FR2597261A1 - Boitier d'encapsulation de circuits integres a dissipation thermique amelioree, et procede de fabrication - Google Patents

Boitier d'encapsulation de circuits integres a dissipation thermique amelioree, et procede de fabrication Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE L'ENCAPSULATION DES CIRCUITS INTEGRES EN BOITIER PLASTIQUE. POUR AMELIORER LA DISSIPATION THERMIQUE DE LA CHALEUR ENGENDREE PAR LA PUCE, ON COLLE SUR LA GRILLE DE CONNEXIONS METALLIQUE UNE FEUILLE SOUPLE 38 D'UN MATERIAU ELECTRIQUEMENT ISOLANT ET THERMIQUEMENT CONDUCTEUR, PAR EXEMPLE UN ELASTOMERE AU SILICONE ARME PAR UN TISSU DE VERRE. CETTE FEUILLE AGIT EN COMBINAISON AVEC LA GRILLE ELLE-MEME DE REPARTITEUR DE CHALEUR A L'INTERIEUR DU BOITIER PLASTIQUE. LA FABRICATION EST PARTICULIEREMENT SIMPLE ET NE NECESSITE PAS DE MODIFICATION DES MACHINES DE MANIPULATION DES GRILLES NI DES MACHINES DE MOULAGE DU BOITIER AUTOUR DES GRILLES.

Description

BOITIER D'ENCAPSULATION DE CIRCUITS INTEGRES
A DISSIPATION THERMIQUE AMELIOREE, ET
PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention concerne l'encapsulation des circuits intégrés, c'est-à-dire le montage de ces circuits en boitier étanche.
Un problème d'évacuation de chaleur se pose pour certains circuits intégrés, notamment des circuits complexes formés sur une 2 puce de circuit intégré de dimensions assez importante (25 mm ou plus).
Ces circuits intégrés complexes utilisent en général un nombre important de bornes de connexion extérieure reliées par exemple par des fils d'or ou d'aluminium à des plots de contact sur la puce.
Le montage consiste à utiliser une grille métallique (grille de cuivre en général) prédécoupée et comportant d'une part une embase sur laquelle on va souder la puce de circuit intégré, et d'autre part des conducteurs de connexion ayant chacun une première extrémité venant à proximité de l'embase et une deuxième extrémité éloignée.
Entre un plot de contact prévu sur la puce et la première extrémité d'un conducteur de la grille, on soudera un fil de connexion. La deuxième extrémité du conducteur constituera la broche extérieure d'accès sortant du boitier du circuit.
L'encapsulation consiste à enrober de résine thermodurcissable l'embase, la puce et la grille de connexions à l'exception des broches de connexion, c'est-à-dire à l'exception des deuxièmes extrémités des conducteurs de la grille.
Après encapsulation, les broches sont déconnectées les unes des autres par découpage et repliées.
Dans certains cas, il n'y a ni embase ni fils d'or mais les extrémités des conducteurs de connexion arrivent à plat directement en contact avec des plots prévus sur le dessus de la puce et une soudure directe est faite entre les extrémités de conducteurs et la puce.
La résine thermodurcissable n'est pas un bon conducteur de chaleur, ce qui limite les possibilités de dissipation thermique et réduit les performances du circuit car la température à Pintérieur de la puce reste relativement élevée; à titre d'indication, on peut considérer que si la température interne de la puce (dite "température de jonction") passe de 800C à 1000C, la durée de vie du circuit est divisée par 6.
Pour certains circuits complexes, consommant une puissance non négligeable (une fraction de watt ou plus), on a imaginé des montages particuliers permettant d'augmenter la dissipation de chaleur sans pour autant utiliser des boitiers coûteux en céramique (I'encapsulation en boitier plastique étant beaucoup plus économique).
Ces montages sont de deux sortes:
1) l'embase de la grille, destinée à recevoir la puce, est reliée à des connexions faisant partie de la grille et sortant du boitier comme les autres connexions mais destinées à servir non pas de broches de connexion électrique vers l'extérieur mais de broches d'évacuation de chaleur vers l'extérieur, ces broches pouvant être connectées, lors de rutilisation, à un radiateur ou à tout autre élément (plaque de cuivre imprimée etc...) susceptible de dissiper la chaleur. L'inconvénient majeur est l'augmentation du nombre de broches extérieures du boitier par rapport au nombre strictement nécessaire pour le fonctionnement électrique du circuit.
2) l'embase de la grille est en contact, à Pintérieur du boitier, avec une plaque conductrice de grande surface (par rapport à la surface de l'embase), cette plaque servant de répartiteur de chaleur et étant en matériau bon conducteur de la chaleur (aluminium notamment). Le répartiteur est soudé sur l'embase qui elle-même est en cuivre. Il y a donc une bonne transmission de chaleur entre la puce (par sa face arrière) et l'ensemble du boitier de résine, le répartiteur dsitribuant la chaleur sur une grande surface de résine à l'intérieur du boitier.Ce type de montage est coûteux et présente des risques importants de défauts (mauvais contact thermique entre l'embase et le répartiteur si de la résine s'infiltre au cours du surmoulage; risques de court-circuit entre le répartiteur et les broches de connexion qui elles-mêmes sont distribuées sur une large surface à l'intérieur du boitier).
Ces solutions sont complexes ou coûteuses, ou non conformes à la tendance vers la miniaturisation désirée par les utilisateurs, ou encore imcompatibles avec des procédés de fabrication standardisés de sorte qu'on ne pourrait pas fabriquer sur une même chaîne à la fois des produits nécessitant une amélioration de la dissipation thermique et des produits ne nécessitant pas cette amélioration.
D'une manière inattendue, la présente invention propose d'améliorer la dissipation thermique en utilisant comme répartiteur de chaleur la grille de connexions elle-même associée à une feuille souple de matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur, placée en contact étroit avec la grille et noyée dans la résine.
La feuille est de préférence collée sur la grille, soit sur la face arrière (la puce étant soudée sur la face avant), soit sur la face avant mais alors avec une ouverture centrale à l'emplacement de la puce.
Des ouvertures sont de préférence prévues dans la feuille à plusieurs endroits, pour permettre un libre passage de la résine, pendant le moulage, entre le dessus et le dessous de la grille, afin d'éviter que la feuille ne sépare complètement le dessus du boitier du dessous et forme ainsi un plan de clivage selon lequel le boitier pourrait se rompre.
Par matériau thermiquement conducteur, on entend ici un matériau ayant une conductivité thermique largement supérieure à celle de la résine du boitier.
La feuille peut être en élastomère au silicone, avec ou sans tissu de verre noyé dans cet élastomère pour en renforcer la tenue mécanique et la conductivité thermique. D'autres produits de charge de l'élastomère permettent d'augmenter la conductivité thermique en conservant les propriétés d'isolement électrique, par exemple le nitrure de bore.
La fabrication de ce boitier est -très facile car elle est compatible avec les procédés habituels, la seule différence étant que la grille de connexion en ruban métallique découpé comporte une feuille souple collée, mais cette feuille ne perturbe pas le processus de fabrication, car l'ensemble grille + feuille peut passer dans les machines de fabrication qui traitent habituellement les grilles métalliques (ce qui n'est pas le cas des répartiteurs de chaleur de la technique antérieure).
Enfin, un autre avantage de cette construction est que la feuille sert,si elle est collée sur la grille assitôt après le découpage de celle-ci et jusqu'à la fin de la fabrication, à maintenir en place les connexions, pendant les opérations de manutention de grille, de soudure de la puce, de soudure des fils d'or et d'encapsulation. Ce maintien en place était jusqu'à présent assuré par des rubans étroits d'un matériau diélectrique adhésif mince n'ayant que cette fonction (rubans de polyimide adhésif). Ces rubans peuvent être supprimés.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue générale d'un ruban de grilles de connexions métalliques de type habituel,
- figure 2 représente une vue d'un boitier plastique monté à partir de cette grille,
- la figure 3 représente plus en détail la structure classique d'un élément individuel de grille métallique,
- la figure 4 représente la grille sion l'invention pourvue d'une feuille souple collée sur la grille et formant avec la grille un répartiteur de chaleur,
- la figure 5 représente une variante de réalisation avec une feuille souple collée sous la grille, y compris sous l'embase destinée à recevoir une puce.
La figure I représente une vue de dessus d'un ruban métallique découpé formant une série de plusieurs grilles de connexion attachées successivement les unes aux autres et destinées à la fabrication simultanée de plusieurs boitiers de circuit intégré.
Le ruban découpé 10 est par exemple en cuivre et comprend:
- les grilles proprement dites avec pour chacune une embase et des conducteurs individuels ayant chacun une première extrémité proche de l'embase et une deuxième extrémité éloignée de l'embase; il y a huit grilles sur la figure 1 et par conséquent huit embases carrées bien visibles au centre de chaque grille,
- des bandes longitudinales 12 et 14 perforées de trous 16 pour faciliter leur manutention,
- des bandes transversales de maintien, comprenant respectivement, pour chaque grille, une bande transversale centrale 18 s'étendant entre Pembase et chacune des bandes longitudinales 12 et 14, et deux bandes transversales latérales 20 et 22 s'étendant de chaque côté de la grille entre les bandes longitudinales 12 et 14.
Les bandes transversales de maintien sont destinées à maintenir solidaires les unes des autres les différentes parties découpées constituant la grille.
Sur la figure 1, on voit encore, pour trois des grilles, mais pas pour les cinq autres, des segments de bandes longitudinales 24 de part et d'autre de l'embase. Ces bandes ne font pas partie intégrante de la grille découpée; ce sont des rubans adhésifs diélectriques collés sur les conducteurs de la grille du côté de l'embase pour aider à les maintenir en place pendant la fabrication et le moulage; en effet certains conducteurs ont une grande longueur entre leur première extrémité libre (du côté de 1'embase) et leur deuxième extrémité attachée au reste de la grille (plus précisément attachée à une des bandes transversales latérales 18 ou 20); ces conducteurs risqueraient de se tordre ou de bouger; les bandes adhésives diélectriques les maintiennent en place sans les court-circuiter électriquement.Ces rubans sont nécessaires surtout pour des boitiers de grande longueur; on ne les a représenté que sur trois des grilles de la figure 1 pour simplifier la représentation mais dans la réalité ils sont présents sur toutes les grilles.
Pour l'encapsulation, le ruban découpé est placé dans un moule d'injection de résine thermodurcissable, le moule comprenant plusieurs cavités correspondant chacune à un boitier à surmouler sur une grille déterminée.
La cavité est telle que lors de l'injection, une grille correspondant à un composant se trouve noyée dans la résine à l'exception des extrémités de conducteurs qui formeront les broches extérieures du composant.
Plus précisément, sont noyés dans la résine:
- l'embase au centre d'une grille, avec la puce qu'elle porte et les fils de connexion qui la relient aux extrémités de conducteurs de la grille,
- la quasi-totalité des conducteurs de grille situés entre les deux bandes transversales latérales 20 et 22 encadrant l'embase,
- la bande transversale centrale 18
- les bandes adhésives diélectriques 24.
Mais ne sont pas noyées dans la résine:
- les bandes longitudinales,
- les bandes transversales latérales 20 et 22,
- les extrémités de conducteurs de grille situées entre une bande transversale latérale correspondant à un premier composant et la bande transversale latérale la plus proche correspondant à un composant adjacent.
Après l'injection de résine, le ruban de grilles de connexions est démoulé, les composants sont séparés les uns des autres, les bandes longitudinales sont coupées, et les bandes transversales latérales sont sciées entre les conducteurs de grille adjacents dépassant de la résine, pour décourt-circuiter les broches extérieures entre elles et former ainsi des broches individuelles isolées électriquement les unes des autres; enfin, les broches extérieures sortant de la résine peuvent être pliées.
La figure 2 montre en vue partiellement éclatée un composant qui résulte de ce type de fabrication avec les différentes broches extérieures 26 qui sortent du boitier de résine 28.
On notera que la bande transversale centrrale 18, qui maintenait l'embase solidaire de la grille pendant la manipulation de celle-ci, subsiste à l'intérieur du boitier et est toujours reliée à l'embase. La puce soudée sur l'embase et noyée dans la résine est désignée par la référence 30.
Sur la figure 3, on a représenté un dessin schématique de grille classique correspondant à un seul composant qui est le premier élément d'un ruban métallique découpé comprenant plusieurs grilles successives.
Sur cette figure on retrouve les éléments déjà décrits à propos de la figure 1, à savoir:
- les bandes longitudinales 12 et 14 avec leurs trous 16,
- la bande transversale centrale 18 qui relie une embase désignée par 19 aux bandes longitudinales 12 et 14,
- les bandes transversales latérales 20 et 22 qui maintiennent solidaires les unes des autres et solidaire des bandes longitudinales les différents conducteurs individuels composant l'essentiel de la grille.
Chaque conducteur correspond à une broche extérieure respective du composant. Les conducteurs comprennent chacun deux parties, l'une qui sera à l'intérieur du boitier et l'autre qui constituera la broche extérieure proprement dite sortant du boitier. La limite entre ces deux parties, c'est-à-dire le contour extérieur du boitier est représenté par une ligne tiretée 32 sur la figure 3. Cette ligne de contour englobe l'embase 19 et la bande transversale centrale 18 mais ni les bandes longitudinales 12 et 14 ni les bandes transversales latérales 20 et 22 qui restent à l'extérieur du boitier.
Chaque conducteur de la grille comporte une première extrémité libre 34, à l'intérieur du contour 34 et à proximité immédiate de l'embase 19, et une deuxième extrémité 36 extérieure au boitier qui constitue la broche extérieure proprement dite.
Les deuxièmes extrémités 36 peuvent être raccordées au broches extérieures 38 de la grille suivante et dans ce cas elles e seront détachées lors de la division en composants individuels di ruban de grilles successives.
Sur la figure 3 on n'a pas représenté les rubans adhésifs d polyimide (24 sur la figure 1) qui maintiennent en place les extré mités libres 34 des conducteurs de la grile. Ces rubans peuvenl devenir totalement inutiles dans le montage selon la présente invention.
Selon l'invention ou avant, au moment de l'encapsulation, on applique étroitement contre la grille de conducteurs, une feuille souple électriquement isolante et thermiquement conductrice qui occupe une grande partie de la surface intérieure au contour de la ligne 32 et qui vient en contact tout particulièrement avec la bande transversale centrale 18 et avec les conducteurs de grille proches de cette bande, de manière à établir un chemin de dissipation thermique entre la bande transversale centrale 18 et les conducteurs de grille voisins.
Sur la figure 4, on voit un exemple de forme et de diisposirion de cette feuille souple 38 ; elle constitue un pont thermique entre les différents conducteurs de grille et la bande 18 et sert, en coopération avec la grille, de répartiteur de chaleur sur une large surface à l'intérieur du boitier.
Le contour de la feuille souple 38 ne doit pas se rapprocher trop du contour 32 du boitier pour ne pas fragiliser celui-ci, ou en tous cas il ne doit pas s'en rapprocher trop sur toute la longueur de celui-ci. De même, des fenêtres 40 sont de préférence prévus dans la feuille pour permettre le passage de la résine pendant le moulage entre le dessus et le dessous de la grille.
La feuille est de préférence adhésive pour être collée sur la grille et éviter toute infiltration de résine qui empêcherait un bon contact thermique entre 13 feuille et le métal de la grille. L'adhésif est de préférence un adhésif choisi pour ses qualités de conduction de chaleur, mais aussi de tenue à la température (environ 2500C à supporter pendant les opérations de soudure).
La feuille souple peut avoir une épaisseur de même ordre que celui de la grille, par exemple 0,2 à 0,3 mm. Elle peut être en élastomère au silicone, éventuellement avec une âme de tissu de verre noyé dans l'élastomère, et éventuellement chargée de particu-les améliorant la conduction thermique sans détériorer l'isolement électrique, par exemple du nitrure de bore. A titre d'exemple, la conductivité thermique peut être de l'ordre de 0,01 calorie par centimètre.seconde.degré celsius, la conductivité de la résine thermodurcissable utilisée couramment étant de 0,0015 calorie par cent imètre.seconde. degré celsius.
Deux modes de mise en oeuvre sont plus particulièrement intéressants (ils peuvent d'ailleurs être combinés).
Le premier consiste à coller de place en place sur le ruban de grilles découpées des feuilles souples 38 ayant une forme telle que par exemple celle visible à la figure 4, et à effectuer un processus de fabrication classique dans lequel le ruban de grilles métalliques simple, ou le ruban de grilles métalliques comportant des rubans de polyimide (24 sur la figure 1), est purement et simplement remplacé par un ruban de grilles pourvues chacune d'une feuille 38 (les rubans de polyimide étant supprimés). Dans ce cas il est préférable que la feuille 38 soit pourvue d'une ouverture centrale 42 à l'emplacement de l'embase 19 et des premières extrémités libres 34 des conducteurs, pour faciliter les opérations de soudure (á chaud) de la puce sur l'embase et des fils d'or sur les extrémités 34.Si on ne prévoit pas d'ouverture centrale 42, la feuille souple sera bien entendu collée sur la face arrière de la grille (la puce étant soudée sur la face avant).
Le deuxième mode de mise en oeuvre qui pourrait être utilisé consiste à effectuer le montage de la puce sur la grille et la soudure des fils de connexion entre la puce et les extrémités de conducteur de grille; puis, ensuite seulement, à coller sur la face arrière de la grille (la puce étant sur la face avant), une feuille 38 qui est appliquée alors non seulement, contre les conducteurs de la grille mais aussi contre l'embase 19; ainsi, la dissipation de chaleur sera améliorée puisque l'évacuation de chaleur pourra se faire aussi à partir de l'embase de la puce; la figure 5 représente cette mise en oeuvre.
L'invention a été décrite en détail à propos d'un montage avec fils d'or ou d'aluminium soudés entre la puce et les extrémités libres des conducteurs de la grille; elle est applicable aussi à un montage dans lequel les extrémités libres des conducteurs de liaison sont directement soudés sur des plots de contact prévus sur la puce.
Enfin, l'invention s'applique pour toutes sortes de formes de grille, y compris des grilles dont l'embase est reliée initialement aux bandes longitudinales 12 et 14 (fig. 1 et 3) par quatre barres obliques partant chacune d'un coin de Embase.

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Boitier d'encapsulation de circuits-intégrés du type comportant une grille de conducteurs de connexion présentant chacun une première extrémité (34) reliée électriquement à une puce de circuit intégré et une deuxième extrémité (36) constituant une broche de connexion extérieure, la grille et la puce étant noyées dans une résine thermodurcissable à l'exception des extrémités constituant les broches extérieures, Caractérisé en ce que la grille est en contact étroit à l'intérieur du boitier avec une feuille (38) d'un matériau souple électriquement isolant et therrrriquement conducteur, servant, en combinaison avec la grille elle-même, de répartiteur de chaleur.
2. Boitier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille (33) est collée sur la grille de connexions.
3. Boitier selon la revendication 2, caractérisé en ccq gue fa feuille collée sur la grille de connexions comporte en son cenTre une ouverture (42) à l'emplacement de la puce.
4. Boitier selon la revendication 2, caractérisé en ce que la feuille est collée sous la grille, y compris sous une embase conductrice (19), la puce étant collée sur l'embase.
5. Boitier selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que la feuille comprend des ouvertures (40) pour laisser libre le passage de la résine d'un côté à l'autre de la grille.
6. Boitier selon la revendication 5, caractérisé en ce que la feuiile est en élastomère chargé au silicone.
7. Procédé d'encapsulation de circuits-intégrés en boitier plastique, consitant à surmouler une grille métallique de connexions sur laquelle est soudée une puce de circuit intégré, caractérisé en ce que préalablement aux opérations de soudure de la puce, on colle contre la grille de connexions une feuille (38) souple d'un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur servant en combinaison avec la grille elle-même de répartiteur de chaleur, et on enrobe de résine thermodurcissable la grille, la puce et la feuille souple.
8. Procédé d'encapsulation de circuits intégrés en boitier plastique, consistant à surmouler une grille métallique de connexions sur laquelle est soudée la puce de circuit intégré, caractérisé en ce que postérieurement aux opérations de soudure de la puce on colle au-dessous de la grille, la puce étant soudée au-dessus de la grille, une feuille souple (38) d'un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur servant, en combinaison avec la grille, de répartiteur de chaleur, et on enrobe de résine thermodurcissable la grille, la puce et la feuille souple.
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