FR2748853A1 - Systeme de composants a hybrider et procede d'hybridation autorisant un defaut de planeite des composants - Google Patents

Systeme de composants a hybrider et procede d'hybridation autorisant un defaut de planeite des composants Download PDF

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Abstract

Système de composants à hybrider comprenant un premier composant (210) présentant des premiers plots (214a) de réception de billes équipés de billes de matériau fusible (214b), et au moins un deuxième composant présentant des deuxièmes plots de réception de billes (215), les premiers et deuxièmes plots de réception de billes étant respectivement associés en paires de plots et disposés en regard. Selon l'invention, le deuxième plot (215) de chaque paire de plots présente une aire supérieure à l'aire du premier plot (214a) de la paire de plots.

Description

SYSTEME DE COMPOSANTS A HYBRIDER ET PROCEDE D'HYBRIDATION
AUTORISANT UN DEFAUT DE PLANEITE DES COMPOSANTS
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un système de composants à hybrider adapté à une technique d'hybridation par fusion de billes de soudure du type connu sous la désignation "flip-chip", et autorisant un défaut de non planéité des composants. L'invention concerne également un procédé d'hybridation utilisant ces composants.
Au sens de la présente invention, on entend par composant, soit un composant électronique tel que, par exemple, une puce électronique, un support de circuit électronique ou un support de circuit optoélectronique, soit un composant mécanique tel que, par exemple, un capot ou un capteur de grandeurs physiques.
L'invention trouve des applications notamment dans les domaines de l'électronique et de l'optique.
L'invention peut être utilisée à titre d'exemple dans la fabrication de rétines pour la détection d'ondes électromagnétiques, pour l'hybridation, sur des circuits d'adressage, de matrices de lasers à cavité verticale à émission par la surface, ou encore pour l'hybridation de détecteurs optiques sur des circuits de lecture.
Etat de la technique antérieure
On distingue principalement deux techniques d'hybridation de composants par billes de soudure.
Une première technique, désignée par "technique d'hybridation par fusion", fait appel à des billes de matériau fusible tel qu'un alliage d'étain et de plomb SnPb ou d'étain et d'indium SnIn, par exemple. On peut se reporter au sujet de l'hybridation par fusion aux documents (1), (2) et (3), par exemple, dont les références sont indiquées à la fin de la présente description. La technique d'hybridation par fusion est également illustrée par le dessin des figures 1 et2 annexées.
Sur ces figures, les références 10 et 12 désignent respectivement un premier et un deuxième composants à interconnecter. Le premier composant 10 comporte des premiers plots 14a en un matériau mouillable par le matériau des billes de soudure. Les plots 14a sont entourés respectivement par une plage 16a de matériau non mouillable par le matériau des billes. Pour des raisons de simplification, seules deux billes d'interconnexion sont représentées sur les figures 1 et 2. Les composants peuvent cependant être équipés d'un grand nombre de billes.
De la même façon, le deuxième composant 12 comporte des deuxièmes plots 14b, également en un matériau mouillable par le matériau des billes, et entourées par une plage 16b de matériau non mouillable.
Les premiers et deuxièmes plots 14a, 14b sont associés pour former des paires de plots. Les plots de chaque paire de plots sont disposés sensiblement face à face lorsque les composants à hybrider 10, 12 sont reportés l'un sur l'autre avec leurs faces d'hybridation en regard, comme le montre la figure 1.
Les plots 14a de l'un des composants, en l'occurrence du composant 10, sont équipés de billes 18 de matériau fusible. Ces billes 18 sont destinées à créer un lien mécanique et/ou électrique entre les plots 14a, 14b de chaque paire de plots.
Pour effectuer une hybridation, le composant 12 est reporté sur le composant 10 de manière à mettre en contact les plots 14b sur les billes 18 correspondantes. L'ensemble de la structure est ensuite porté à une température d'hybridation, supérieure ou égale à la température de fusion des billes, pour provoquer le soudage des billes 18 sur les plots 14b.
Toutes les billes 18 sont ainsi soudées simultanément sur les plots du composant 12 qui leurs correspondent. Après refroidissement, on obtient la structure de la figure 2.
La précision du positionnement mutuel des composants lors du report du composant 10 sur le composant 12 n'est pas très critique. En effet, lors de la fusion du matériau des billes, les composants 10 et 12 s'alignent automatiquement sous l'effet de la tension superficielle du matériau des billes fondu.
Comme indiqué précédemment, grâce au procédé d'hybridation par fusion, toutes les soudures entre les billes et les plots de réception sont réalisées simultanément. Le procédé d'hybridation par fusion est ainsi particulièrement adapté à l'hybridation d'une pluralité de composants, tels que des puces, sur un composant de réception formant un substrat. Un rendement d'hybridation élevé peut être obtenu pour ces structures.
Les figures 1 et 2 illustrent la technique d'hybridation par fusion dans le cas idéal où les premier et deuxième composants sont parfaitement plans. Dans la description qui précède, il n'est en effet pas tenu compte de défauts de planéité qui apparaissent fréquemment sur les composants. Ces défauts de planéité se traduisent généralement par une flèche et sont particulièrement sensibles sur des composants de grande taille.
Cette situation est illustrée à la figure 3.
Un premier composant 110 présente une face d'hybridation 111 sensiblement plane, équipée de plots de réception de billes 120a, 122a, 124a, 126a, garnie de billes de matériau fusibles 120b, 122b, 124b, 126b. Un deuxième composant 112 présente une face d'hybridation 113 équipée de plots de réception de billes 120c, 122c, 124c, 126c.
Le deuxième composant n'est pas parfaitement plan mais présente une courbure de flèche f indiquée sur la figure.
La flèche est mesurée entre un plan 130 passant sensiblement par la base du plot 124c, c'est-à-dire par le sommet de la courbure du composant, et un plan 132 parallèle au plan 130 et passant par le plot de réception le plus distant du plan 130 qui est, dans le cas de l'exemple de la figure, le plot 126c.
Sur la figure 3, on désigne également par hb la hauteur des billes non encore soudées sur les plots de réception du composant 112. La hauteur hb est mesurée à partir de la surface d'hybridation 111. On désigne enfin par hl la distance séparant le plan 130 de la surface 111 après hybridation des composants 110 et 112. La distance h1 est désignée dans la suite de la description par "hauteur d'hybridation".
On note sur la figure 3 l'absence de connexion entre les plots 120c, 126c et les billes 120b, 126b qui leurs correspondent. Ce défaut est dû à une flèche mécanique trop importante du composant 112.
Dès que les billes 122b, 124b sont soudées sur les plots de réception 122c et 124c, la hauteur d'hybridation h1 au point le plus bas du composant 112, c'est-à-dire au point le plus proche de la surface dthybridation 111 du composant 110, est définie.
Un plot de réception du composant 112 ne vient pas en contact avec la bille de soudure qui lui correspond, si la distance F qui le sépare du plan 130 est telle que hl+f > hb, c'est-à-dire f > hb-hl.
Ceci est le cas pour les plots 120c et 126c.
La hauteur de des billes de soudure est facilement calculable à partir du volume de matériau fusible constituant les billes et la surface mouillable des plots de réception 120a, 122a, 124a et 126a (sphère tronquée par un disque). De la même façon, la hauteur hl est également calculable en tenant compte du volume de matériau fusible des billes et des surfaces mouillables des plots de réception de chaque composant (sphère tronquée par deux disques).
En considérant que le volume de matériau fusible est sensiblement le même pour toutes les billes, il est possible de déterminer ainsi la flèche F maximale admissible avant que des défauts de connexion de billes n apparaissent.
On a en effet F=hb-hl.
il apparaît immédiatement que le problème posé va en s'accentuant lorsque la dimension des billes, et donc leur hauteur hb est petite. Le problème est aussi accentué pour l'hybridation de composants de grande dimension pour lesquels la flèche est naturellement plus importante.
A titre d'exemple pour une hybridation d'un composant avec une répartition matricielle des billes avec un pas de 25 um, les billes peuvent présenter une épaisseur de 10 um entre les plots de réception de chaque composant (après hybridation) et un diamètre de 15 um.
Lorsque, avant hybridation, ces billes équipent des plots de réception d'un premier composant qui présentent un diamètre de 12 um, la hauteur hb des billes non connectées est hb=12,6um. La hauteur d'hybridation hl est, pour ces mêmes données, telle que : h1=10,4 um.
Ainsi, la flèche maximale acceptable F est de 12,6-10,4=2,2 pm. Des composants avec une flèche inférieure à une telle flèche maximale sont généralement de petite taille. Toutefois, si les composants sont de taille plus importante, par exemple des composants de 2 cm de côté, une tolérance de flèche de 2,2 um devient inacceptable. En effet, pour satisfaire à de telles tolérances de flèche, le prix de l'aplanissement des composants devient prohibitif.
Il est possible de trouver une solution au moins partielle au problème de la planéité des composants en utilisant une deuxième technique d'hybridation désignée par "technique d'hybridation par pression".
Selon cette technique on part d'une structure comparable à la structure représentée à la figure 1. Le composant 12 est reporté sur le composant 10 en faisant coïncider très précisément les plots 14b avec les billes 18. Puis, en exerçant des forces adaptées sur les composants 10 et 12 les billes 18 sont pressées fermement contre les plots 14b pour réaliser une liaison par thermocompression.
Cette opération a lieu à une température inférieure à la température de fusion du matériau des billes.
Lors d'une hybridation par pression une nonplanéité de la surface des composants peut etre compensée en contrôlant la hauteur d'hybridation. La hauteur d'hybridation est contrôlée notamment en écrasant plus ou moins les billes. Pour un composant présentant un défaut de planéité, les billes voisines du sommet de la courbure du défaut de planéité sont écrasées jusqu'à ce que les billes les plus éloignées soient appliquées - sur les plots de réception qui leur correspondent.
Toutefois, la technique d'hybridation par pression présente, par rapport à la technique d'hybridation par fusion un certain nombre de désavantages.
Par exemple, pour l'hybridation par pression l'alignement des composants à hybrider doit être effectué avec une très grande précision. En effet, le phénomène d'auto-alignement, existant pour l'hybridation par fusion, ne se produit pas à des températures inférieures à la température de fusion du matériau des billes.
De plus, contrairement à l'hybridation par fusion, l'hybridation par pression est inadaptée pour la connexion simultanée de nombreux composants au cours d'une même opération. Les rendements de fabrication sont plus faibles.
Un but de la présente invention est de proposer un système de composants à hybrider pouvant être hybridés selon la technique d'hybridation par fusion et autorisant un défaut de planéité des composants.
Un but est en particulier de permettre l'hybridation de composants de grande taille avec des billes de dimensions réduites en autorisant une plus grande tolérance de flèche des composants.
Un but de l'invention est aussi de proposer un procédé fiable d'hybridation pour des composants avec un défaut de planéité.
Exposé de l'invention
Pour atteindre les buts mentionnés ci-dessus, l'invention a plus précisément pour objet un système de composants à hybrider comprenant un premier composant présentant une face d'hybridation avec des premiers plots de réception de billes de matériau fusible équipés respectivement de billes de matériau fusible, et au moins un deuxième composant présentant une face d'hybridation avec des deuxièmes plots de réception de billes, les premiers et deuxièmes plots de réception de billes étant respectivement associés en paires de plots et disposés en des emplacements tels sur les premier et deuxième composants que chaque deuxième plot d'une paire de plots soit situé sensiblement en face du premier plot de la paire de plots lorsque les premier et deuxième composants sont assemblés avec les faces d'hybridation en regard, caractérisé en ce que le deuxième plot de chaque paire de plots présente une aire supérieure à l'aire du premier plot de la paire de plots.
Au sens de la présente invention, l'aire des premiers et deuxièmes plots de réception des billes est comprise comme l'aire de la surface mouillable qu'offrent ces plots pour la réception des billes.
Comme l'aire de la surface mouillable des deuxièmes plots est plus grande que celle des premiers plots, la hauteur d'hybridation telle que définie précédemment est réduite. Toutefois, pour un volume de matériau fusible donné, la hauteur des billes avant soudure reste importante parce que ces billes sont formées sur des premiers plots avec une aire plus petite. La combinaison de ces deux effets autorise une plus grande flèche ou un défaut de planéité plus important des composants.
Les dimensions des plots de chaque composant peuvent être uniformes ou non. Ainsi, il est possible de prévoir des premiers plots de différente taille tout en respectant la condition que chaque deuxième plot présente une aire supérieure à l'aire du premier plot qui lui correspond.
Dans le cas où des premiers plots de différentes tailles sont prévus sur le premier composant, le volume des billes soudées sur ces plots est ajusté en fonction de l'aire respective des premiers et deuxièmes plots pour que la hauteur après hybridation de ces billes soit sensiblement uniforme.
Toutefois, selon un aspect avantageux de l'invention, les dimensions des plots de chaque composant peut être choisie uniforme. Ainsi, chacun des premiers plots présente sensiblement une même aire dite première aire et chacun des deuxièmes plots présente sensiblement une même aire dite deuxième aire, la deuxième aire étant supérieure à la première aire. Dans ce cas, chaque bille de matériau fusible présente chacune sensiblement un même volume.
L'invention concerne également un procédé d'hybridation par billes de soudure d'un premier et d'un second composant. Ce procédé comprend les étapes suivantes a) réalisation de premiers plots de réception équipés de
billes de matériau fusible sur un premier composant, b) réalisation de deuxièmes plots de réception sur un
deuxième composant, les premiers et deuxièmes plots de
réception étant associés en paires de plots et disposés
en des emplacements tels sur les premier et deuxième
composants que chaque deuxième plot d'une paire de
plots soit situé sensiblement en face du premier plot
de la paire de plots lors d'un assemblage des premier
et deuxième composants, c) assemblage des composants pour mettre les deuxièmes
plots en contact avec les billes des premiers plots
correspondants et chauffage des composants à une
température d'hybridation pour souder les billes sur
les deuxièmes plots, d) refroidissement des composants ainsishybridés.
Conformément à l'invention, lors de l'étape b), on réalise chaque deuxième plot de réception de chaque paire de plots avec aire de réception des billes supérieure à une aire de réception des billes du premier plot de la paire de plots.
On entend par température d'hybridation une température supérieure ou égale à la température de fusion du matériau des billes.
Les plots de réception des billes sont réalisés en un matériau mouillable par le matériau des billes, ou recouverts par un tel matériau mouillable. Les plots sont fabriqués selon des techniques usuelles de microélectronique, par exemple par la formation d'une ou plusieurs couches de matériau puis par la mise en forme de ces couches par gravure, selon un masque, pour définir les plots.
Les billes de matériau fusible sont également formées sur les premiers plots conformément à des techniques connues en soi.
A titre d'exemple, la surface d'hybridation du premier composant est recouverte d'une couche de résine dans laquelle des ouvertures sont pratiquées à l'aplomb des plots de réception. Le matériau des billes est alors formé, dans ces ouvertures par électrolyse par exemple, sur les plots. Puis, après élimination de la couche résine, les billes sont mises en forme en chauffant le matériau.
Conformément à l'invention, les premiers plots sont nécessairement équipés des billes avant l'hybridation.
Toutefois, de façon accessoire, les deuxièmes plots du deuxième composant peuvent également être équipés de billes.
Finalement, le procédé d'hybrdation conforme à l'invention permet non seulement de bénéficier de l'avantage de l'auto-alignement des composants lorsque le matériau des billes est en fusion mais autorise aussi une plus grande tolérance sur la planéité des composants.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés, donnée à titre purement illustratif et non limitatif.
Brève description des figures
- la figure 1, déjà décrite, est une coupe schématique d'un système de composants à hybrider illustrant des techniques connues d'hybridation,
- la figure 2, déjà décrite, est une coupe schématique du système de composants de la figure 1 après hybridation,
- la figure 3, déjà décrite, est une coupe schématique d'un système de composants à hybrider dont l'un des composants présente un défaut de planéité,
- Les figures 4A , 4B et 4C montrent respectivement une bille de soudure avant hybridation, une bille de soudure, après hybridation, dans un système de composants conforme à l'état de la technique, et une bille de soudure, après hybridation, dans un système de composants conforme à l'invention,
- la figure 5 est un graphique indiquant en ordonnée la flèche maximale admissible pour différents diamètres de plots de réception des billes reportés en abscisse, pour un système de composants conforme à la présente invention.
Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention
Comme indiqué précédemment, le deuxième plot de chaque paire de plots, c'est-à-dire le plot solidaire du composant non équipé de billes, présente une aire supérieure à l'aire du premier plot, équipé d'une bille de matériau fusible.
L' avantage que- procure cette caractéristique en termes de tolérance de flèche pour les composants à hybrider apparaît en comparant les figures 4A, 4B et 4C.
La figure 4A représente une coupe partielle d'un composant 210, muni d'un premier plot de réception de bille 214a avec une surface d'aire S1 et équipé d'une bille 214b.
La bille présente un volume V prédéterminé et sa hauteur avant hybridation est notée hb.
La figure 4B montre une coupe partielle d'un système de composants 210 et 212 respectivement munis de plots de réception de billes 214a et 214c, en forme de disque, et reliés par une bille de matériau fusible 214b.
La figure 4B peut être considérée comme illustrant la structure obtenue en hybridant le composant de la figure 4A équipé de la bille, avec le deuxième composant 212.
La bille 214b qui présente également un volume V est soudée respectivement sur les plots 214a et 214c qui présentent une surface ayant sensiblement la même aire S1.
Ceci correspond à une situation classique. La hauteur d'hybridation mesurée sur les faces d'hybridation en regard des composants 210 et 212 est désignée par h1 sur la figure 4B.
De la façon expliquée précédemment, la flèche maximale admissible dans ce cas est F1=hb-hl.
La figure 4C montre une coupe partielle d'un système de composants 210, 212 réalisés conformément à l'invention.
De même que sur les figures précédentes le composant 210 est relié au composant 212 par une bille 214b de matériau fusible. La bille de matériau fusible est, comme dans les figures 4A et 4B, soudée sur un plot de réception 214a, formé sur la surface d'hybridation 211 du composant 210 et présentant une aire S1. La bille a un volume de matériau fusible égal à V.
Cependant, le composant 212 présente sur sa surface d'hybridation 213 un plot de réception de la bille, référencé 215, qui présente une surface avec une aire S2 supérieure à l'aire S1.
Ainsi, la figure 4C peut être considérée comme illustrant la structure obtenue en hybridant le composant de la figure 4A, équipé d'une bille de matériau fusible, avec un composant 212, équipé d'un plot de réception de la bille avec une surface mouillable dont l'aire S2 est supérieure à l'aire S1.
En comparant les figures 4B et 4C, on constate que la hauteur d'hybridation h2 de la structure de la figure 4C est inférieure à la hauteur d'hybridation hl de la structure de la figure 4B.
Avec un système de composants conforme à l'invention, une flèche maximale admissible est donc F2=hb-h2.
Or, pour un même volume de matériau fusible des billes, c'est-à-dire pour une même hauteur de bille hb avant soudure, comme la hauteur d'hybridation est plus faible (h2 < h1), la flèche maximale admissible est donc plus grande (F2 > F1).
Il convient de préciser que, bien que la description se limite à une seule paire de plots et une seule bille, un système de composants conforme à l'invention peut être équipé d'une pluralité de paires de plots et de billes. Par ailleurs, l'invention s'applique aussi à l'hybridation d'une pluralité de deuxièmes composants sur un unique premier composant.
Le graphique de la figure 5 permet de mieux se rendre compte de l'augmentation de la tolérance de flèche maximale avec un système de composants conforme à l'invention.
Les valeurs de ce graphique sont obtenues en interconnectant des premiers composants munis de billes de volume identique, disposées sur des premiers plots de réception identiques, avec des deuxièmes composants. Les deuxièmes composants sont équipés de plots de réception dont les aires sont supérieures ou égales à celles des premiers plots.
Les diamètres des deuxièmes plots, en forme de disque, est reportée en abscisse et indiquée en um et la tolérance de flèche maximale admissible (F) est reportée en ordonnée et indiquée en pm également.
Les valeurs du graphique de la figure 5 sont obtenues avec des premiers composants équipés de plots en forme de disque avec un diamètre unique égal à 12 um.
Le volume de matériau fusible des billes est maintenu identique de telle façon que les billes soudées sur les premiers plots présentent toutes une hauteur hb, avant hybridation, sensiblement égale à 10um et présentent un diamètre de 15 um parallèlement à la surface d'hybridation.
Le premier point de mesure du graphique correspond à une structure conforme à l'art antérieur où le deuxième plot de réception du deuxième composant présente un diamètre égal à celui du premier plot, en l'occurrence 12,ut. La flèche maximale admissible est alors de 2,2 ,um.
Lorsque le diamètre de la surface mouillable du deuxième plot de réception 215 est de 19,2 um, qui reste une valeur compatible avec un pas des billes de 25 um dans un réseau de billes de type matriciel, la flèche maximale admissible est augmentée de 2,2 um à 5 um.
Une tolérance -de flèche de 5 um permet alors d'envisager l'hybridation par fusion pour des composants de grande taille. Cette tolérance de planéité est en effet compatible avec une production en série des composants.
De façon générale, il apparaît que la deuxième aire
S2 est de préférence supérieure à la première aire S1 d'une quantité au moins égale à 10% de la première aire.
DOCUMENTS CITES DANS LA DESCRIPTION (1)
EP-A-O 248 566 (2)
DE-A-3 042 085 (3)
GB-A-2 194 387

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Système de composants à hybrider comprenant un premier composant (210) présentant une face d'hybridation (211) avec des premiers plots (214a) de réception de billes de matériau fusible, équipés de billes de matériau fusible (214b), et au moins un-deuxième composant (212) présentant une face d'hybridation (213) avec des deuxièmes plots de réception de billes (215), les premiers et deuxièmes plots de réception de billes étant respectivement associés en paires de plots et disposés en des emplacements tels, sur les premier et deuxième composants, que chaque deuxième plot d'une paire de plots soit situé sensiblement en face du premier plot de la paire de plots lorsque les premier et deuxième composants sont assemblés avec les faces d'hybridation en regard, caractérisé en ce que le deuxième plot (215) de chaque paire de plots présente une aire supérieure à l'aire du premier plot (214a) de la paire de plots.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des premiers plots (214a) présente sensiblement une même aire dite première aire et chacun des deuxièmes plots (215) présente sensiblement une même aire dite deuxième aire, la deuxième aire étant supérieure à la première aire, et les billes de matériau fusible présentant chacune sensiblement un même volume.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième aire est supérieure à la première aire d'une quantité au moins égale à 10% de la première aire.
4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premiers et deuxièmes plots présentent une forme de disque.
5. Procédé d'hybridation par billes de soudure d'un premier et d'un second composant comprenant les étapes suivantes a) réalisation de plots de réception (214a), équipés de
billes (214b) de matériau fusible, sur un premier
composant (210), b) réalisation de deuxièmes plots de réception sur un
deuxième composant (212), les premiers et deuxièmes
plots de réception étant associés en paires de plots et
disposés en des emplacements tels, sur les premier et
deuxième composants, que chaque deuxième plot d'une
paire de plots. soit situé sensiblement en face du
premier plot de la paire de plots, lors d'un assemblage
des premier et deuxième composants, c) assemblage des composants pour mettre les deuxièmes
plots (215) en contact avec les billes < 214b) des
premiers plots (214a) correspondants, et chauffage des
composants à une température d'hybridation pour souder
les billes sur les deuxièmes plots, d) refroidissement des composants ainsi hybridés, caractérisé en ce que lors de l'étape b) on réalise chaque deuxième plot de réception (215) de chaque paire de plots avec aire de réception des billes supérieure à une aire de réception des billes du premier plot (214a) de la paire de plots.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2694841A1 (fr) * 1992-08-14 1994-02-18 Commissariat Energie Atomique Procédé d'hybridation et de positionnement d'un composant opto-électronique et application de ce procédé au positionnement de ce composant par rapport à un guide optique intégré.
US5489750A (en) * 1993-03-11 1996-02-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method of mounting an electronic part with bumps on a circuit board

Patent Citations (2)

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