FR2622741A1 - Structure pour connexion de substrats a coefficients de dilatation thermique differents - Google Patents

Structure pour connexion de substrats a coefficients de dilatation thermique differents Download PDF

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microspindles
film
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Harumi Taira
Yukio Yamaguti
Mitsuru Nitta
Mitsuru Kimura
Akihiro Dohya
Jun Inasaka
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NEC Corp
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Abstract

a) Structure pour connexion de substrat à coefficients de dilatation thermique différents. b) Structure pour connexion de différents substrats caractérisée en ce qu'elle comporte : un premier substrat; un second substrat à coefficient de dilatation thermique différent de celui dudit premier substrat; une première distribution de premières électrodes formées sur la surface inférieure dudit premier substrat; une seconde distribution de secondes électrodes formées sur la surface supérieure dudit second substrat; des microbroches flexibles pour connecter électriquement lesdites premières électrodes auxdites secondes électrodes; un premier moyen de fixation pour fixer lesdites multibroches auxdites premières électrodes; et un second moyen de fixation pour fixer lesdites multibroches auxdites secondes électrodes. c) L'invention permet de remédier aux contraintes thermiques lors de la connexion de deux substrats.

Description

STRUCTURE POUR CONNEXION DE SUBSTRAS A COEFFFICIENTS
DE DILATATION THERMIQUE DIFFERENTS
Base de l'invention
La présente invention se rapporte à une structure pour connexion de différents substrats.
Un exemple de structures de l'art antérieur de ce type est décrit darus le brevet l.S. No. 4 245 273. Dans la structure de'-rite, les électrodes qui sont sur la surface intérieure d'un dispositif à semiconducteur et celles qui sont sur la surface supérieure d'un substrat céramique ne sont mutuellement connectées que par soudure. Toutefois, si le coeff i cient de dilatation thermique du dispositif et celui du substrat sont différents l'un de l'autre, les portions soudées peuvent subir des contraintes dues aux variations de température, avec le résultat que la connexion peut se briser.
Résumé de 11 invention
Un but de l'invention est donc de proposer une structure pour connexion de substrats qui soit exempte des inconvénients, mentionnés ci-dessus, de l'art antérieur.
Selon un aspect de la présente invention, on propose une structure qui comporte:
un premier substrat;
un second substrat à coefficient de dilatation thermique différent de celui dudit premier substrat;
une première distribution de premières électrodes formées sur la surface intérieure dudit premier substrat;
une seconde distribution de secondes électrodes formées sur la surface supérieure dudit second substrat;
des microbroches flexibles pour connecter électriquement lesdites premières électrodes auxdites secondes électrodes;
un premier moyen de fixation pour fixer lesdites microbroches auxdites premières électrodes; et
un second moyen de fixation pour fixer lesdites microbroches auxdites secondes électrodes.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention a p parait r c n t mieux à partir ce ela. des c rip- tion détaillée qui suit prise en liaison avec les dessins joints sur lesquels:
- la figure 1 est une vue en coupe d'une réalisation préférée de l'invention;
- la figure 2 est une vue en coupe partielle, à échelle agrandie, de la réalisation;
- la figure 3 est une vue de côté d'une microbroche utilisée dans la réalisation;
- la figure 4 est une vue en plan de dessus d'un substrat utilisé dans la réalisation;
- les figures SA à 5C sont des vues perspectives de microbroches utilisées dans la réalisation;
- la figure 6 est une vue de côté d'un ensemble formant microplaquette à .semiconducteur utilisé dans la réalisation;
- la figure 7 est une vue de dessous de la microplaquette à semiconducteur de la figure 6;;
- la figure 8 est une vue de côté d'un autre ensemble formant microplaquette à semiconducteur utilisé dans la réalisation;
- la figure 9 est une vue de dessous de la microplaquette à semiconducteur de la figure 8; et
- la figure 10 est une vue en coupe d'un autre ensemble formant microplaquette à semiconducteur utilisé dans la réalisation.
Description détaillée des réalisations préférées de l'invention
En se reportant à la figure 1, une réalisation de l'invention comporte un substrat céramique multicouche 200 comprenant des réseaux de câblage 201, des électrodes 202 formées sur la surface supérieure du substrat 200, une microplaquette de circuit intégré à semiconducteur 100 comprenant un substrat de silicium et des microbroch.es 300 pour connecter les circuits qui sont à l'i érieur de la microplaquette 100 aux réseaux de câblage 201 qui sont dans le substrat 200.
On va tout d'abord décrire le procédé de fabrication de la réalisation en se référant à la figure 2. On forme un film de passivation 101 de dioxyde de silicium (Si02) ou de polyimide sur la surface inférieure de la microplaquette 100, de façon que la zone autre que les électrodes soit électriquement isolée. Chacune des électrodes de la microplaquette 100 est composée d'un film d'adhérence 102 de titane et d'un film barrière 103 de platine. Les microbroches 300 sont liées aux électrodes de la microplaquette 100 par un alliage eutectique Au-Sn 104. Après avoir aligné chacune des microbroches 300 et l'une, correspondante, des électrodes 202, on connecte les microbroches 300 aux électrodes 202 par une soudure 203.
Le but de l'utilisation des microbroches 300 est de réduire la contrainte thermique due à -la différence de coefficient de dilatation thermique entre la microplaquette 100 et le substrat 200. Par conséquent, il est nécessaire de prendre les diamètres des microbroches 300 aussi petits que possible pour absorber ces contraintes. Toutefois, une microplaquette de petit diamètre détériore sa caractéristique de soudage à l'électrode 202.Si la pointe d'une microbroche 300a agissant comme pastille pour la soudure est prise plate de façon à avoir en coupe la forme de la lettre "I" comme représnté sur la figure 3, la caractéristique de soudage ne devient pas plus mauvaise, car une surface de soudage B de la microbroche 300a pourrait être suffisamment large même si le diamètre de la portion A de- la microbroche 300a est pris suffisamment petit pour réduire la contrainte thermique.
Parmi les microbroches 300 uniformément disposées comme représenté sur la figure 4, celles, 300b, qui sont situées loin du centre du substrat 200 subissent la contrainte thermique maximale, tandis que celles qui sont situées près du centre du substrat 200 en subissent une faible. Par conséquent, il est préfé rable de choisir la forme des microbroches qui subissent d'importantes contraintes thermiques de façon à réduire l'effet des contraintes et à renforcer l'adhérence à la soudure. Les microbroches 500b disposées à l'intérieur de la zone 500 sur la surface supérieure du substrat 200 de la figure 4 correspondent à ce cas. Les figures SA à 5C représentent les formes de microbroches qui tolèrent la contrainte thermique et adhèrent fermement à la soudure.Au contraire, des microbroches rectilignes habituelles de faible coût suffisent comme microbroches à disposer dans la zone, autre que les zones 500 de la figure 4, où seule une faible contrainte thermique est imposée. Etant donné que les surfaces de soudage des microbroches représentées sur les figures SA à 5C sont larges, il n'est pas possible d'obtenir une solution de haute densité si ces microbroches sont utilisées pour toutes les microbroches à monter sur le substrat. Par conséquent, les microbroches 300 disposées près du centre du substrat 200, auxquelles la contrainte thermique imposée est faible, sont des microbroches rectilignes habituelles dont les pointes n'ont pas été élargies. On peut alors réaliser une distribution de haute densité.
Pour réduire plus efficacement l'effet des contraintes, on peut utiliser une construction telle que représentée sur les figures 6 et 7 dans laquelle celles de la pluralité de -icrobroches 300c disposées sur la surface inférieure ce la icrorlaquette 100 qui sont à l'extérieur sont plus inclinées vers ltextérieur que celles qui sont à 1 'Intérieur.
Quand on connecte ensemble les microbroches 300c et le substrat 200 par le procédé bien connu de soudure à la vague, la différence de température entre eux monte jusqu'au-dessus de 1500C (degrés centigrades). A cette occasion, étant donné que la contraction thermique du substrat 200 est supérieure à celle de la microplaquette 100, les microbroches 300c sont tirées en direction de la portion centrale de la surface inférieure du substrat 200. Du fait de l'inclinaison des microbroches 300c, toutefois, la contrainte de traction est efficacement surmontée.
Pour réduire la contrainte thermique, on peut utiliser une autre construction comme représenté sur les figures 8 et 9, dans laquelle les microbroches 300b représentées sur les figures SA ou 5B sont disposées radialement depuis la portion centrale de la surface inférieure de la plaquette 100. Dans cette construction, la direction longitudinale de la portion de. pied B de chacune des microbroches 300b doit coincider avec la direction radiale selon laquelle elle est disposée.
On va maintenant décrire, en se référant à la figure 10, une autre construction pour la connexion entre la microplaquette 100 et la microbroche 300.
Au moyen du film .de passivation 101 en dioxyde de silicium (SiO2) ou polyimide, on isole la surface inférieure de la microplaquette 100 autre que les zones dans lesquelles les électrodes de connexions sont s former. Chacune des zones de la microplaquette 100 qui ne sont pas isolées est formée avec un film d'adhérence 105 de titane et un film barrière 106 de platine ou de nickel qui est lié à la microplaquette 300 par une s udure or-étain ou une soudure étain-plomb ou une soudure or-germanium 107.
Par ailleurs, les électrodes de connexion peuvent être constituées d'un unique film d'aluminium ou d'or ou de cuivre ou de platine ou de palladium.

Claims (16)

REVENDICATIONS
1. Structure pour connexion de différents substrats caractérisée en ce qu'elle comporte:
un premier substrat (100);
un second substrat (200) à coefficient de dilatation thermique différent de celui dudit premier substrat;
une première distribution de premières électrodes (102-103) formées sur la surface inférieure dudit premier substrat;
une seconde distribution de secondes électrodes (202) formées sur la surface supérieure dudit second substrat;
des microbroches flexibles (300) pour connecter électriquement lesdites premières électrodes auxdites secondes électrodes;
un premier moyen de fixation (104) pour fixer lesdites nicrobrornes au tes prè..ière- électrodes; et
un second moyen de fixation (203) pour fixer lesdites microbroches auxdites secondes électrodes.
2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une ou plusieurs desdites microbroches sont en forme de I ou de 3 ou de L.
3. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que celles desdites microbroches qui sont fixées sur les zones périphériques de la surface inférieure dudit substrat sont en forme de I ou de ou de L.
4. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites microbroches sont en forme de L ou de a et sont toutes disposées radialement depuis la portion centrale de la surface inférieure dudit premier substrat.
5. Structure selon la revendication 1, caracté risée en ce que celles desdites microbrochès- qui sont à à l'extérieur sont plus inclinées vers l'extérieur que celles qui sont à l'intérieur.
6. Structure selon la revendication .1, caractérisée en ce que ledit premier moyen est un alliage eutectique.
7. Structure selon la revendication 6, caracté risée en ce que ledit alliage eutectique est un -alliage eutectique or-étain.
8. Structure selon la revendication 1, caracté .risée en ce que ledit second moyen est une connexion par soudure.
9.Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite soudure est une soudure or-étain ou une soudure étain-plomb ou une soudure or-germanium.
10. Structure selon la revendication 1, caracté
risée en ce que 1 e s i t e s premières éiectrodes sont
fabriquées en aluminium ou en or ou en cuivre ou
en platine ou en palladium.
11. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites ' premières électrodes sont
constituées d'un film d'adhérence et d'un film
barrière.
12. Structure selon la revendication 11, caractérisée en ce que ledit film d'adhérence est
constitué de titane.
13. Structure selon la revendication 11, caracté
risée en ce que ledit film barrière est constitué
de platine ou de nickel.
14. Structure selon la revendication 1, caracté
risée en ce que ledit premier substrat est princi
palement constitué de silicium; et en ce que ledit
second substrat est principalement constitué de
céramique.
un moyen de fixation pour fixer lesdites électrodes auxdites microbroches.
une pluralité de microbroches flexibles électriquement conductrices; et
un film de passivation recouvrant la zone excluant les zones formées avec lesdites électrodes sur la surface inférieure de ladite .microplaquette;
une distribution d'électrodes formées sur la surface inférieure de ladite microplaquette;
une microplaquette de circuit intégré à semiconducteur;
15. Structure caractérisée en ce qu'elle comporte:
16. Structure selon la revendication 15, caractérisée en ce que ledit film de passivation est un film de dioxyde de silicium ou un film de polyimide.
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