EP4315404A1 - Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage au moyen d'un matériau de frittage - Google Patents

Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage au moyen d'un matériau de frittage

Info

Publication number
EP4315404A1
EP4315404A1 EP22717232.7A EP22717232A EP4315404A1 EP 4315404 A1 EP4315404 A1 EP 4315404A1 EP 22717232 A EP22717232 A EP 22717232A EP 4315404 A1 EP4315404 A1 EP 4315404A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
sintering
stack
temperature
peak
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22717232.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Christophe Riou
Corinne PONS
Alain JAUSSENT
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.)
Safran Electronics and Defense SAS
Original Assignee
Safran Electronics and Defense SAS
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 Safran Electronics and Defense SAS filed Critical Safran Electronics and Defense SAS
Publication of EP4315404A1 publication Critical patent/EP4315404A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • H10W90/00—Package configurations
    • 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
    • H10W70/00—Package substrates; Interposers; Redistribution layers [RDL]
    • H10W70/60—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers
    • H10W70/611—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers for connecting multiple chips together
    • 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
    • H10W90/00—Package configurations
    • H10W90/401—Package configurations characterised by multiple insulating or insulated package substrates, interposers or RDLs
    • 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
    • H10W72/01—Manufacture or treatment
    • H10W72/013—Manufacture or treatment of die-attach connectors
    • 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
    • H10W72/0711—Apparatus therefor
    • H10W72/07141—Means for applying energy, e.g. ovens or lasers
    • 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
    • H10W72/0711—Apparatus therefor
    • H10W72/07183—Means for monitoring
    • 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
    • H10W72/073—Connecting or disconnecting of die-attach connectors
    • 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
    • H10W72/073—Connecting or disconnecting of die-attach connectors
    • H10W72/07331—Connecting techniques
    • 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
    • H10W72/073—Connecting or disconnecting of die-attach connectors
    • H10W72/07331—Connecting techniques
    • H10W72/07332—Compression bonding, e.g. thermocompression bonding
    • 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
    • H10W72/073—Connecting or disconnecting of die-attach connectors
    • H10W72/07341—Controlling the bonding environment, e.g. atmosphere composition or temperature
    • 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
    • H10W72/30—Die-attach connectors
    • H10W72/321—Structures or relative sizes of die-attach connectors
    • H10W72/325—Die-attach connectors having a filler embedded in a matrix
    • 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
    • H10W72/30—Die-attach connectors
    • H10W72/351—Materials of die-attach connectors
    • H10W72/352—Materials of die-attach connectors comprising metals or metalloids, e.g. solders
    • 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
    • H10W72/30—Die-attach connectors
    • H10W72/351—Materials of die-attach connectors
    • H10W72/353—Materials of die-attach connectors not comprising solid metals or solid metalloids, e.g. ceramics
    • 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
    • H10W90/00—Package configurations
    • H10W90/701—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts
    • H10W90/731—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of die-attach connectors
    • H10W90/734—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of die-attach connectors between a chip and a stacked insulating package substrate, interposer or RDL

Definitions

  • TITLE METHOD FOR ASSEMBLING AN ELECTRONIC COMPONENT TO A SUBSTRATE BY PRESSING
  • the invention relates to the assembly of various electronic components by means of a sintering material comprising, for example, silver or copper.
  • Silver-based sintering is commonly used for the assembly of electronic components, whether components, or chips, power or passive.
  • the invention relates in particular to the simultaneous assembly of simple parts between two substrates, including electronic components with different thicknesses or sets of electronic components which may themselves come from the assembly of a first stack.
  • BLT bond line thickness
  • the documents describing pressureless sintering processes generally relate to chips assembled collectively on a single face. If necessary, double-sided sintering can be carried out with silver sinter pastes in viscous form using non-pressure processes, but this does not give reliable assemblies over the long term. In fact, the development of differential bending forces can be observed, reducing the service life of the assembly.
  • the document W02014135151 concerns the double-sided assembly of chips of various sizes in a single step with pressure and the use of a silicone mattress on both sides allowing simultaneous pressing on several surfaces.
  • Document EP-3 408 863 proposes inserting spacers between the chips and the upper or lower substrates to compensate for the differences in height due to the different side chains of each assembly site and thus allow simultaneous assembly under pressure of the different sites. It makes it possible to use films and to compensate for the heights with little appearance of cavities but it is difficult to industrialize in particular according to the thicknesses to be compensated.
  • the document US20170092611 provides for the use of solid films or of a film formed on the substrate by direct deposition of the plasma or evaporation type. However, this method remains difficult to use for the same reasons as above in the event of the need to compensate for thick steps.
  • the invention therefore aims to improve the quality of the densification of the sintering material and the control of the BLT.
  • a method for assembling an electronic component to a substrate comprising the following successive steps:
  • a stack comprising a substrate, an electronic component and a sintering material interposed between the component and the substrate,
  • the stack is pressed hot so as to cause the temperature of the material to cross a prior exothermic peak which precedes an exothermic peak of sintering without the temperature of the material reaching a maximum of the exothermic peak of sintering, and
  • the stack is heated so as to sinter the material.
  • the invention allows so-called “thin” or “thick” chips to be assembled by silver-based sintering, for example. It also allows the assembly of several chips simultaneously between two substrates, including electronic components with different thicknesses or sets of electronic components that can themselves come from the assembly of a first stack.
  • the method of the invention can therefore be implemented as follows:
  • the invention implements a step of the local creep type resulting in the least possible thermal history on the chips already in place, if necessary, and a collective step for sintering.
  • the film of sinter material can result from a die-cut from a commercial sheet of large size and at the right thickness. It may also have been fabricated on the substrate by dispensing and drying ready to be sintered.
  • the chip can be cold bonded at a maximum of 2 MPa to allow handling.
  • the paste following adhesion, it must be considered that the paste is not completely flat, and there may be peaks and valleys of the order of 40 to 50 pm linked to the application of the paste by distribution .
  • the aim is indeed to contain the temperature between the maximum of the prior exothermic peak and a temperature lower than the maximum of the exothermic sintering peak. If the sintering temperature is 250° C for example, then theoretically the temperature can be brought up to 245° C. Hard sintering will not take place, possibly only pre-sintering.
  • the material Prior to the production of the stack, the material is cut from a sheet;
  • the pressing takes place at a pressure of between 1.9 and 2.1 MPa, and in particular, during a first phase, at a pressure of between 0.38 and 0.42 MPa;
  • the heating takes place at a temperature between 220° C. and 280° C.
  • the stack being a first stack
  • the component being a first component and the sintering material forming a first portion:
  • At least one second stack is produced comprising the substrate, a second electronic component and a second portion of the sintering material interposed between the second component and the substrate;
  • the second stack is pressed hot so as to cause the temperature of the material to cross the prior exothermic peak without the temperature of the material reaching the value equal to the maximum of the prior exothermic peak over the exothermic sintering peak;
  • the first and second components have different thicknesses from each other.
  • the stack being a first stack
  • the component being a first component
  • the sintering material forming a first portion
  • the substrate being a first substrate
  • a second stack is produced comprising a second substrate, a second electronic component and a second portion of the sintering material interposed between the second component and the second substrate;
  • the second stack is pressed hot so as to cause the temperature of the material to cross the prior exothermic peak without the temperature of the material reaching the value equal to the maximum of the prior exothermic peak on the peak exothermic sintering;
  • the first substrate is assembled to the second substrate by interposing the first component and the second component between the first substrate and the second substrate;
  • the heating step is carried out so as to heat all the stacks simultaneously.
  • test sample of a sintering material is heated by exposing it to an increasing temperature
  • a temperature of the material is measured and a first heating temperature value is detected corresponding to a maximum of a prior exothermic peak which precedes a sintering exothermic peak and a second heating temperature value corresponding to a maximum the exothermic sintering peak,
  • a stack comprising a substrate, an electronic component and a sintering material interposed between the component and the substrate,
  • the stack is hot pressed by exposing it to a temperature higher than the first value and lower than the second value
  • an installation for assembling an electronic component to a substrate, the installation comprising:
  • FIG. 1 is a graph showing the evolution of the mass of a sintering material (measured by thermogravimetry) marked on the ordinate axis on the left, as a function of the heating temperature applied to it on the abscissa and the evolution of its energy (by a differential scanning calorimetry measurement) on the y-axis on the right, as a function of this same variable;
  • FIG. 2 is a graph illustrating the thermodynamic stability ranges of silver and its oxide as a function of temperature and oxygen partial pressure
  • Figure 3 is a graph similar to that of Figure 1 for a second sintering material
  • FIG. 5 is a diagram showing the evolution as a function of time of the temperatures applied to the arm and the support and of the pressure applied by the arm during a step of the method.
  • FIG. 6 and 7 are views of two modules manufactured by means of the invention in two embodiments.
  • a stack comprising a substrate, an electronic component and a sintering material interposed between them, - the stack is pressed hot so as to cause the temperature of the material to cross a prior exothermic peak which precedes an exothermic peak of sintering without the temperature of the material reaching a maximum of the exothermic peak of sintering, and
  • the stack is heated so as to sinter the material.
  • Figure 1 shows the evolution of the mass of the sintering material (measured by TGA) marked on the y-axis on the left, as a function of the increasing heating temperature applied to it on the abscissa. Similarly, it shows the evolution of the DSC measurement on the y-axis on the right, as a function of this same variable.
  • the DSC curve is expressed in pV/mg and not in mW/mg.
  • the crucibles used were made of alumina. The material is exposed to gradual heating with a temperature rise rate of 10° C./min.
  • the TGA curve shows that the loss of mass of this paste n° 1 (and therefore the evacuation of the solvents) takes place in two stages: a first loss of mass, major, begins at 130°C in both cases (first bump 2 visible in the figure) and a second, minor, is observed above 250°C.
  • the major mass loss coincides from 130°C with two small peaks 6, 8 on the DSC curve.
  • the first 6 is rather endothermic, the other 8 is exothermic.
  • the small size of the peaks can be explained by the fact that, thermally, the two phenomena, more or less simultaneous, compensate each other.
  • the small exothermic peak 8 which appears in figure 1 from 151.2°C (the local minimum of the endothermic peak 6) and which has its maximum at 170.8°C is not mentioned either by the manufacturer or in the literature.
  • DSC coupled with TGA clearly shows that, in air, during major mass loss, there is competition between an exothermic phenomenon and an endothermic phenomenon (combustion and evaporation).
  • the main mass loss corresponds to an endothermic peak.
  • the competition of the phenomena which appear in this zone, but potentially at different temperatures according to the pastes gives rise to the aforementioned small exothermic peak 8 which is the marker of the activation of the silver flakes for subsequent creep or sintering .
  • the first exothermic peak must be determined in air because it does not appear in the DSC under neutral gas or under vacuum.
  • the paste began to transform beforehand, namely during the exothermic peak 8 lower than the sintering peak 10 and having its maximum at 170.8°C. As the heating temperature continues to increase, the temperature of the material drops slightly before following the sintering peak.
  • the sintering of the material can be broken down into three successive phases:
  • Phase 1 actually starts from the prior exothermic peak 8 and therefore as soon as the material is exposed to a temperature of 170°C.
  • Combined TGA/DSC analyzes carried out on many other commercial pastes show the same physiognomy of energy release and mass loss, although at different levels.
  • This phase is however obtained with a low activation energy (surface densification) giving a reaction which is not very densifying but sufficiently powerful to create the beginning of a rigid structure in the sintering material.
  • This pressure makes it possible, in accordance with the sintering theory, to reduce the sintering initialization temperature, and in this case to initiate the coalescence of the silver flakes (formation of bridges) at 170° C. and not at 230 ° C, which would be right in the third exothermic peak, the sintering and densification peak 10.
  • the method is implemented in an installation 20 like that of FIG. 4. It comprises:
  • a member such as an arm 24 mounted to move relative to the support and capable of exerting pressure
  • control means 29 capable of controlling the execution of the process.
  • a film of sintering material is cut in this case from a sheet. Then the stack comprising the substrate 30, an electronic component 28 and the sintering material 26 interposed between the component and the substrate is produced.
  • the stack is pressed so as to cause the temperature of the material 26 to cross the maximum 170.8° C. of the prior exothermic peak 8 without the temperature of the material reaching a value equal to this maximum on the exothermic sintering peak 10, that is to say without causing it to initiate this sintering peak.
  • the pressing takes place for a period of between 10 and 30 seconds and at a temperature of 170°C. It takes place at a pressure of between 1.9 and 2.1 MPa, and in particular, during a first phase, at a pressure of between 0.38 and 0.42 MPa.
  • FIG. 5 shows the temperatures applied to the arm and the support and the pressure applied by the arm as a function of time.
  • the arm takes 5 seconds to reach the temperature of 170° C. and applies this temperature to the stack for 25 seconds. The same goes for support. Both then cool gradually to room temperature.
  • the force applied to the stack by the arm evolves as follows:
  • the force of 5 kg applied to a chip with a surface area of 5.6 * 5.05 mm 2 (i.e. 2 MPa +/- 0.1 MPa) represents the relevant pressure in combination with the temperature of 170°C for:
  • the stack is heated so as to sinter the material 26.
  • the heating takes place for a period of between 20 and 60 minutes, at atmospheric pressure and at a temperature of between 220° C. and 280° C., for example at 250° C. It is this step of application of the sintering bearing without pressure on the module which launches the diffusion of the densification in volume at the grain boundaries.
  • the method comprises the following successive steps.
  • a first stack is produced comprising a substrate 30, a first electronic component 28 on the left and a first portion of sintering material 26 interposed between the component and the substrate.
  • the stack is pressed hot so as to cause the temperature of the material 26 to exceed the maximum without it subsequently reaching the same value again on the sintering peak. Then, at least a second stack is produced comprising the substrate 30, a second electronic component 28 and a second portion of the sintering material 26 interposed between the second component and the substrate, as shown on the right in FIG. 6.
  • the first and second components 28 have different thicknesses from each other.
  • the second stack is hot pressed so as to cause the temperature of the second portion 26 to exceed the maximum without it subsequently reaching a value equal to the maximum again.
  • This mode can be implemented with a large number of components on the same substrate.
  • This process connects a step under pressure to allow the flow and sizing of each joint of the module with a second collective step of sintering without pressure on the entire module. It is also possible thanks to this process to add other components such as resistors, capacitors, pads, ... by the same mixed principle with/without pressure.
  • the method makes it possible to carry out both chip-by-chip implantation on the module in isolation for precise control of the thickness of the seal while authorizing, at the end of this operation, a collective implementation of sintering to optimize the cost of the module.
  • a first stack is produced comprising a first substrate 30 (bottom in FIG. 7), a first electronic component 28 and a first portion of a sintering material 26 interposed between the component and the substrate,
  • the stack is hot pressed so as to cause the temperature of the material to exceed the maximum without it then again reaching a value equal to the maximum.
  • a second stack comprising a second substrate 30, a second electronic component 28 and a second portion of sintering material 26 interposed between the second component and the second substrate.
  • the second stack is hot pressed so as to cause the maximum to be exceeded at a temperature of the second portion, without it then again reaching a value equal to the maximum .
  • first substrate 30 is assembled to the second which is turned over as illustrated in FIG. 7 by interposing the first and second components 28 between the first and second substrates. Additional portions of sinter material 26 are interposed between the first component and the second substrate and between the second component and the first substrate respectively.
  • This embodiment can be implemented with a large number of stacks.
  • the other characteristics of the first mode of implementation are applicable.
  • a test sample of a sintering material 26 is heated by exposing it to an increasing temperature, and - during the heating, a temperature of the material 26 is measured and a first heating temperature value is detected corresponding to a maximum of the prior exothermic peak 8 which precedes the exothermic sintering peak 10, then a second heating temperature value at which a temperature of the material again reaches a value equal to the maximum.
  • a stack is produced comprising a substrate 30, an electronic component 28 and a sintering material 26 interposed between the component and the substrate.
  • the stack is hot pressed by exposing it to a temperature higher than the first value and lower than the second value.
  • the stack is heated so as to sinter the material.
  • the manufacture can also take place according to the other aforementioned embodiments.
  • the invention makes it possible to sinter with acceptable densification combinations of substrates and components which may otherwise cause problems. It makes it possible, for example, to carry out sintering between a conventional component and a flexible, organic or inorganic substrate. It makes it possible to achieve thicknesses of between a few tens of microns and a few millimeters during the distribution of the material on the same module, to particularize the covering of steps in an industrial manner or to separate a component from the substrate and thus give flexibility to the connections with a component and improve reliability.
  • the invention is applicable to assemblies to be produced by sintering such as those used in aircraft for power modules, high temperature modules with high reliability requirements and sensors.
  • the invention is particularly advantageous given the trend whereby more and more aircraft components are of an electrical nature.

Landscapes

  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)

Abstract

Un procédé pour assembler un composant électronique (28) à un substrat (30) comprend les étapes successives suivantes : on réalise un empilement comprenant un substrat (30), un composant électronique (28) et un matériau de frittage (26) interposé entre le composant électronique (28) et le substrat (30); on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau de frittage (26) un pic exothermique préalable (8) qui précède un pic exothermique de frittage (10) sans que la température du matériau de frittage (26) atteigne un maximum du pic exothermique de frittage (10); et on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau de frittage (26) (par exemple, à la pression atmosphérique). Des "ponts" entre les particules du matériau de frittage (26) sont formés et croissent dès le pic exothermique préalable (8). Le matériau de frittage (26) peut être découpé dans une feuille préalablement à la réalisation de l'empilement. Le procédé peut comprendre une étape préliminaire de chauffage d'un échantillon de test du matériau de frittage (26) en l'exposant à une température croissante, dans laquelle, durant le chauffage, on mesure une température du matériau de frittage (26) et on détecte une première valeur de température de chauffag correspondant à un maximum du pic exothermique préalable (8) qui précède le pic exothermique de frittage (10) et une deuxième valeur de température de chauffage correspondant au maximum du pic exothermique de frittage (10). L'empilement peut être un premier empilement, le composant électronique (28) peut être un premier composant et le matériau de frittage (26) peut former une première portion, le procédé comprenant aussi les étapes suivantes : on réalise au moins un deuxième empilement comprena le substrat (30), un deuxième composant électronique (28) et une deuxième portion du matériau de frittage (26) interposée entre le deuxième composant électronique (28) et le substrat (30); on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable (8) sans que la température du matériau de frittage (26) atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable (8) sur le pic exothermique de frittage (10); et on effectue l'étape de chauffage de façon à chauffer tous les empilements simultanément. Les premier et deuxième composants électroniques (28) peuvent présenter des épaisseurs différentes l'une de l'autre. L'empilement peut aussi être un premier empilement, le composant électronique (28) peut être un premier composant, le matériau de frittage (26) peut former une première portion, et le substrat (30) peut être un premier substrat, le procédé comprenant aussi les étapes suivantes : on réalise un deuxième empilement comprenant un deuxième substrat (30), un deuxième composant électronique (28) et une deuxième portion du matériau de frittage (26) interposée entre le deuxième composant électronique (28) et le deuxième substrat (30); indépendamment de l'étape de pressage du premier empilement, on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable (8) sans que la température du matériau de frittage (26) atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable (8) sur le pic exothermique de frittage (10); on assemble le premier substrat (30) au deuxième substrat (30) en interposant le premier composant électronique (28) et le deuxième composant électronique (28) entre le premier substrat (30) et le deuxième substrat (30); et on effectue l'étape de chauffage de façon à chauffer tous les empilements simultanément.

Description

TITRE : PROCEDE POUR ASSEMBLER UN COMPOSANT ELECTRONIQUE A UN SUBSTRAT PAR PRESSAGE
DOMAINE DE L’INVENTION
L'invention concerne l’assemblage de composants électroniques divers au moyen d’un matériau de frittage comprenant par exemple de l'argent ou du cuivre.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le frittage à base d'argent est couramment utilisé pour l’assemblage de composants électroniques, qu’il s’agisse de composants, ou puces, de puissance ou passifs.
Les procédés de frittage connus sont généralement classés en deux catégories :
- le frittage sans pression à partir d’une couche de frittage argent, de nature visqueuse à liquide, préalablement appliquée sur un substrat dans laquelle on vient appliquer le composant à assembler en exerçant une faible pression de l’ordre de quelques centaines de grammes ; et
- le frittage au moyen d’un film solide appliqué sur le substrat ou sur la puce préalablement à l'assemblage du substrat et de la puce par le moyen d’une forte pression.
L’invention concerne notamment l’assemblage simultané de pièces simples entre deux substrats, incluant des composants électroniques avec différentes épaisseurs ou des ensembles de composants électroniques pouvant eux-mêmes être issus de l'assemblage d’un premier empilage.
On considère notamment des composants d’épaisseur fine devant la diagonale ou la plus grande dimension en surface du composant. Le critère critique à prendre en compte est typiquement celui de composants ou de substrats dont la surface encastrée avec un autre élément donne un produit diagonal*épaisseur3 inférieur à 2.3.102 mm4 (cette grandeur est proportionnelle au moment quadratique de la liaison).
Si on tente d’assembler une puce fine (par exemple de dimension 5*5*0.1 mm3 donnant un critère de 0.9.103 mm4) sur un substrat rigide en céramique avec un frittage sans pression, la densification du matériau de frittage à base d'argent se produit du centre vers la périphérie de la puce. Or cela provoque un rétreint du matériau. La puce se trouve alors mise en flexion, avec des lignes de liaison du matériau de frittage ayant une épaisseur parfois inférieure à 5 pm.
On cherche donc à garantir à la fois une épaisseur de ligne de liaison (en anglais bond line thickness ou BLT) qui soit acceptable (supérieure à 50 pm) et une planéité de la puce après frittage sur sa diagonale qui soit meilleure que 10 pm.
Il s’agit en effet d’éviter l’impact de la mise en flexion et l'apparition d'efforts normaux à la surface du substrat entraînant des contraintes en arrachement au cours du vieillissement de la liaison. Le procédé que l’on cherche à obtenir devrait être aussi utilisable pour des composants ayant un critère supérieur au critère critique.
Les documents décrivant des procédés de frittage sans pression concernent généralement des puces assemblées collectivement sur une seule face. Si besoin, un frittage à double face peut être mis en oeuvre avec des pâtes de frittage argent sous forme visqueuse au moyen de procédés sans pression mais cela ne donne pas des assemblages fiables sur le long terme. On observe en effet le développement d’efforts différentiels en flexion diminuant la durée de vie de l’assemblage.
Le document W02014135151 concerne l’assemblage double face de puces de tailles diverses en une seule étape avec pression et utilisation d’un matelas en silicone sur les deux faces permettant l’appui simultané sur plusieurs surfaces.
Ce procédé entraîne cependant l’apparition de cavités dans le matériau de frittage car il reste difficile d’exercer une pression partout avec un film rigide d’épaisseur relativement faible (inférieur à 50 pm).
Le document EP-3 408 863 propose d’insérer des pièces intercalaires entre les puces et les substrats supérieur ou inférieur pour compenser les différences de hauteur dues aux chaînes de cotes différentes de chaque site d’assemblage et ainsi permettre un assemblage sous pression simultané des différents sites. Il permet d’utiliser des films et de compenser les hauteurs avec peu d’apparition de cavités mais il est difficile à industrialiser en particulier en fonction des épaisseurs à compenser. Le document US20170092611 prévoit l’utilisation de films solides ou d’un film formé sur le substrat par un dépôt direct de type plasma ou évaporation. Ce procédé reste cependant délicat à employer pour les mêmes raisons que ci- dessus en cas de besoin de compensation de fortes épaisseurs de marches.
De manière générale, lorsqu’un procédé sous pression est mis en oeuvre, le frittage est mené sous pression jusqu’au bout du fait que la mise en place est lourde pour y parvenir (mise sous pression et gestion de la température des parties supérieure et inférieure appelées "top" et "bottom"). Si le choix est fait d’aller vers ce type de procédé, c’est qu’il était nécessaire pour améliorer la densification (par exemple en raison d’une faible contrainte obtenue lors d’un frittage dans une structure en sandwich symétrique entraînant sans pression une mauvaise densification).
Ces documents sont issus pour la plupart de la mouvance de la première phase de l’utilisation du frittage argent, aux environs des années 2010-2014, à une époque où les puces n’étaient pas aussi fines que maintenant et avec des critères minimaux autour de 0.4 mm4.
La création d’un film solide à partir d’une pâte a été prévue au départ justement pour améliorer la densification du frittage par l’ajout de la pression.
Aujourd’hui, de moins en moins de clients achètent des films à fritter en argent et on se dirige vers le frittage sans pression pour des raisons de coût et de mise en oeuvre simplifiée.
Cependant, des problèmes apparaissent avec les puces fines. Notamment, on observe sous la puce un stockage de solvant n’ayant pas pu s’évacuer, ce qui occasionne l’apparition de cavités. De plus, la fiabilité des assemblages en cyclage thermique est très mauvaise du fait de la non-maîtrise du BLT.
L'invention vise donc à améliorer la qualité de la densification du matériau de frittage et la maîtrise du BLT.
Elle vise notamment la situation dans laquelle il est impossible d’utiliser un procédé collectif sous pression avec un matelas en silicone en raison de l’existence, avant l’assemblage des puces de puissance, de broches et de plots sur le substrat et aussi en raison du besoin de fritter sur le même substrat des puces dites fines (critère critique selon un calcul du moment quadratique de 0.9.103 mm4) et des puces dites épaisses (critère au-dessus de 0.1 mm4).
EXPOSE DE L’INVENTION
A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé pour assembler un composant électronique à un substrat, comprenant les étapes successives suivantes :
- on réalise un empilement comprenant un substrat, un composant électronique et un matériau de frittage interposé entre le composant et le substrat,
- on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau un pic exothermique préalable qui précède un pic exothermique de frittage sans que la température du matériau atteigne un maximum du pic exothermique de frittage, et
- on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
L’invention permet un assemblage des puces dites « fines » ou “épaisses” par frittage à base d'argent par exemple. Elle permet aussi l’assemblage de plusieurs puces en simultané entre deux substrats, incluant des composants électroniques avec différentes épaisseurs ou des ensembles de composants électroniques pouvant eux-mêmes être issus de l'assemblage d’un premier empilage.
Le procédé de l'invention peut donc être mis en oeuvre de la façon suivante :
- mise sous pression modérée de la puce (par exemple quelques MPa) permettant à la fois le fluage de la pâte sous la puce (élimination des sommets et des vallées) et ce à une température modérée (par exemple 170°C) de façon à positionner l’assemblage dans le début de la zone de frittage par diffusion en surface des particules du matériau de frittage, par exemple des particules d’argent ;
- éventuellement, reproduction des étapes d'assemblage et de pressage à chaud sur la puce suivante ou chacune des puces suivantes jusqu’à la dernière puce du module. Cela peut aller jusqu'à plusieurs dizaines de puces ; et
- frittage collectif en une seule passe de toutes les puces.
Il s'agit donc de contenir la température tout en pressant à une pression donnée dans un espace d’énergies qui est compris à minima juste après le pic exothermique préalable et au maximum avant le pic de frittage, soit en pratique souvent entre 170 et 250° C.
L'invention met en oeuvre une étape de type fluage local entraînant le moins possible d’historique thermique sur les puces déjà en place le cas échéant et une étape collective pour le frittage.
En effet, augmenter le BLT jusqu’à 60 pm au moins tout en garantissant une planéité à 10 pm au maximum ne peut pas se faire uniquement avec un frittage sans pression. Il faut pouvoir fritter sur une surface préalablement rendue plane et rigide mais active au frittage dès le départ, avec l’aide de la pression pour assurer un maintien de la puce à une cote précise en hauteur.
Le film de matériau de frittage peut résulter d’une découpe faite à l’emporte- pièce dans une feuille commerciale de grande taille et à la bonne épaisseur. Il peut aussi avoir été fabriqué sur le substrat par distribution et séchage en étant prêt à être fritté.
Dans un mode de réalisation, la puce peut être adhérisée à froid sous 2 MPa au maximum pour permettre la manipulation. En général, suite à l’adhérisation, il faut considérer que la pâte n’est pas totalement plane, et il peut exister des sommets et des vallées de l’ordre de 40 à 50 pm liés à l’application de la pâte par distribution.
Lors du pressage à chaud, le but est bien de contenir la température entre le maximum du pic exothermique préalable et une température inférieure au maximum du pic exothermique de frittage. Si la température de frittage est de 250° C par exemple, alors théoriquement on peut amener la température jusqu’à 245° C. Le frittage dur n’aura pas lieu, éventuellement seulement un pré frittage.
Cependant, on peut prévoir qu'on presse l'empilement à chaud sans que la température du matériau atteigne une valeur égale à un maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage.
En effet, par exemple s’agissant d’assembler plusieurs puces, pour tenir compte de l’historique thermique de chaque matériau, il est préférable de garder la température aussi basse que possible afin de ne pas entamer le capital thermique de ces matériaux lors des pressages successifs.
On peut prévoir que le procédé présente en outre au moins l’une des caractéristiques suivantes :
- préalablement à la réalisation de l'empilement, on découpe le matériau dans une feuille ;
- le pressage a lieu pendant une durée comprise entre 10 et 30 secondes ;
- le pressage a lieu à une pression comprise entre 1.9 et 2.1 MPa, et notamment, au cours d'une première phase, à une pression comprise entre 0.38 et 0.42 MPa ;
- le pressage a lieu à une température supérieure ou égale à 170°C;
- le chauffage a lieu pendant une durée comprise entre 20 et 60 minutes ;
- le chauffage a lieu à la pression atmosphérique ;
- le chauffage a lieu à une température comprise entre 220° C et 280° C ;
- un élément parmi le composant et le substrat présente une surface de contact avec le matériau, à l’issue du procédé, telle que
D * E =< 2.3.102 mm2 où :
- D désigne une plus grande diagonale de la surface de contact, et
- E désigne une épaisseur maximale de l’élément.
On peut prévoir que, l'empilement étant un premier empilement, le composant étant un premier composant et le matériau de frittage formant une première portion :
- on réalise au moins un deuxième empilement comprenant le substrat, un deuxième composant électronique et une deuxième portion du matériau de frittage interposée entre le deuxième composant et le substrat ;
- on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable sans que la température du matériau atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage ; et
- lors du chauffage, on chauffe tous les empilements de façon à réaliser le frittage du matériau. Dans un mode de réalisation, les premier et deuxième composants présentent des épaisseurs différentes l’un de l’autre.
On peut prévoir que, l'empilement étant un premier empilement, le composant étant un premier composant, le matériau de frittage formant une première portion et le substrat étant un premier substrat :
- on réalise un deuxième empilement comprenant un deuxième substrat, un deuxième composant électronique et une deuxième portion du matériau de frittage interposée entre le deuxième composant et le deuxième substrat ;
- indépendamment de l'étape de pressage précitée, on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable sans que la température du matériau atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage ;
- on assemble le premier substrat au deuxième substrat en interposant le premier composant et le deuxième composant entre le premier substrat et le deuxième substrat ; et
- on effectue l'étape de chauffage de façon à chauffer tous les empilements simultanément.
On prévoit aussi selon l'invention un procédé pour assembler un composant électronique à un substrat, comprenant les étapes successives suivantes :
- on chauffe un échantillon de test d’un matériau de frittage en l’exposant à une température croissante,
- durant le chauffage, on mesure une température du matériau et on détecte une première valeur de température de chauffage correspondant à un maximum d'un pic exothermique préalable qui précède un pic exothermique de frittage et une deuxième valeur de température de chauffage correspondant à un maximum du pic exothermique de frittage,
- on réalise un empilement comprenant un substrat, un composant électronique et un matériau de frittage interposé entre le composant et le substrat,
- on presse l'empilement à chaud en l’exposant à une température supérieure à la première valeur et inférieure à la deuxième valeur, et
- on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau. On prévoit enfin selon l'invention une installation pour assembler un composant électronique à un substrat, l’installation comprenant :
- un support,
- un organe apte à exercer une pression,
- des moyens de chauffage, et
- des moyens aptes à commander l’exécution d’un procédé selon l'invention. DESCRIPTION DES FIGURES
Nous allons maintenant présenter des modes de réalisation de l'invention à titre d'exemples non-limitatifs à l'appui des dessins sur lesquels :
- la figure 1 est un graphique montrant l’évolution de la masse d’un matériau de frittage (mesurée par thermogravimétrie) repérée sur l’axe des ordonnées à gauche, en fonction de la température de chauffage qu’on lui applique en abscisse et l’évolution de son énergie (par une mesure de calorimétrie différentielle à balayage) sur l’axe des ordonnées à droite, en fonction de cette même variable ;
- la figure 2 est un graphique qui illustre les domaines de stabilité thermodynamique de l’argent et de son oxyde en fonction de la température et de la pression partielle en oxygène ;
- la figure 3 est un graphique similaire à celui de la figure 1 pour un deuxième matériau de frittage ;
- la figure 4 montre deux étapes du procédé selon l’invention mis en oeuvre dans une installation selon l’invention ;
- la figure 5 est un diagramme montrant l'évolution en fonction du temps des températures appliquées sur le bras et le support et de la pression appliquée par le bras lors d'une étape du procédé ; et
- les figures 6 et 7 sont des vues de deux modules fabriqués au moyen de l'invention dans deux modes de réalisation.
Présentation générale
Dans le procédé selon l’invention, on exécute les étapes successives suivantes :
- on réalise un empilement comprenant un substrat, un composant électronique et un matériau de frittage interposé entre eux, - on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau un pic exothermique préalable qui précède un pic exothermique de frittage sans que la température du matériau atteigne un maximum du pic exothermique de frittage, et
- on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
Des analyses par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et des analyses thermogravimétriques (TGA) couplées ont été menées sous air sur une pâte à fritter du commerce à base d'argent. Il s’agit de la pâte commercialisée par la société Henkel sous le nom LOCTITE ABLESTIK SSP 2020
Ainsi, la figure 1 montre l’évolution de la masse du matériau de frittage (mesurée par TGA) repérée sur l’axe des ordonnées à gauche, en fonction de la température de chauffage croissante qu’on lui applique en abscisse. De même, elle montre l’évolution de la mesure de DSC sur l’axe des ordonnées à droite, en fonction de cette même variable. La courbe de DSC est exprimée en pV/mg et non en mW/mg. Les creusets utilisés étaient en alumine. On expose le matériau à un chauffage progressif avec une vitesse de montée en température de 10°C/min.
Que l’expérience soit faite sous air ou sous argon, la courbe de TGA monte que la perte de masse de cette pâte n° 1 (et donc l’évacuation des solvants) s’effectue en deux temps : une première perte de masse, majeure, débute à 130°C dans les deux cas (première bosse 2 visible sur la figure) et une seconde, mineure, s’observe au-delà de 250° C.
La perte de masse majeure coïncide à partir de 130°C avec deux petits pics 6, 8 sur la courbe de DSC. Le premier 6 est plutôt endothermique, l’autre 8 est exothermique. La petite taille des pics peut s’expliquer par le fait que, thermiquement, les deux phénomènes, plus ou moins simultanés, se compensent.
Concernant le premier pic 6, la perte de masse qui s’initialise à 130°C est représentative de l’évaporation des solvants et c’est une donnée fournie par le fabricant. Elle se poursuit en pratique jusqu’à 170.8°C. Dans cette zone, le solvant reste présent et bloque clairement la formation d’oxyde d'argent (Ag2Û3) qui pourrait avoir lieu sinon en dessous de 150°C. La figure 2 illustre en effet les domaines de stabilité thermodynamique de l’argent et de son oxyde en fonction de la température et de la pression partielle en oxygène. Elle montre que, dans une atmosphère composée de 20% d’oxygène, l’oxyde d’argent n’est pas thermodynamiquement stable au-delà de 150°C. En dessous de cette température, bien que thermodynamiquement possible, la réaction d’oxydation de l’argent ne se produit pas car elle est cinétiquement bloquée, ce qui est le cas sur la figure 1 grâce à la présence d’un composé de protection organique.
Le petit pic exothermique 8 qui apparaît sur la figure 1 à partir de 151 ,2°C (le minimum local du pic endothermique 6) et qui a son maximum à 170.8°C n’est mentionné ni par le fabricant ni dans la littérature.
On le retrouve sur une analyse similaire faite sous air sur une pâte à fritter d’une autre marque, elle aussi à base d’argent, et illustrée à la figure 3. Il s’agit de la pâte commercialisée par la société Heraeus sous le nom Magic® DA295A. (Des analyses similaires peuvent être faites sur une pâte commercialisée sous le nom Argomax® Alpha® par la société MacDermid Alpha Electronics Solutions et sur une pâte commercialisée sous le nom Quicksinter® par la société Indium Corporation). Ici ce petit pic exothermique démarre à 192.4°C et a son maximum à 198.7°C. Là encore, il n’est pas mentionné par le fabricant. Dans tous les cas, seule l’évaporation des solvants à 130°C est mentionnée par les fabricants ou la littérature.
Or, entre 130°C et 170°C, d’autres phénomènes majeurs sont présents. Dans cette gamme, on se trouve en présence de flocons d’argent non oxydés ayant une taille comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques dizaines de microns et des traces de solvants.
La DSC couplée à la TGA montre clairement que, sous air, lors de la perte de masse majeure, il y a concurrence entre un phénomène exothermique et un phénomène endothermique (combustion et évaporation). En revanche, sous argon, la perte de masse principale correspond à un pic endothermique. Cela signifie que, sous gaz neutre, la perte de masse principale se fait plus par évaporation que par décomposition des solvants. Cependant, la concurrence des phénomènes qui apparaissent dans cette zone, mais potentiellement à des températures différentes suivant les pâtes, donne naissance au petit pic exothermique précité 8 qui est le marqueur de l’activation des paillettes d’argent pour un fluage ou un frittage ultérieur.
Lors d’une expérimentation, le premier pic exothermique est à déterminer sous air car il n’apparaît pas dans la DSC sous gaz neutre ou sous vide.
A la figure 1 , sur la courbe de DSC, on observe aussi le plus grand pic exothermique 10 du matériau de frittage lorsqu'il est exposé à une température produisant le frittage, ce pic de frittage culminant à son maximum de 259 °C. Il représente la température à laquelle l’efficacité de la densification du frittage est maximale.
Cependant, comme déjà indiqué, la pâte a commencé à se transformer au préalable, à savoir lors du pic exothermique 8 moins élevé que le pic de frittage 10 et ayant son maximum à 170,8°C. A mesure que continue à croître la température de chauffage, la température du matériau redescend légèrement avant de suivre le pic de frittage.
Le frittage du matériau peut se décomposer en trois phases successives :
1. Formation et croissance de « ponts » entre les particules de la poudre. A ce stade, on a une porosité ouverte (ou tubulaire) ;
2. Réduction de la porosité ouverte jusqu’à la fermeture des pores, traditionnellement vers 92% de densité relative ; et
3. Élimination des pores fermés résiduels.
La phase 1 démarre en fait dès le pic exothermique préalable 8 et donc dès qu'on expose le matériau à la température de 170°C. Des analyses combinées TGA/DSC effectuées sur beaucoup d’autres pâtes du commerce montrent la même physionomie de dégagement d’énergie et de perte de masse, à des niveaux différents toutefois. Cette phase est cependant obtenue avec une énergie d’activation faible (densification de surface) donnant une réaction peu densifiante mais suffisamment puissante pour créer un début de structure rigide dans le matériau de frittage. Le fluage réalisé lors de l'étape de pressage à chaud dans le procédé de l'invention exploite cette propriété de la matière. Il est initialisé au début de ce pic exothermique préalable 8, ici avec l’application de la pression dès 170°C, au bout de 8 + 5 = 13 secondes en l'espèce avec l’application d’une pression de quelques MPa. Cette pression permet, en accord avec la théorie du frittage, de diminuer la température d’initialisation du frittage, et en l'espèce d’initialiser la coalescence des flocons d’argent (formation de ponts) à 170°C et non à 230° C, ce qui serait en plein dans le troisième pic exothermique, le pic de frittage et de densification 10.
L’abaissement de la température pour cette opération de fluage est avantageux car il permet d’obtenir l’effet recherché sans entamer le budget thermique des autres composants présents potentiellement sur le substrat avec leur joint de frittage séché en attente de fluage ou de frittage. En effet, la répétition de l'étape de fluage à chaud en présence des puces déjà en place ne compromet pas leur historique thermique, la structure du joint n'étant pas déjà formée, la création des ponts n'ayant pas encore eu lieu.
Sur la base de ces éléments, on met en oeuvre l’invention comme suit à titre d’exemple.
Premier mode de réalisation
Nous allons décrire un premier mode de réalisation de l’invention.
On met en oeuvre le procédé dans une installation 20 comme celle de la figure 4. Elle comprend :
- un support ou bâti 22,
- un organe tel qu’un bras 24 monté mobile par rapport au support et apte à exercer une pression,
- une platine 21 fixée à l’extrémité inférieure du bras et s’étendant en regard du support,
- des moyens de chauffage 27, et
- des moyens de commande 29 aptes à commander l’exécution du procédé.
Préalablement à la réalisation de l'empilement, on découpe en l'espèce un film du matériau de frittage dans une feuille. Puis on réalise l'empilement comprenant le substrat 30, un composant électronique 28 et le matériau de frittage 26 interposé entre le composant et le substrat.
Puis on presse l'empilement de façon à faire franchir à une température du matériau 26 le maximum 170,8°C du pic exothermique préalable 8 sans que la température du matériau atteigne une valeur égale à ce maximum sur le pic exothermique de frittage 10, c'est-à-dire sans lui faire amorcer ce pic de frittage.
En l'espèce, le pressage a lieu pendant une durée comprise entre 10 et 30 secondes et à une température de 170°C. Il a lieu à une pression comprise entre 1.9 et 2.1 MPa, et notamment, au cours d'une première phase, à une pression comprise entre 0.38 et 0.42 MPa.
La figure 5 montre en fonction du temps les températures appliquées sur le bras et le support et la pression appliquée par le bras. En l'espèce, le bras met 5 secondes à atteindre la température de 170°C et applique cette température à l'empilement pendant 25 secondes. Il en va de même pour le support. Les deux refroidissent ensuite progressivement jusqu'à température ambiante. La force appliquée sur l'empilement par le bras évolue comme suit :
- 200 g par unité de surface pendant 8 secondes, puis
- 5 kg par unité de surface pendant 125 secondes.
Globalement la température est donc gérée de la même façon à 170°C sur le support et le bras. En revanche, la force évolue beaucoup plus, le palier à 200 grammes étant là pour améliorer le transfert thermique pendant les montées en température du bras et du support (résistance de contact).
La force de 5 kg appliquée sur une puce d’une surface de 5.6 * 5.05 mm2 (soit 2 MPa +/- 0.1 MPa) représente la pression pertinente en combinaison avec la température de 170°C pour :
- autoriser dans les premières secondes du palier (temps à inférieur à 10 s) le fluage pour l’aplanissement des sommets et des vallées ;
- lorsque la puce est en contact avec le matériau de frittage devenu plan, initialiser une diffusion en surface permettant de créer uniquement les ponts (attaches physiques entre le matériau de frittage et les interfaces) dans le matériau (la diffusion en volume aux joints de grains n’est pas dans ce cas initialisée).
Lors de la descente en température, la pression de 2 MPa est maintenue pour maintenir la puce à l’horizontale et éviter les chocs thermiques (la maîtrise des températures du support et du bras n’est assurée que si la force est présente).
Ensuite, on chauffe l'empilement de façon à réaliser le frittage du matériau 26.
En l'espèce, le chauffage a lieu pendant une durée comprise entre 20 et 60 minutes, à la pression atmosphérique et à une température comprise entre 220° C et 280° C, par exemple à 250° C. C'est cette étape d'application du palier de frittage sans pression sur le module qui lance la diffusion de la densification en volume aux joints de grains.
On peut prévoir qu'un élément parmi le composant 28 et le substrat 30 présente une surface de contact avec le matériau 26, à l’issue du procédé, telle que
D * E =< 2.3.102 mm2 où :
- D désigne une plus grande diagonale de la surface de contact, et
- E désigne une épaisseur maximale de l’élément.
Deuxième mode de réalisation
Nous présentons maintenant un deuxième mode de réalisation en référence à la figure 6.
Cette fois, le procédé comprend les étapes successives suivantes.
On réalise un premier empilement comprenant un substrat 30, un premier composant électronique 28 à gauche et une première portion de matériau de frittage 26 interposée entre le composant et le substrat.
On presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau 26 le maximum sans qu'elle atteigne ensuite à nouveau la même valeur sur le pic de frittage Puis on réalise au moins un deuxième empilement comprenant le substrat 30, un deuxième composant électronique 28 et une deuxième portion du matériau de frittage 26 interposée entre le deuxième composant et le substrat, comme représenté à droite sur la figure 6. Les premier et deuxième composants 28 présentent des épaisseurs différentes l’un de l’autre.
Ensuite, on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir le maximum à une température de la deuxième portion 26 sans qu'elle atteigne ensuite à nouveau une valeur égale au maximum.
Enfin, on chauffe tous les empilements ensemble de façon à réaliser le frittage du matériau.
Les autres caractéristiques du premier mode de mise en oeuvre sont applicables.
Ce mode peut être mis en oeuvre avec un grand nombre de composants sur le même substrat.
Ce procédé enchaîne une étape sous pression pour permettre le fluage et la mise à la cote de chaque joint du module avec une deuxième étape collective de frittage sans pression sur l’ensemble du module. Il est aussi envisageable grâce à ce procédé d’ajouter d’autres composants tels que des résistances, des condensateurs, des plots, ... par le même principe mixte avec/sans pression.
Le procédé permet de réaliser à la fois une implantation puce par puce sur le module de manière isolée pour un contrôle précis de l’épaisseur du joint tout en autorisant à la fin de cette opération une mise en oeuvre collective du frittage pour optimiser le coût du module.
Troisième mode de réalisation
Nous présentons maintenant un troisième mode de réalisation en référence à la figure 7.
Cette fois, le procédé comprend les étapes successives suivantes. On réalise un premier empilement comprenant un premier substrat 30 (en bas sur la figure 7), un premier composant électronique 28 et une première portion d'un matériau de frittage 26 interposée entre le composant et le substrat,
Puis on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le maximum sans qu'elle atteigne ensuite à nouveau une valeur égale au maximum.
Ensuite, on réalise un deuxième empilement comprenant un deuxième substrat 30, un deuxième composant électronique 28 et une deuxième portion du matériau de frittage 26 interposée entre le deuxième composant et le deuxième substrat.
Ensuite, et donc indépendamment de l'étape de pressage du premier empilement, on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir le maximum à une température de la deuxième portion, sans qu'elle atteigne ensuite à nouveau une valeur égale au maximum.
Puis on assemble le premier substrat 30 au deuxième que l'on retourne comme illustré sur la figure 7 en interposant les premier et deuxième composants 28 entre les premier et deuxième substrats. Des portions supplémentaires de matériau de frittage 26 sont interposées entre le premier composant et le deuxième substrat et entre le deuxième composant et le premier substrat respectivement.
Puis on chauffe, cette fois sous pression, tous les empilements simultanément de façon à réaliser un frittage des portions du matériau 26.
On peut mettre en oeuvre ce mode de réalisation avec un grand nombre d'empilements. Les autres caractéristiques du premier mode de mise en oeuvre sont applicables.
Quatrième mode de réalisation
Dans ce mode de réalisation, on met en oeuvre un procédé de test d’un matériau de frittage, dans lequel :
- on chauffe un échantillon de test d’un matériau de frittage 26 en l’exposant à une température croissante, et - durant le chauffage, on mesure une température du matériau 26 et on détecte une première valeur de température de chauffage correspondant à un maximum du pic exothermique préalable 8 qui précède le pic exothermique de frittage 10, puis une deuxième valeur de température de chauffage à laquelle une température du matériau atteint à nouveau une valeur égale au maximum.
Ensuite, en référence à la figure 4, on met en oeuvre un procédé pour assembler un composant électronique à un substrat.
Pour cela, on réalise un empilement comprenant un substrat 30, un composant électronique 28 et un matériau de frittage 26 interposé entre le composant et le substrat.
Puis on presse l'empilement à chaud en l’exposant à une température supérieure à la première valeur et inférieure à la deuxième valeur.
Enfin on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
La fabrication peut aussi avoir lieu selon les autres modes de réalisation précités.
Ainsi, dans le cas d’un module ou assemblage en 3D, c'est-à-dire comprenant au moins deux substrats entre lesquels un ou plusieurs composants sont interposés, on réalise uniquement l’adhérisation des puces sur chaque substrat (les puces top adhérisées sur le substrat top, les puces bottom sur le substrat bottom), puis on positionne le substrat équipé bottom sur le support de la machine, on intercale et on aligne un éventuel substrat intermédiaire avec une adhérisation, puis on aligne le substrat top. Ensuite, comme cela est présenté dans la demande W02019101634 au nom de la demanderesse, le frittage du module complet est effectué en une seule passe, cette fois-ci sous pression, avec l’étape de fluage décrite plus haut.
L'invention permet de fritter avec une densification acceptable des combinaisons de substrats et de composants qui peuvent sinon poser des problèmes. Elle permet par exemple de réaliser un frittage entre un composant classique et un substrat flexible, organique ou non-organique. Elle permet de réaliser des épaisseurs comprises entre quelques dizaines de microns et quelques millimètres lors de la distribution du matériau sur un même module, pour particulariser le recouvrement de marches de manière industrielle ou pour écarter un composant du substrat et donner ainsi une souplesse aux liaisons avec un composant et améliorer la fiabilité.
L’invention est applicable aux assemblages devant être réalisés par frittage tels que ceux mis en oeuvre dans les aéronefs pour les modules de puissance, les modules à haute température et à grande exigence de fiabilité et les capteurs. L’invention est notamment avantageuse compte-tenu de la tendance selon laquelle de plus en plus d’organes des avions sont de nature électrique.
On pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci.

Claims

Revendications
1. Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat, comprenant les étapes successives suivantes : - on réalise un empilement comprenant un substrat (30), un composant électronique (28) et un matériau de frittage (26) interposé entre le composant et le substrat,
- on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau un pic exothermique préalable (8) qui précède un pic exothermique de frittage (10) sans que la température du matériau atteigne un maximum du pic exothermique de frittage, et
- on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel, préalablement à la réalisation de l'empilement, on découpe le matériau (26) dans une feuille.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on presse l'empilement à chaud sans que la température du matériau atteigne une valeur égale à un maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le pressage a lieu pendant une durée comprise entre 10 et 30 secondes.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le pressage a lieu à une pression comprise entre 1.9 et 2.1 MPa, et notamment, au cours d'une première phase, à une pression comprise entre 0.38 et 0.42 MPa.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le pressage a lieu à une température supérieure ou égale à 170°C.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le chauffage a lieu pendant une durée comprise entre 20 et 60 minutes.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le chauffage a lieu à la pression atmosphérique.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le chauffage a lieu à une température comprise entre 220° C et 280° C.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel un élément parmi le composant (28) et le substrat (30) présente une surface de contact avec le matériau (26), à l’issue du procédé, telle que
D * E =< 2.3.102 mm2 où :
- D désigne une plus grande diagonale de la surface de contact, et
- E désigne une épaisseur maximale de l’élément.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, l'empilement étant un premier empilement, le composant étant un premier composant et le matériau de frittage formant une première portion :
- on réalise au moins un deuxième empilement comprenant le substrat (30), un deuxième composant électronique (28) et une deuxième portion du matériau de frittage (26) interposée entre le deuxième composant et le substrat ;
- on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable (8) sans que la température du matériau atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage ; et
- on effectue l'étape de chauffage de façon à chauffer tous les empilements simultanément.
12. Procédé selon la revendication précédente dans lequel les premier et deuxième composants (28) présentent des épaisseurs différentes l’une de l’autre.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, l'empilement étant un premier empilement, le composant étant un premier composant, le matériau de frittage formant une première portion et le substrat étant un premier substrat :
- on réalise un deuxième empilement comprenant un deuxième substrat (30), un deuxième composant électronique (28) et une deuxième portion du matériau de frittage (26) interposée entre le deuxième composant et le deuxième substrat ;
- indépendamment de l'étape de pressage de la revendication 1 , on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable (8) sans que la température du matériau atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage ;
- on assemble le premier substrat (30) au deuxième substrat (30) en interposant le premier composant (28) et le deuxième composant (28) entre le premier substrat et le deuxième substrat ; et
- on effectue l'étape de chauffage de façon à chauffer tous les empilements simultanément.
14. Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat, comprenant les étapes successives suivantes :
- on chauffe un échantillon de test d’un matériau de frittage (26) en l’exposant à une température croissante,
- durant le chauffage, on mesure une température du matériau (26) et on détecte une première valeur de température de chauffage correspondant à un maximum d'un pic exothermique préalable (8) qui précède un pic exothermique de frittage (10) et une deuxième valeur de température de chauffage correspondant à un maximum du pic exothermique de frittage,
- on réalise un empilement comprenant un substrat (30), un composant électronique (28) et un matériau de frittage (26) interposé entre le composant et le substrat,
- on presse l'empilement à chaud en l’exposant à une température supérieure à la première valeur et inférieure à la deuxième valeur, et
- on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
15. Installation (20) pour assembler un composant électronique à un substrat, l’installation comprenant :
- un support (22),
- un organe (24) apte à exercer une pression,
- des moyens de chauffage (27), et
- des moyens (29) aptes à commander l’exécution d’un procédé selon au moins l’une quelconque des revendications précédentes.
EP22717232.7A 2021-03-26 2022-03-28 Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage au moyen d'un matériau de frittage Pending EP4315404A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2103055A FR3121278A1 (fr) 2021-03-26 2021-03-26 Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage
PCT/FR2022/050568 WO2022200748A1 (fr) 2021-03-26 2022-03-28 Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage au moyen d'un matériau de frittage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4315404A1 true EP4315404A1 (fr) 2024-02-07

Family

ID=77226847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22717232.7A Pending EP4315404A1 (fr) 2021-03-26 2022-03-28 Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage au moyen d'un matériau de frittage

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4315404A1 (fr)
FR (1) FR3121278A1 (fr)
WO (1) WO2022200748A1 (fr)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3777995D1 (de) * 1986-12-22 1992-05-07 Siemens Ag Verfahren zur befestigung von elektronischen bauelementen auf einem substrat, folie zur durchfuehrung des verfahrens und verfahren zur herstellung der folie.
DE102009008926B4 (de) * 2009-02-13 2022-06-15 Danfoss Silicon Power Gmbh Verfahren zur Schaffung einer hochtemperatur- und temperaturwechselfesten Verbindung eines Halbleiterbausteins mit einem Verbindungspartner und einer Kontaktlasche unter Verwendung eines temperaturbeaufschlagenden Verfahrens
WO2013125604A1 (fr) * 2012-02-20 2013-08-29 株式会社応用ナノ粒子研究所 Pâte nano-métallique composite contenant une source d'oxygène et procédé d'assemblage
US20130256894A1 (en) 2012-03-29 2013-10-03 International Rectifier Corporation Porous Metallic Film as Die Attach and Interconnect
US8835299B2 (en) * 2012-08-29 2014-09-16 Infineon Technologies Ag Pre-sintered semiconductor die structure
DE102013003527A1 (de) 2013-03-04 2014-09-04 Danfoss Silicon Power Gmbh Vorrichtung zum Niedertemperatur-Drucksintern, Verfahren zum Niedertemperatur-Drucksintern und leistungselektronische Baugruppe
FR3047111B1 (fr) 2016-01-26 2018-03-23 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Assemblage comprenant des moyens d'interconnexion mixtes comportant des elements intermediaires d'interconnexion et des joints frittes metalliques et procede de fabrication
FR3074011B1 (fr) 2017-11-21 2019-12-20 Safran Electronics & Defense Module electrique de puissance

Also Published As

Publication number Publication date
FR3121278A1 (fr) 2022-09-30
WO2022200748A1 (fr) 2022-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3169625B1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un dispositif comprenant un boîtier hermétique sous vide et un getter
EP2262637B1 (fr) Procede de fabrication d&#39;un flan en materiau composite thermoplastique, outillage de fabrication associe et application du procede a la realisation de pieces de structure d&#39;aeronef
EP3031076B1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;une structure semi-conductrice avec collage temporaire via des couches métalliques
EP0296019A1 (fr) Support pour circuit imprimé formant drain thermique à dilatation contrôlée, et procédé de fabrication
EP3005408B1 (fr) Procédé d&#39;assemblage de deux substrats de nature différente via une couche intermédiaire ductile
EP4315403A2 (fr) Procede pour assembler un composant electronique a un substrat par le biais d&#39;un frittage
FR3076292A1 (fr) Procede de transfert d&#39;une couche utile sur un substrat support
FR2798224A1 (fr) Realisation d&#39;un collage electriquement conducteur entre deux elements semi-conducteurs.
EP3115129B1 (fr) Ensemble comportant un element susceptible de transmettre de la chaleur, un film de polymere bon conducteur thermique et isolant electrique, un joint fritte et un radiateur et procede de fabrication
EP3828936A1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un dispositif de détection comportant une étape de report et de collage direct d&#39;une couche mince munie d&#39;un materiau getter
WO2011042668A1 (fr) Module d&#39;electronique de puissance et procede de fabrication de ce module
EP3115128A1 (fr) Assemblage comprenant deux elements de coefficient de dilatation thermique differents et un joint fritte heterogene en densite et procede de fabrication de l&#39;assemblage
WO2022200748A1 (fr) Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage au moyen d&#39;un matériau de frittage
EP2397530B1 (fr) Procédé de collage calibré en épaisseur entre au moins deux substrats
KR100474646B1 (ko) 적층체의 제조 방법과 적층체 가압 장치
EP1622437B1 (fr) Procédé d&#39;encollage ou d&#39;assemblage de plusieurs éléments
EP4276686B1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un ensemble pour carte et d&#39;une carte comportant un film métallisé, carte à microcircuit et ensemble pour carte
EP2475488B1 (fr) Procede d&#39;assemblage pour brasage
EP2684434B1 (fr) Procédé d&#39;interconnexion par retournement d&#39;un composant électronique
EP4434105B1 (fr) Système et procédlé de solidarisation de plaques bipolaires en matériau composite d&#39;un dispositif électrochimique
EP2636064B1 (fr) Elements de connexion pour l&#39;hybridation de circuits electroniques
EP2695110A1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;inserts pour passeport électronique
JP4333634B2 (ja) シリコンウェハーの接合方法
FR3126061A1 (fr) Procédé d’assemblage d’une pièce en silicium sur un support
FR3065903A1 (fr) Procede pour l&#39;assemblage de membrane / electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20231026

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)