage ou d'un empilement tels qu'ils viennent d'être décrits.
Un tel procédé, illustré aux figures 2 et 3, comprend les étapes suivantes :
mise en regard des surfaces des composants comportant la cale et le cordon d'une part et les inserts d'autre part ;
alignement partiel ou total entre la cale et l'insert, ainsi qu'entre le cordon et l'insert en cordon ;
préinsertion d'au moins l'insert de préinsertion dans la cale ;
insertion des inserts dans la cale et le cordon.
De manière notable, toutes les étapes de ce procédé peuvent être réalisées à température ambiante, avantageusement inférieure ou égale à 300C. Ainsi, une montée en température n'est pas nécessaire. A noter que, comme illustré à la figure 3, l'étape de préinsertion peut aboutir à deux situations distinctes, ayant des implications dans l'étape suivante d'insertion. Dans un premier cas, l'insert de surélévation est déjà totalement inséré et donc en butée dans la cale, avant que l'insert en cordon ne contacte le cordon de soudure. Pour compenser la force exercée par la cale, il est nécessaire de déformer mécaniquement cet élément. Ceci permet :
- d'insérer l'insert en cordon dans le cordon, malgré la force exercée par l'élément de surélévation sur la partie plane du composant B ;
puis d'insérer complètement le cordon.
Dans ce cas de figure, il est nécessaire de dimensionner les cales de manière à ce que leur déformation n'exige pas des forces supérieures aux forces requises par l'insertion du cordon. L'étape de préinsertion ne résulte donc qu'en l'insertion de l'insert dans la cale et l'étape d'insertion aboutit à la déformation de la cale.
Dans le second cas, l'insert de surélévation n'est pas totalement inséré dans la cale, avant que l'insert en cordon ne contacte le cordon de soudure. Dans ce cas, l'étape de préinsertion résulte en l'insertion des deux jeux d'inserts dans la cale et dans le cordon, respectivement, et l'étape d'insertion ne déforme pas la cale.
Dans le dispositif final, il apparaît donc que la hauteur des cales peut être supérieure ou égale à celle du cordon, avantageusement supérieure dans le second cas de figure.
L'insertion finale est réalisée sous atmosphère contrôlée, avantageusement sous une pression inférieure à 10"3 mbar. Elle peut être collective, c'est-à-dire concerner plusieurs composants disposés sur un même composant ou plusieurs assemblages empilés. Dans ce dernier cas, une couche réalisée en un matériau souple est avantageusement mise en place entre les assemblages, avant l'étape d'insertion.
De manière générale, les forces à exercer dans les étapes de pré-insertion et d'insertion sont relativement faibles, voire quasi-nulles. Des gammes de valeur sont difficiles à définir dans la mesure où elles dépendent de différents paramètres tels que : section efficace et nombre des inserts (notamment pour la force de pré-insertion) ; section et nombre des cordons, nature du matériau ductile, nombre et la forme des billes (notamment pour la force d'insertion), ... Comme déjà dit, le dispositif et le procédé selon l'invention autorisent l'insertion collective de wafers préinsérés. Le coût de l'opération d'insertion finale peut se révéler élevé car il s'agit de réaliser une opération sous vide ou dans des conditions particulières d'atmosphère contrôlée.
Ainsi, selon un schéma préféré de mise en œuvre illutré à la figure 4, l'étape d'insertion finale est réalisée comme suit :
empilement de plusieurs wafers (C2W ou W2W) ayant subi l'étape de préinsertion et placement dans une chambre à procédé sous une presse ;
- mise sous atmosphère contrôlée choisie de la chambre (l'intérieur de la cavité est accessible grâce aux cales de hauteur contrôlée) ;
pressage de la pile constituée avec établissement global de l'herméticité sous toutes les cavités. Comme illustré à la figure 5, afin de compenser les différences de hauteur des puces préinsérées, une couche d'un matériau souple est avantageusement introduite entre chaque wafer préinséré et empilé. Cette couche, avantageusement réalisée dans un matériau souple tel que du teflonR (polytétrafluoroethylène), un film élastomère, ou tout matériau propre à encaisser une déformation sous contrainte, permet d'absorber les différences de hauteur liées au procédé de préinsertion ou à la variabilité de hauteur des puces reportées.
Les avantages d'un assemblage selon l'invention et du procédé permettant sa fabrication sont nombreux :
l'herméticité peut être réalisée à force quasi nulle ;
- l'herméticité peut être réalisée à température ambiante ;
le procédé mis en oeuvre permet une mise en herméticité collective très simple : en pratique, une machine de positionnement «pick and place » standard préinsère M capots avant soudure (les assemblages réalisés peuvent alors être déplacés sans risque de désalignement « avant insertion finale »). Un empilement de N wafers comprenant M composants préinsérés peut être complètement inséré sous atmosphère choisie. Puis on procède à l'étape de soudure proprement dite, et ce, selon deux manières possibles, soit à température ambiante, soit en élevant la température :
o si on chauffe à une température supérieure à la température de fusion de la cale : il y a soudure avec formation d'une liaison métallurgique ; o si on reste à teméprature ambiante, la liaison métallurgique s'effectue par interdiffusion (insert en indium par exemple, cale en or).
la surface de contact entre les inserts est maximisée par rapport au volume de soudure mis en jeu. Il est donc possible de récupérer la soudure dans un « réservoir de soudure » situé au fond du tube femelle, à savoir les inserts creux.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées parmi lesquelles :
La figure 1 représente une vue schématique de dessus (A) ou en section (B) d'un assemblage selon l'invention.
La figure 2 décrit les différentes étapes (A, B et C) d'un procédé de fabrication d'un assemblage selon l'invention.
La figure 3 schématise deux cas de figures (A et B) concernant l'assemblage à l'issue de l'étape de préinsertion.
La figure 4 schématise un empilement d'assemblages à l'issue de l'étape de préinsertion. La figure 5 illustre la disposition d'une couche en matériau souple pour compenser la variabilité de hauteur des assemblages, notamment des composants B, à l'issue de l'étape de pré-insertion.
La figure 6 illustre les étapes de préinsertion (A) et d'insertion (B) dans le cas d'inserts creux décalés.
La figure 7 illustre des vues schématiques de dessus d'un capot (A) et d'un bolomètre (B) avant assemblage.
La figure 8 représente une vue schématique en section d'une tranche de bolomètre présentant à sa surface un insert de préinsertion et des clous « bolomètres ».
La figure 9 représente une vue schématique en section d'une tranche de bolomètre présentant à sa surface un double insert en anneau et des clous « bolomètres ».
La figure 10 présente une vue schématique en section de l'assemblage des deux composants A et B à l'issue de l'étape de préinsertion (A) et à l'issue de l'étape d'insertion (B). MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION
L'invention va être illustrée plus avant à l'aide d'une application particulière ayant trait au capotage de puces de type bolomètre à l'aide d'un capot fonctionnalisé. Dans cette application et comme il sera détaillé ci-dessous, un cordon double insert est mis en œuvre.
A titre de dimensions des éléments caractéristiques de l'invention, on peut donner l'exemple suivant :
distance entre le cordon (3) et la cale (1) : 100 μm
largeur du cordon (3) : 100 μm
- largeur de l'insert en cordon (4) : 80 μm
décallage horizontal éventuel entre l'insert en cordon (4) et le cordon (3) : 10 μm.
1/ Composants avant assemblage : L'exemple a trait à des matrices de détection bolométrique avec capot transparent ou munies d'optiques proches (réseaux, filtres, etc .).
Le but visé est d'aligner le capot et la matrice de détection à mieux que +/-lμm et de réaliser des couches filtrantes sur la face supérieure ou inférieure du capot, de manière à obtenir un spectro mètre spatial infrarouge.
Des vues de dessus des composants avant assemblage sont représentées à la figure 7.
La figure 7A représente le capot correspondant au composant (A) ; celui-ci est doté de quatre billes support (1) servant de cale, et d'un cordon de soudure (3) délimitant une zone centrale (5) dans laquelle sont disposés des filtres (7).
La figure 7B représente le bolomètre correspondant au composant (B) ; celui-ci est doté de quatre inserts de « préinsertion » (2), et de deux inserts « cordon » (4). Dans la zone centrale (5) sont disposés des clous « bolomètre » (8).
1-1/ Fabrication des capots :
Les capots (A) sont réalisés à l'aide d'un matériau transparent à l'infrarouge, de type silicium, germanium ou ZnSe. Ils sont ensuite munis d'éléments de soudure de type billes (1) et de type cordon (3), les billes étant situées à l'extérieur du cordon. Ces éléments sont réalisés par exemple par électrolyse puis refonte. Typiquement, les billes (1) présentent un diamètre de 45 μm et une hauteur de 35 μm, alors que les cordons (3) présentant une largeur de lOOμm et une hauteur de 20μm. Les billes (1) sont avantageusement au nombre de 4, situées aux quatre coins du capot. Sur le capot et sur la même face, à l'intérieur de la zone centrale (5) définie par le cordon, des filtres infrarouges passe bande de différentes longueur d'onde (7) sont disposés.
1-2/ Fabrication des wafers de bolomètre : Les bolomètres sont réalisés de manière traditionnelle, en utilisant des clous support de planche bolométrique, appelés par la suite clous « bolomètres » (8), de hauteur de 3μm (figure 8).
Avantageusement, les inserts de pré-insertion (2) sont réalisés en utilisant les mêmes matériaux et en se servant des mêmes étapes de procédé que celles utilisées pour la fabrication des clous « bolomètres ». Ces inserts (2) sont traités de manière à ne conserver que la partie verticale du matériau du clou, comme décrit dans la publication ECTC 2008 (Saint-Patrice et al., Proceedings Electronic and Components Technology Conférence, Orlando, 2008, pp 46-53), de sorte qu'il s'agit d'inserts cylindriques creux.
Ils présentent avantageusement une hauteur de 3μm et un diamètre de lOμm, permettant leur insertion sur toute leur surface dans les billes (1). Ils sont avantageusement au nombre de 4 disposés aux quatre coins de la surface de la tranche et en regard des quatre billes (1) du capot.
Comme illustré à la figure 9, le double anneau d'insertion (4) est constitué de deux inserts creux en forme de cordons concentriques. Il est réalisé en utilisant les mêmes matériaux et en se servant des mêmes étapes de procédé que celles utilisées pour la fabrication des clous « bolomètres ». Ce double anneau (4) est également traité de la même manière que les inserts de préinsertion (2).
Un tel anneau (4) a par exemple deux double inserts de largeur lOμm, espacés de lOμm, soit 30 μm au total, compatible avec leur insertion sur toute leur surface dans le cordon (3). Il présente avantageusement une hauteur équivalente à celle des inserts de préinsertion (2) et des clous « bolomètres » (8), soit 3μm. Il est positionné sur la tranche du bolomètre de sorte à être en regard du cordon (3) du capot. 2/ Assemblage :
Les étapes d'assemblage sont comme détaillées ci-dessus et illustrées de manière générale à la figure 2. La figure 10 schématise la position respective des composants (A) et (B) à l'issue de l'étape de pré-insertion (Fig. 10A) puis à l'issue de l'insertion (Fig. 10B).
On distingue les étapes suivantes : mise en regard des surfaces des composants (A) et (B) à assembler ; alignement, notamment des inserts de préinsertion (2) avec les billes (1) et du double anneau d'insertion (4) avec le cordon de soudure (3) ; étape de préinsertion, avantageusement réalisée à température ambiante et à force quasi-nulle. Dans la mesure où les billes sont plus hautes que le cordon (35 μm contre 20 μm), seuls les inserts de préinsertion (2) sont engagés dans les billes (1) (Figure 10A). étape d'insertion à proprement parler de sorte à engager le double anneau d'insertion (4) dans le cordon de soudure (3) (Figure 10B). Dans ce cas précis, il est nécessaire d'écraser les billes (1) jusqu'à ce qu'elles présentent une hauteur de l'ordre de celle du cordon (3). En pratique, il faut donc les écraser de 15μm pour insérer entièrement l'insert cordon (4) dans le cordon de soudure (3). L'insertion se fait avantageusement sous une pression inférieure à 10" mbar.
Forces à exercer :
A titre d'illustration et dans un cas particulier, les forces à exercer pour la pré-insertion et l'insertion ont été calculées :
- billes de surélévation en AgCuSn ;
double cordon de 4 mm de côté ;
nombre de billes : 4 ou 160.
Les géométries billes cordon sont comme indiquées ci-dessus. On obtient :
Si l'on souhaite avoir une meilleure tenue des capots lors d'un transport (après préinsertion) vers une machine d'insertion, on met avantageusement 160 billes de surélévation (de pré-insertion). Ceci permet de passer d'une tenue après pré-insertion de 56g (0,56N) à une tenue de 2,24 Kg (22,4N).

Claims

REVENDICATIONS
1. Assemblage hermétique de deux composants comprenant :
- un premier composant (A) comportant un support comprenant à sa surface :
• au moins une cale (1) constituée d'un matériau ductile, disposée en périphérie dudit composant ;
• au moins un cordon (3) constitué d'un matériau ductile ;
un second composant (B) comportant un support comprenant à sa surface : • au moins un insert (2), inséré sur toute ou partie de sa surface dans la cale
(1) dudit premier composant ;
• au moins un insert en cordon (4), inséré sur toute ou partie de sa surface dans le cordon (3) dudit premier composant, définissant une cavité centrale hermétique (5),
les inserts (2, 4) dudit second composant (B) étant réalisés à l'aide d'un matériau présentant une dureté supérieure à celle des matériaux constitutifs de la cale (1 ) et du cordon (3) dudit premier composant (A), et
la cale (1), avantageusement sous la forme d'une bille, présentant une hauteur supérieure à celle du cordon (3).
2. Assemblage hermétique de deux composants selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert (2) et/ou l'insert (4) est creux.
3. Assemblage hermétique de deux composants selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'insert (2) et/ou l'insert (4) présente une extrémité libre biseautée.
4. Assemblage hermétique de deux composants selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert (2) et/ou l'insert (4) est (sont) inséré(s) de manière chevauchante dans la cale (1) et/ou le cordon (3), respectivement.
5. Assemblage hermétique de deux composants selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cale (1) présente une déformation mécanique sous la forme d'un écrasement ou d'une compression.
6. Assemblage hermétique de deux composants selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants (A) et (B) sont choisis dans le groupe des puces et des tranches, l'assemblage correspondant avantageusement à un « chip to wafer » (C2W) ou à un « wafer to wafer » (W2W).
7. Assemblage hermétique de deux composants selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant (A) est un capot, présentant avantageusement des filtres (7) au niveau de la cavité centrale (5), et le composant (B) est un bolomètre, présentant avantageusement des clous (8) au niveau de la cavité centrale (5).
8. Assemblage hermétique de deux composants selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs inserts en cordon (4) sont insérés dans un ou plusieurs cordons (3).
9. Empilement d'assemblages selon l'une des revendications 1 à 8.
10. Empilement d'assemblages selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une couche réalisée en un matériau souple (6) est disposée entre les assemblages.
11. Procédé de fabrication d'assemblages selon l'une des revendications 1 à 8 ou d'empilements selon l'une des revendications 9 à 10 comprenant les étapes suivantes réalisées à température ambiante :
mise en regard des surfaces des composants (A) et (B) comportant la cale (1) et le cordon (3) et les inserts (2, 4), respectivement ;
alignement partiel ou total entre la cale (1) et l'insert (2), ainsi qu'entre le cordon (3) et l'insert en cordon (4) ;
pré-insertion d'au moins l'insert (2) dans la cale (1) ;
insertion des inserts (2, 4) dans la cale (1) et le cordon (3), respectivement.
12. Procédé de fabrication d'assemblages selon la revendication 11 , caractérisé en ce que l'insertion est réalisée sous atmosphère contrôlée.
13. Procédé de fabrication d'assemblages selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que l'empilement des assemblages, et éventuellement la mise en place de couches réalisées en un matériau souple (6), est réalisé avant l'étape d'insertion.
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