FR2789225A1 - Circuit integre de type montable en surface - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un circuit intégré (40) de type montable en surface, comportant un boîtier ayant une face arrière et un réseau de broches de connexion (42) s'étendant sous la face arrière perpendiculairement à celle-ci. Une bille d'alliage (44) à bas point de fusion est soudée à l'extrémité de chaque broche (42) en entourant cette extrémité.L'invention concerne aussi un procédé de fabrication du circuit intégré. A cet effet on procède à la fabrication d'un circuit intégré de type montable en surface comprenant d'abord la fabrication d'un boîtier ayant une face arrière et un réseau de broches de connexion s'étendant sous cette face arrière perpendiculairement à celle-ci, et l'on forme ensuite à l'extrémité de chaque broche une bille d'alliage à bas point de fusion entourant cette extrémité et soudée à celle-ci. Applications : circuits intégrés pour montage en surface.

Description

CIRCUIT INTEGRE
DE TYPE MONTABLE EN SURFACE
L'invention concerne un circuit intégré pour montage en surface des cartes électroniques. Plus précisément l'invention concerne les connexions électriques du boîtier avec le circuit imprimé de la carte électronique. La complexité croissante des circuits électroniques intégrés, ainsi que l'augmentation du nombre de semi-conducteurs pouvant être intégrés dans une même puce conduisent à une augmentation du nombre et de la densité de connexions de sorties des circuits intégrés. Les technologies de connexion en surface des circuits intégrés n'ont cessé d'évoluer dans ce sens. Certains boîtiers des circuits intégrés de l'état de l'art comportent des rangées de pattes disposées selon un pas régulier, perpendiculairement aux bords du circuit intégré, I'extrémité de chacune des pattes étant pliée à par rapport à une face arrière du circuit intégré. Cette face arrière faisant face à une face de montage de la carte électronique sur laquelle le circuit intégré sera soudé. Le pliage des pattes à 90 permet leur soudure sur la face de montage de la carte. Ce type de connectique appelée couramment par la dénomination anglaise de " Dual in line " comporte l'inconvénient d'être encombrante et ne permet que des réalisations des
boîtiers avec un nombre de sorties limité.
Les connexions utilisant un réseau de broches, ou technologies de connexion connues sous dénomination anglaise de " Pin Grid Array " ou PGA, sont utilisées depuis longtemps dans la micro-électronique. La face arrière du boîtier du circuit intégré réalisé dans cette technologie PGA est équipée du réseau de broches situées sous cette face arrière et perpendiculaires à cette face. Dans cette technologie de connexion, les broches doivent d'être insérées dans la carte électronique d'o une perte
importante de place.
Dans la technologie de circuits intégrés pour montage en surface (CMS), des pattes repliées sur les bords du boîtier du circuit intégré sont
soudées sur le circuit imprimé.
Dans les dernières générations des boîtiers des circuits intégrés, la connexion entre le circuit intégré et le circuit imprimé est réalisée par une matrice à billes en alliage plomb/étain. Cette technologie, connue sous la dénomination anglaise de " Ball Grid Array " ou BGA, permet une connectique très dense et plus courte verticalement, raccourcissant ainsi la longueur des connexions entre le circuit intégré et la carte électronique. Un des avantages de cette technologie est son meilleur comportement en fréquence. A l'origine, la technologie BGA s'est développée pour obtenir un l0 nombre important de broches de sortie sur les boîtiers avec un faible encombrement, mais de nos jours cette technologie est utilisée même pour des petites puces à faible nombre de sorties (par exemple, mémoires de 40 broches). La figure 1 représente une vue partielle en coupe d'un boîtier en céramique 10 d'un circuit intégré comportant une puce 12 reportée sur le boîtier. La figure 1 montre le détail d'une des connexions de sortie du boîtier
utilisant une connectique de type matrice à billes ou BGA.
Dans cet exemple de la figure 1, la puce 12 est retournée de façon à présenter ses accès électriques situés sur sa face active, face au substrat d'interconnexion du boîtier 10, afin d'être soudée directement sur le substrat du boîtier. Dans d'autres réalisations, la puce (non retournée) peut
être soudée sur le boîtier par des connexions filaires.
La puce 12 est connectée par des soudures 14 à une connectique interne 16 du boîtier 10. La connectique interne 16 est reliée à l'extérieur du boîtier, par l'intermédiaire des plages métalliques 18 situées du coté d'une face arrière 19 du boîtier 10. Des billes 20 en alliage plomb/étain, destinées à être soudées sur le circuit imprimé (non représenté sur la figure) son
soudées sur les plages métalliques 18.
Ce type de connectique BGA de la figure 1 présente des inconvénients importants. En effet lorsque les substrats du boîtier et celui de la carte sur laquelle est reporté le boîtier ont des coefficients de dilatation différents, par exemple boîtier en céramique et carte en résine époxy, la dilatation différentielle entre ces deux substrats, lors des variations de température, provoque des cassures des billes 20 de soudure. La hauteur des billes en alliage plomb/étain ne suffit pas à pallier ce problème et les
soudures cassent relativement rapidement suivant les cycles thermiques.
Les cassures des billes de soudure peuvent se produire d'une part, au moment de la soudure du boîtier sur la carte électronique par le choc thermique qui se produit lors de la fusion de la bille 20 puis son refroidissement relativement rapide, et d'autre part en cours de fonctionnement du circuit intégré lors des variations de la température ambiante. Cette variation de la température ambiante pouvant être très importante et rapide (-55 C à +150 C) dans le cas des applications
militaires.
Un autre inconvénient de cette technologie de connexion de type matrice à billes ou BGA est que le boîtier est difficilement récupérable pour
remplacer un composant coûteux en cas de panne.
Les fabricants de boîtiers proposent des solutions pour éviter les
cassures des billes de soudure des boîtiers soudés sur une carte.
La figure 2 montre une parmi ces solutions consistant à utiliser un interposeur 22 constitué essentiellement d'une plaque en céramique 24 comportant des trous 26 disposés selon la même distribution que celle des
plages métalliques 18 des connexions du boîtier.
Avant montage de 'interposeur 22 sur le boîtier, une bille de forme allongée 28 de soudure est réalisée dans chacun des trous 26, les
billes 28 dépassant de part et d'autre de la plaque de céramique 24.
La plaque de céramique comportant les billes allongées 28 est
disposée du coté d'une de ses faces, sous la face arrière 19 du boîtier 10.
Les extrémités des billes, dépassant des trous d'un même côté de la plaque en céramique, sont soudées sur les plages métalliques 18 respectives des
connexions du boîtier.
Les autres extrémités des billes, dépassant de l'autre côté de la plaque de céramique, destinées à être soudées sur une carte électronique, sont de hauteur plus grande que les extrémités des billes soudées sur le boîtier. Les contraintes thermiques s'exerçant sur les billes du boîtier équipé de l'interposeur une fois soudé sur la carte, se trouvent ainsi réparties sur la
périphérie de la bille.
Dans le cas o l'on souhaite obtenir une hauteur de billes plus importante sous forme de colonne, afin de supporter des contraintes
thermiques plus importantes, il est nécessaire d'utiliser un moule adapté.
Une autre solution pour éviter la cassure des billes de soudure, est représentée par la figure 3. Un boîtier 30 est creusé de cavités 32 semisphériques au niveau des points de connexions du boîtier. Dans chacune des cavités 32 recouvertes d'une couche de métal 34, est insérée une bille sphérique 36 de soudure. Dans ce type de connexion avec cavité, les contraintes thermiques lo sont réparties sur une plus grande surface sans utiliser un interposeur
nécessitant un moule pour sa réalisation.
Dans le cas des boîtiers en céramique, les billes utilisées pour la soudure sont réalisées habituellement dans un alliage comportant 93% de plomb et 7% d'étain ne présentant pas une bonne mouillabilité. Dans le cas
des boîtiers en plastique, I'alliage comporte 63% de plomb et 37% d'étain.
On ne pourrait pas utiliser un alliage comportant 63% de plomb et 37% d'étain dans le cas des boîtiers en céramique car cela conduirait à un écrasement trop important des billes lors de la soudure du boîtier sur la carte. Les solutions actuelles au problème de cassure des soudures ne sont pas satisfaisantes en terme de coût et de performances. En particulier l'interposeur est une solution coûteuse. L'utilisation des colonnes limite le problème de cassure des billes mais cette solution, dans des applications
militaires, reste néanmoins techniquement insuffisante.
Afin de pallier les problèmes de connexion des boîtiers des circuits intégrés de l'art antérieur, l'invention propose un circuit intégré de type montable en surface, comportant un boîtier ayant une face arrière et un réseau de broches de connexion s'étendant sous la face arrière perpendiculairement à celle-ci, caractérisé en ce que une bille d'alliage à bas point de fusion est soudée à l'extrémité de chaque broche en entourant
cette extrémité.
Dans certaines réalisations du circuit intégré selon l'invention, la longueur d'extrémité de broche entourée par la bille est sensiblement égale au diamètre de la bille. Il en découle des réalisations particulières telles que dans une première réalisation, la longueur d'extrémité de broche entourée par la bille est égale à la longueur de broche dépassant de la face arrière du boîtier et dans une deuxième réalisation particulière, la longueur de broche
dépassant de la face arrière du boîtier est supérieure au diamètre de la bille.
Dans d'autres réalisations du circuit intégré selon l'invention, la longueur d'extrémité de broche entourée par la bille est inférieure au
diamètre de la bille.
L'invention est applicable à des circuits intégrés réalisés avec des
boîtiers soit en céramique soit en plastique.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un circuit o intégré de type montable en surface comprenant d'abord la fabrication d'un boîtier ayant une face arrière et un réseau de broches de connexion s'étendant sous cette face arrière perpendiculairement à celle-ci, caractérisé en ce que l'on forme ensuite à l'extrémité de chaque broche une bille
d'alliage à bas point de fusion entourant cette extrémité et soudée à celle-ci.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à la lecture de la description détaiJlée qui en est faite en référence aux
dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente une vue partielle en coupe
d'un boîtier en céramique de l'art antérieur.
- la figure 2, déjà décrite, montre une vue en coupe du boîtier de
la figure I utilisant un interposeur.
- la figure 3, déjà décrite, montre une vue en coupe d'un boîtier de l'art antérieur comportant des billes de soudure disposées dans des
cavités du boîtier.
- la figure 4, représente un circuit intégré selon l'invention
comportant des broches avec des billes de soudure.
- les figures 5a, 5b, 5c et 5d représentent des vues détaillées de
différentes réalisations de broches du circuit intégré selon l'invention.
- la figure 6, montre une vue de détail d'une broche du circuit
intégré de la figure 4 soudée sur une carte électronique.
- les figures 7, 8 et 9 montrent différentes étapes de fabrication du
circuit intégré selon l'invention.
La figure 4 montre un circuit intégré 40 selon l'invention comportant des broches de connexion 42, chacune des broches ayant à son extrémité une bille 44 de soudure entourant cette extrémité. Les broches sont réalisées en ferronickel nickelé puis doré dans le cas des boîtiers
céramiques et en Kovar pour les boîtiers plastique.
Le circuit intégré 40 peut être réalisé selon différentes configurations de longueur de broches et de positionnement des billes aux extrémités des broches. Les figures 5a à 5d montrent le détail d'une des
broches du circuit intégré selon différentes configurations.
La figure 5a montre le détail d'une des broches d'une réalisation du circuit intégré 40 équipé de broches de longueur Lb plus grande que le diamètre de la bille 44 soudée à son extrémité. Si l'on considère la partie de la broche Le entourée par la bille, que nous appellerons par la suite extrémité de broche, dans la réalisation de la figure 5a, la longueur de l'extrémité de broche est sensiblement identique au diamètre D de la bille 44. Cette réalisation comporte l'avantage de ne pas produire l'écrasement des billes de soudure au moment de leur fusion, lors du report du circuit intégré sur la carte. En effet, les billes sont armées par leurs broches respectives qui les traversent sur la totalité de leur diamètre D. Dans une autre réalisation, le circuit intégré est équipé de broches courtes 46, dont la longueur est sensiblement égale au diamètre de la bille 44 de soudure, la bille entourant la totalité de la broche. La figure 5b représente une vue d'une des broches d'un tel circuit intégré. Cette configuration avec des broches courtes, permet de souder le boîtier très près du circuit imprimé de la carte tout en évitant un écrasement de la bille de soudure par le poids du circuit intégré lors de son report sur la carte électronique, la bille étant armée, comme dans le cas de la réalisation de la figure 5a, sur la totalité de son diamètre D. Dans d'autres réalisations du circuit intégré la longueur d'extrémité de broche Le, entourée par la bille 44, est inférieure au diamètre
de la bille.
La figure 5c montre le détail d'une autre configuration de la broche 42 de la figure 5a, dans laquelle la longueur d'extrémité de broche
Le entourée par la bille 44 est inférieure au diamètre D de la bille.
La figure 5d montre le détail d'une broche courte 48 dans une configuration différente de celle de la figure 5b. Dans la configuration de la figure 5d, la longueur Lb de la broche est inférieure au diamètre D de la
bille, la totalité de la broche 48 étant entourée par la bille 44.
Les billes 44 des différentes configurations des broches, peuvent être réalisées dans un alliage comportant 63% de plomb et 37% d'étain qui ne présente que des avantages, à savoir: -point de fusion très bas; -mouillabilité;
-alliage identique à celui utilisé sur le circuit imprimé.
La figure 6 montre le détail de la broche 42 de la figure 5a après soudure du circuit intégré 40 sur une carte électronique 50 ayant des métallisations de report 52. Les métallisations comportent sur leur surface l0 de la soudure 54 dans un alliage ayant généralement 63% de plomb et 37% d'étain. Dans les réalisations des figures 5a et 5b, au moment du report du circuit intégré sur la carte, la soudure 54 située sur la métallisation 52 remonte vers l'extrémité de la broche 42. Il n'est pas par conséquent nécessaire d'écraser la bille de soudure 44 pour réaliser la soudure des
broches sur la carte.
Un autre avantage de cette invention réside dans le fait que même en cas de rupture de la soudure entre la broche et la métallisation de la carte, le contact électrique sera assuré par la broche en contact sur la métallisation. En effet la broche qui est brasée sur le boîtier en céramique
est une liaison très solide.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication du circuit intégré. Les figures 7, 8 et 9 montrent les principales phases du procédé Dans une première phase montrée à la figure 7, on procède à la fabrication d'un circuit intégré 60 de type montable en surface comprenant d'abord la fabrication d'un boîtier ayant une face arrière 62 et un réseau de broches 64 de connexion s'étendant sous cette face arrière
perpendiculairement à celle-ci.
La longueur et le diamètre des broches 64 seront choisis en fonction des contraintes de l'application et des exigences en matière de fiabilité. Suivant l'état de surface du circuit intégré 60 en technologie PGA on peut étamer ou tremper les extrémités des broches 64 dans du flux
ou tout autre composition chimique adaptée.
On remplit d'une crème à souder 66 formée à partir du matériau de l'alliage et des solvants, une plaque 68 à alvéoles, dont les alvéoles 70 se trouvent réparties sur la plaque avec la même distribution que les
broches 64 du boîtier du circuit intégré 60.
Dans une deuxième phase représentée à la figure 8, on insère les extrémités des broches 64 du réseau de broches du circuit intégré 60 dans les alvéoles 70 comportant la crème à souder 66, on chauffe l'ensemble du circuit intégré et de la plaque à alvéoles dans un four, à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage et on laisse refroidir
lo produisant la solidification de l'alliage, sous forme des billes de soudure.
Dans une troisième phase, représentée à la figure 9, on retire le circuit intégré 60 de la plaque à alvéoles 68, une bille 72 de soudure restant
soudée à l'extrémité de chaque broche 64 du circuit intégré.
La pâte à souder, formée par exemple à partir d'un matériau d'alliage comportant 63% de plomb et 37% d'étain, peut être réalisée à
partir de tout autre alliage adapté au report des composants en surface.
Cette technologie de mise en place des billes de soudure aux extrémités des broches est très bon marché et ne nécessite pas de machine
à positionner les billes préformées.
La plaque 66 à alvéoles est réalisée, soit en graphite soit en titane ou dans un autre type de matériau adapté à la refusion. La crème à
souder comporte habituellement 50% d'alliage plomb/étain et 50% de fluide.
En général, dans le procédé de fabrication, les extrémités des broches sont insérées dans la plaque à alvéoles jusqu'au fond des alvéoles, afin d'obtenir les broches des figures 5a et 5b, les billes de soudure entourant l'extrémité de broche sur une longueur sensiblement égale au
diamètre D de la bille.
Dans une variante du procédé de fabrication du circuit intégré on place des billes d'alliage calibrées dans une plaque à alvéoles, on fait fondre les billes, on insère les extrémités des broches dans les alvéoles, on fait refroidir et on sépare le boîtier de la plaque à alvéoles, une bille de
soudure restant soudée à l'extrémité de chaque broche.
Le procédé de fabrication, selon l'invention, transforme un circuit intégré ayant une connectique de type PGA en technologie BPGA soit en langue anglaise " Ball Pin Grid Array ". Une fois le circuit intégré réalisé, on le monte sur sa carte électronique selon le même procédé qu'un BGA classique. Le circuit intégré selon l'invention permet d'obtenir une grande densité de connexions tout en garantissant une meilleure fiabilité, la facilité de réparation du circuit et la possibilité d'évacuer des calories entre les
substrats connectés.

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Circuit intégré de type montable en surface, comportant un boîtier (10, 30) ayant une face arrière (19, 62) et un réseau de broches de connexion (42, 46, 48, 64) s'étendant sous la face arrière perpendiculairement à celle-ci, caractérisé en ce que une bille d'alliage (44, 72) à bas point de fusion est soudée à l'extrémité de chaque broche en
entourant cette extrémité.
2. Circuit intégré de type montable en surface, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'extrémité de broche Le entourée par la bille (44, 72) est sensiblement égale au diamètre D de la bille.
3. Circuit intégré de type montable en surface, selon l'une des
revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la longueur d'extrémité de
broche Le entourée par la bille (44) est égale à la longueur de broche Lb
dépassant de la face arrière (62) du boîtier.
4. Circuit intégré de type montable en surface, selon l'une des
revendications I ou 2, caractérisé en ce que la longueur de broche
dépassant de la face arrière du boîtier est supérieure au diamètre de la bille.
5. Circuit intégré de type montable en surface, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'extrémité de broche Le
entourée par la bille est inférieure au diamètre de la bille.
6. Circuit intégré de type montable en surface, selon l'une des
revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bille (44, 72) est un alliage en
plomb/étain.
7. Circuit intégré de type montable en surface, selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'alliage utilisé est un alliage couramment utilisé sur les cartes de circuit imprime, tel qu'un alliage
comportant 63% de plomb et 37% d'étain.
8. Circuit intégré de type montable en surface, selon l'une des
revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le boîtier est un boîtier de
céramique.
9. Circuit intégré de type montable en surface, selon l'une des
revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le boîtier est un boîtier plastique.
10. Procédé de fabrication d'un circuit intégré de type montable en surface comprenant d'abord la fabrication d'un boîtier ayant une face arrière (62) et un réseau de broches de connexion s'étendant sous cette face arrière perpendiculairement à celle-ci, caractérisé en ce que l'on forme ensuite à l'extrémité de chaque broche une bille (44, 72) d'alliage à bas
point de fusion entourant cette extrémité et soudée à celle-ci.
11. Procédé de fabrication d'un circuit intégré de type montable en surface selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on remplit d'une crème à souder (66), formée à partir du matériau de l'alliage, une plaque (68) à alvéoles dont les alvéoles (70) se trouvent réparties avec la même distribution que les broches (64) du boîtier du circuit intégré (60), on insère les extrémités des broches (64) du réseau de broches du circuit intégré (60) dans les alvéoles (70) comportant la crème à souder (66), on chauffe l'ensemble du circuit intégré et de la plaque à alvéoles à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage, on laisse refroidir et on retire le circuit intégré (60) de la plaque à alvéoles (68), une bille (72) de soudure restant soudée à l'extrémité de chaque broche (64) du circuit intégré.
12. Procédé de fabrication d'un circuit intégré de type montable en surface selon la revendication 11, caractérisé en ce que les extrémités des broches (64) sont insérées dans la plaque à alvéoles (68) jusqu'au fond
des alvéoles (70).
13. Procédé de fabrication d'un circuit intégré de type montable en surface selon la revendication 10 caractérisé en ce que on place des billes d'alliage calibrées dans une plaque à alvéoles, on fait fondre les billes, on insère les extrémités des broches dans les alvéoles, on fait refroidir et on sépare le boîtier de la plaque à alvéoles, une bille de soudure restant
soudée à l'extrémité de chaque broche.
14. Procédé de fabrication d'un circuit intégré de type montable
en surface selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la
plaque (68) à alvéoles est réalisée, soit en graphite soit en titane, soit dans
un autre type de matériau adapté à la refusion.
15. Procédé de fabrication d'un circuit intégré de type montable
en surface selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que la
crème à souder comporte 50% d'alliage plomb/étain et 50% de fluide.
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