FR2964791A1 - Composant electronique comprenant un via conducteur realisant une fonction de dissipation thermique - Google Patents

Composant electronique comprenant un via conducteur realisant une fonction de dissipation thermique Download PDF

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conductive material
electronic
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David Henry
Fabrice Jacquet
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73253—Bump and layer connectors
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
    • H01L2224/808—Bonding techniques
    • H01L2224/80893—Anodic bonding, i.e. bonding by applying a voltage across the interface in order to induce ions migration leading to an irreversible chemical bond
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
    • H01L2224/808—Bonding techniques
    • H01L2224/80894—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces
    • H01L2224/80896—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces between electrically insulating surfaces, e.g. oxide or nitride layers
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/83801—Soldering or alloying
    • H01L2224/83805—Soldering or alloying involving forming a eutectic alloy at the bonding interface
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8385—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
    • H01L2224/83851—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester being an anisotropic conductive adhesive
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    • H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
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    • H01L2225/03—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00
    • H01L2225/04—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers
    • H01L2225/065—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L2225/06503—Stacked arrangements of devices
    • H01L2225/06513—Bump or bump-like direct electrical connections between devices, e.g. flip-chip connection, solder bumps
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    • H01L2225/00—Details relating to assemblies covered by the group H01L25/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2225/03—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00
    • H01L2225/04—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers
    • H01L2225/065—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
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    • H01L2225/06503—Stacked arrangements of devices
    • H01L2225/06541—Conductive via connections through the device, e.g. vertical interconnects, through silicon via [TSV]
    • H01L2225/06544—Design considerations for via connections, e.g. geometry or layout
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Abstract

Composant électronique (100) comportant au moins un via conducteur (106) réalisé dans au moins un substrat (101), dans lequel le via conducteur s'étend entre une première extrémité (105) qui forme une ouverture débouchant au niveau d'une face (104) du substrat et une seconde extrémité (107), le via conducteur comportant en outre au moins une portion de matériau électriquement conducteur (110) s'étendant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité et au moins un espace vide (114) apte à former une zone de circulation d'un fluide s'étendant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité

Description

1 COMPOSANT ELECTRONIQUE COMPRENANT UN VIA CONDUCTEUR REALISANT UNE FONCTION DE DISSIPATION THERMIQUE
DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine des composants électroniques dans lesquels se posent des problèmes d'échauffement. L'expression « composant électronique » est utilisée ici pour désigner un 10 composant ou un microcomposant, électronique ou microélectronique, ou un microsystème de type MEMS (microsystème électromécanique), NEMS (nanosystème électromécanique), MOEMS (microsystème opto- électromécanique), biopuce, ou tout type de composant 15 électronique, optique, ou optoélectronique. L'invention se rapporte également au domaine des dispositifs électroniques 3D (en trois dimensions), c'est-à-dire comprenant plusieurs composants électroniques empilés, et dans lesquels se 20 posent des problèmes d'échauffement. De tels dispositifs électroniques 3D sont par exemple des microprocesseurs parallèles et/ou associés à des composants sensibles thermiquement tels que des mémoires ou des imageurs, des dispositifs de puissance 25 impliquant de fortes tensions et/ou intensités de courants, ou encore des dispositifs comprenant des composants de type MEMS à forte tension d'actionnement. 2 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les dispositifs électroniques associant plusieurs composants électroniques sont de plus en plus souvent réalisés en empilant ces composants les uns sur les autres. Les composants électroniques empilés sont reliés électriquement entre eux par l'intermédiaire de nias conducteurs réalisés à travers chacun des composants électroniques. Un tel empilement des composants électroniques permet de réduire l'encombrement des dispositifs ainsi réalisés, d'augmenter leurs performances électriques et de diminuer leurs coûts de fabrication. Toutefois, une telle intégration 3D de composants électroniques dans un même dispositif pose souvent des problèmes d'échauffement au sein des composants du fait qu'il est difficile d'évacuer la chaleur vers l'extérieur du dispositif, la plupart des matériaux utilisés dans ces composants électroniques, tels que des polymères, de l'oxyde de silicium ou du nitrure de silicium, étant généralement de mauvais conducteurs thermiques. Ainsi, dans le cas de dispositifs électroniques complexes comportant plusieurs composants électroniques superposés, la température maximale de fonctionnement des composants électroniques peut devenir un paramètre critique difficile à respecter. En effet, pour les dispositifs électroniques hétérogènes formés de plusieurs composants électroniques ayant des fonctions différentes (mémoires, fonctions logiques, MEMS, composants passifs, gestion d'alimentation, etc...), mais 3 également pour les dispositifs électroniques homogènes formés par l'empilement de composants électroniques remplissant les mêmes fonctions (mémoires par exemple), une des limitations des performances globales de ces dispositifs peut venir de l'atteinte, au sein des dispositifs, d'une température supérieure à la température limite de fonctionnement d'un ou plusieurs des composants électroniques du dispositif. Ce dépassement de la température limite de fonctionnement peut avoir une origine endogène au composant (cas d'un processeur qui chauffe lors de son fonctionnement et dont le système d'évacuation de la chaleur ne permet pas de le maintenir une température inférieure à la température maximale acceptable), ou une origine exogène au composant (cas d'un composant fragile thermiquement et disposé à proximité d'un autre composant qui chauffe et dont le système d'évacuation de la chaleur n'est pas adapté). Ainsi, dans les dispositifs à composants électroniques empilés, les problèmes de dissipation thermique peuvent être des freins très importants à l'amélioration des performances globales des dispositifs et, de ce fait, réduire à néant les gains de performances attendus par l'utilisation des technologies d'intégration 3D. Les documents "Fabrication of Silicon Carriers With TSV Electrical Interconnections and Embedded Thermal Solutions for High Power 3-D Packages" de A. YU et al., IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, Vol. 32, N°3, Septembre 2009, et "Wafer level batch fabrication of Silicon 4 microchannel heat sink and electrical TSV for 3D IC's" de J. ZAVERI et al., 2009 International symposium on Microelectronics, proposent de réaliser, dans un dispositif électronique 3D, une structure permettant une circulation d'un fluide caloporteur à travers les composants empilés du dispositif afin de refroidir ces composants. Bien que la dissipation thermique réalisée par une telle structure soit satisfaisante, cette structure nécessite, pour être réalisée dans les composants électroniques, des zones dédiées uniquement à la dissipation thermique. Une telle solution n'est donc pas satisfaisante en termes de gain de surface dans le dispositif électronique, et donc en terme de densité d'intégration des composants du dispositif. EXPOSÉ DE L'INVENTION Un but de la présente invention est de proposer un composant électronique dont la structure permet une évacuation efficace de la chaleur, tout en améliorant le gain de surface globale du composant, et donc la densité d'intégration du composant électronique, par rapport aux composants électroniques de l'art antérieur faisant appel à des structures dédiées uniquement à la dissipation thermique au sein du composant électronique. Pour cela, l'invention propose un composant électronique comportant au moins un via conducteur réalisé dans au moins un substrat, ou une couche, dans lequel le via conducteur s'étend entre une première extrémité qui forme une ouverture débouchant au niveau d'une face du substrat et une seconde extrémité, le via conducteur comportant en outre au moins une portion de matériau électriquement conducteur s'étendant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité et au 5 moins un espace vide apte à former une zone de circulation d'un fluide s'étendant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité. L'espace vide formé au sein même du via conducteur permet donc de faire circuler un fluide caloporteur dans et/ou à travers le composant, évitant ainsi la formation et le maintien de points chauds dans le composant électronique, et uniformisant la température dans le composant électronique. Dans un tel composant électronique, le via conducteur remplit donc à la fois une fonction de conduction électrique grâce à la portion de matériau électriquement conducteur pouvant servir à la transmission de signaux d'une extrémité à l'autre du composant (par exemple une transmission de signaux entre les faces avant et arrière du composant électronique), mais également une fonction de dissipation thermique grâce à l'espace vide permettant la circulation d'un fluide caloporteur afin d'évacuer la chaleur en dehors du composant électronique.
De plus, une telle structure de via conducteur n'impose aucune contrainte sur les dimensions du via conducteur. Une telle structure de composant électronique permet également de réduire l'encombrement lié à la fonction de dissipation thermique par rapport à un composant faisant appel à une structure dédiée 6 uniquement à la dissipation thermique. Un tel gain de surface du composant se traduit donc par un gain en termes de coût du composant. De plus, en combinant les fonctions de conduction électrique et de dissipation thermique au sein du via conducteur, on améliore la dissipation thermique réalisée grâce à la plus grande proximité entre la zone de circulation de fluide et la ou les sources chaudes du composant électronique lorsqu'elles se trouvent à proximité des nias conducteurs. La portion de matériau électriquement conducteur peut entourer l'espace vide. Le via conducteur peut avoir une forme sensiblement cylindrique, la portion de matériau électriquement conducteur pouvant comporter une section, dans un plan parallèle à ladite face du substrat, formant une couronne, ou un anneau, l'espace vide pouvant être de forme sensiblement cylindrique. Le via conducteur peut comporter une section, dans un plan parallèle à ladite face du substrat, de forme sensiblement rectangulaire ou ovale, ou encore d'une toute autre forme. Le via conducteur peut comporter en outre au moins une deuxième portion de matériau électriquement conducteur s'étendant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité, disposée de manière concentrique à la portion de matériau électriquement conducteur et isolée électriquement de ladite portion de matériau électriquement conducteur.
Le via conducteur peut comporter plusieurs portions de matériau électriquement conducteur 7 disjointes, s'étendant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité et disposées les unes à côté des autres dans le via conducteur. Le composant électronique peut comporter en outre une première portion de matériau diélectrique disposée entre la portion de matériau électriquement conducteur et le substrat, et/ou une seconde portion de matériau diélectrique disposée entre la portion de matériau électriquement conducteur et l'espace vide.
Dans ce cas, la première portion de matériau diélectrique permet de réaliser une isolation électrique entre le matériau électriquement conducteur du via et le substrat, notamment lorsque le substrat est à base d'un matériau semi-conducteur ou conducteur.
De plus, la seconde portion de matériau diélectrique permet de réaliser une isolation électrique entre le matériau électriquement conducteur du via et le fluide, par exemple un liquide, destiné à circuler dans l'espace vide du via.
Le matériau électriquement conducteur peut avoir un coefficient de conductivité thermique supérieur à environ 50 W.m-1.K-1. Ainsi, le matériau électriquement conducteur du via contribue également à dissiper la chaleur au sein du composant étant donné que le fluide caloporteur est destiné à circuler à proximité du matériau électriquement conducteur. Dans une première configuration, la seconde extrémité du via conducteur peut être fermée par au moins une portion d'une couche d'interconnexion du composant, la portion de matériau électriquement conducteur pouvant être reliée électriquement, au 8 niveau de la seconde extrémité, à la portion de la couche d'interconnexion. Dans une seconde configuration, la seconde extrémité du via conducteur peut former une ouverture débouchant au niveau d'une seconde face du substrat opposée à la face au niveau de laquelle débouche l'ouverture formée par la première extrémité du via conducteur. Dans cette seconde configuration, le via conducteur traverse donc le substrat depuis sa première face jusqu'à sa seconde face, par exemple sur toute son épaisseur. Dans ce cas, la portion de matériau électriquement conducteur peut être reliée électriquement, au niveau de la seconde extrémité du via conducteur, à au moins un contact électrique disposé sur la seconde face du substrat. Le composant électronique peut comporter en outre un microcomposant, par exemple de type MEMS ou NEMS, disposé sur la seconde face du substrat et encapsulé dans une cavité, l'ouverture formée par la seconde extrémité du via conducteur pouvant déboucher dans la cavité. Ainsi, le via conducteur permet de réaliser un refroidissement de la cavité dans laquelle est encapsulé le microcomposant.
Dans ce cas, lorsque la portion de matériau électriquement conducteur est reliée électriquement, au niveau de la seconde extrémité du via conducteur, à un contact électrique disposé sur la seconde face du substrat, ledit contact électrique peut être disposé dans la cavité et comporter une portion de matériau électriquement conducteur disposée au moins en partie 9 en périphérie de l'ouverture formée par la seconde extrémité du via conducteur. Le composant peut comporter en outre un matériau poreux disposé dans le via conducteur, l'espace vide correspondant aux porosités dudit matériau poreux. L'invention propose également un dispositif électronique comportant au moins un support sur lequel est solidarisé au moins un composant électronique tel que décrit précédemment. La portion de matériau électriquement conducteur du composant électronique peut être reliée électriquement à au moins un contact électrique disposé sur le support.
Au moins un canal de circulation de fluide peut être formé dans le support et couplé, au niveau de l'ouverture formée par la première extrémité du via conducteur, à l'espace vide du composant électronique. Le couplage entre le canal de circulation de fluide formé dans le support et l'espace vide du composant électronique peut être étanche, notamment lorsque le fluide caloporteur destiné à être utilisé pour le refroidissement du dispositif électronique est un liquide.
Le dispositif électronique peut comporter une pluralité de composants électroniques superposés les uns sur les autres et dont les espaces vides formant les zones de circulation de fluide sont couplés les uns aux autres. Dans ce cas, le support peut être formé par un desdits composants électroniques. 10 Les espaces vides formant les zones de circulation de fluide des composants électroniques peuvent être alignés les uns par rapport aux autres. Le dispositif électronique peut comporter en outre des moyens pour faire circuler un gaz ou un liquide caloporteur au moins à travers les espaces vides formant les zones de circulation de fluide du ou des composants électroniques. L'invention concerne également un procédé 10 de réalisation d'un composant électronique, comportant au moins les étapes de : - réalisation d'au moins un trou dans au moins un substrat, ou une couche, le trou s'étendant entre une première extrémité qui forme une ouverture 15 débouchant au niveau d'une face du substrat et une seconde extrémité ; - réalisation, dans le trou, d'au moins une portion de matériau électriquement conducteur s'étendant depuis la première extrémité jusqu'à la 20 seconde extrémité, au moins un espace vide restant du trou s'étendant depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité étant apte à former une zone de circulation d'un fluide. La réalisation de la portion de matériau 25 électriquement conducteur peut comporter la mise en oeuvre d'un dépôt d'une couche du matériau électriquement conducteur contre au moins une partie des parois latérales du trou. Le procédé de réalisation peut comporter en 30 outre, préalablement au dépôt de la couche de matériau électriquement conducteur, une étape de dépôt d'une 11 première couche de matériau diélectrique contre les parois latérales du trou, la couche de matériau électriquement conducteur pouvant être déposée contre la première couche de matériau diélectrique, et/ou peut comporter en outre une étape de dépôt d'une seconde couche de matériau diélectrique contre la couche de matériau électriquement conducteur. Lorsque le via conducteur est réalisé dans un matériau électriquement conducteur ou semi- conducteur (correspondant au matériau du substrat), préalablement à la réalisation de la ou des portions de matériau électriquement conducteur, les parois latérales du trou peuvent être isolées par un matériau isolant (SiO2, polymère, ...) .
La seconde extrémité du via conducteur peut former une ouverture débouchant au niveau d'une seconde face du substrat opposée à la face au niveau de laquelle débouche l'ouverture formée par la première extrémité du via conducteur, le procédé pouvant comporter en outre, préalablement à la réalisation du via conducteur, la réalisation d'un microcomposant sur la seconde face du substrat et encapsulé dans une cavité remplie par au moins un matériau sacrificiel, et pouvant comporter en outre, entre l'étape de réalisation du trou dans le substrat et l'étape de réalisation de la portion de matériau électriquement conducteur, une étape de gravure du matériau sacrificiel à travers le trou. L'invention concerne également un procédé 30 de réalisation d'un dispositif électronique, comportant au moins la mise en oeuvre d'un procédé de réalisation 12 d'au moins un composant électronique tel que décrit précédemment, et une solidarisation du composant électronique sur un support. Le procédé peut comporter en outre la réalisation d'au moins un canal de circulation de fluide dans le support et le couplage dudit canal de circulation de fluide avec l'espace vide du composant électronique au niveau de l'ouverture formée par la première extrémité du via conducteur.
Le procédé peut comporter en outre la superposition d'une pluralité de composants électroniques, obtenus par la mise en oeuvre d'un procédé de réalisation tel que décrit précédemment, les uns sur autres, et le couplage des espaces vides formant les zones de circulation de fluide desdits composants électroniques les uns aux autres. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 et 2A à 2F représentent schématiquement un composant électronique, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation, - les figures 3 à 5 représentent schématiquement des dispositifs électroniques, objets de la présente invention, comportant des composants 13 électroniques empilés, également objets de la présente invention, selon différents modes de réalisation, - les figures 6A à 6F représentent les étapes d'un procédé de réalisation d'un composant électronique, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation, - les figures 7 à 9 représentent des composants électroniques, objets de la présente invention, selon différents modes de réalisation, - les figures 10A à 10I représentent les étapes d'un procédé de réalisation d'un composant électronique, objet de la présente invention, selon un deuxième mode de réalisation, - les figures 11A à 11H représentent les étapes d'un procédé de réalisation d'un composant électronique, objet de la présente invention, selon un troisième mode de réalisation. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles. 14 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2A qui représentent respectivement une vue en coupe de côté et une vue de dessus d'un composant électronique 100 comprenant des vias conducteurs 106 réalisant à la fois une fonction de conduction électrique (ou transfert de signal électrique) et une fonction de refroidissement, ou dissipation thermique, selon un premier mode de réalisation. Sur ces représentations schématiques, les éléments actifs, par exemple des transistors, du composant électronique 100 ne sont pas représentés, le composant électronique 100 étant représenté sous la forme simplifiée d'un unique substrat 101. De plus, sur la figure 2A, un seul via conducteur 106 est représenté. Ce composant électronique 100 comporte un substrat 101, par exemple à base de silicium, comprenant une face avant 102 et une face arrière 104. Des vias conducteurs 106, ou TSV (« Through Silicon Via » en anglais) traversent le composant 100 depuis la face avant 102 jusqu'à la face arrière 104. Chacun des vias conducteurs 106 s'étend donc entre une première extrémité 105 se trouvant au niveau de la face arrière 104 du substrat 101 et une seconde extrémité 107 se trouvant au niveau de la face avant 102 du substrat 101. Chacun des vias conducteurs 106 a ici une forme sensiblement cylindrique. Les dimensions des vias conducteurs, et notamment le diamètre des vias conducteurs 106, sera fonction de la technologie mise en oeuvre pour réaliser ces vias conducteurs 106 et est 15 par exemple compris entre environ 1 pm et plusieurs centaines de pm. Chaque via conducteur 106 est réalisé dans un trou 103 traversant le substrat 101 depuis sa face avant 102 jusqu'à sa face arrière 104. Sur l'exemple des figures 1 et 2A, chaque via conducteur 106 comporte une première portion diélectrique formée par une couche 108, de forme sensiblement cylindrique et à base d'un matériau diélectrique, par exemple un matériau minéral tel que du SiO2 ou du SiN, ou un polymère, recouvrant les parois latérales d'un des trous 103. Cette première couche diélectrique 108 est recouverte d'une deuxième couche 110, également de forme sensiblement cylindrique, à base d'un matériau électriquement conducteur tel qu'un métal ou un polymère chargé en particules électriquement conductrices. Cette deuxième couche 110 forme la portion de matériau électriquement conducteur du via conducteur 106 assurant la fonction de transfert, ou de conduction, électrique de signaux entre la face avant 102 et la face arrière 104 du composant 100. Le matériau de la deuxième couche 110 est de préférence choisi tel qu'il forme un bon conducteur thermique, par exemple un métal. La première couche 108 forme une isolation électrique entre le substrat 101 et la deuxième couche 110 électriquement conductrice. La deuxième couche électriquement conductrice 110 peut être réalisée à partir d'un ou plusieurs des matériaux indiqués ci-dessous pour lesquels la valeur de la conductivité thermique, en W.m-1.K-1, est également indiquée. 16 Al : 216 W.m-1.K-1 Cu : 394 W.m-1.K-1 Sn : 63 W.m-1.K-1 Ni: 90 W.m-1.K-1 Au : 291 W.m-1.K-1 W : 197 W . m-1 K-1 La deuxième couche 110 est recouverte d'une troisième couche 112, également de forme sensiblement cylindrique et à base d'un matériau diélectrique, par exemple un matériau minéral tel que du SiO2 ou du SiN, ou un polymère. La troisième couche 112 délimite un espace vide 114 formant une zone de circulation d'un fluide caloporteur, tel qu'un liquide caloporteur ou un gaz, destiné à refroidir le composant 100. Cet espace vide 114 a également une forme sensiblement cylindrique. Les couches diélectriques 108 et 112 peuvent avoir chacune une épaisseur comprise entre environ 10 nm et quelques micromètres (par exemple inférieure à environ 10 }gym) notamment lorsque le diélectrique est un matériau minéral. La deuxième couche 110 peut avoir une épaisseur comprise entre environ quelques dizaines de nanomètres et plusieurs micromètres, par exemple comprise entre environ 10 nm et 10 }gym, lorsque cette deuxième couche 110 est à base d'un matériau métallique. L'épaisseur de la deuxième couche 110 pourra être supérieure à environ 10 }gym lorsqu'elle est réalisée à partir de polymère chargé de particules électriquement conductrices.
Grâce à chaque via conducteur 106, on réalise, au sein d'une même intraconnexion, une 17 fonction électrique de transfert de signaux entre les faces avant 102 et arrière 104 du composant 100, grâce aux couches 110 électriquement conductrices, et une fonction de refroidissement du composant 100 grâce à la zone de circulation d'un fluide caloporteur formée par l'espace vide 114 qui traverse ici le composant 100 sur toute son épaisseur. Ces vias conducteurs 106, intégrés en grand nombre dans le composant 100, vont permettre de réaliser une évacuation de la chaleur au plus près de la source chaude du composant 100. Ainsi, l'intégration de ces vias 106 au sein même du composant 100 qui comporte ou forme une source de chaleur, permet d'éviter la formation de points chauds à l'intérieur du composant 100. Par exemple, si le composant 100 comporte une zone chaude au niveau de sa face avant 102, la circulation d'un liquide ou d'un gaz caloporteur à travers les espaces vides 114 permet d'évacuer la chaleur par l'intermédiaire de ce liquide ou ce gaz qui capte cette chaleur et l'évacue hors du composant 100. La face arrière 104 forme donc une zone de chaleur intermédiaire. La totalité des vias conducteurs du composant 100 peuvent être réalisés sous la forme des vias conducteurs 106 précédemment décrits, c'est-à-dire assurant à la fois une fonction de conduction électrique et une fonction de refroidissement. Il est toutefois possible qu'une partie des vias conducteurs du composant 100 n'assurent qu'une fonction de transfert électrique, ces vias ne comportant alors pas d'espaces vides de circulation d'un fluide caloporteur. 18 Bien que les vias conducteurs 106 aient, sur les figures 1 et 2A, chacun une forme cylindrique, il est possible que ces vias conducteurs aient une toute autre forme à partir du moment où ces vias conducteurs comportent au moins une portion de matériau électriquement conducteur assurant une fonction de conduction électrique et au moins un espace vide formant une zone de circulation pour un fluide caloporteur.
Les figures 2B à 2F représentent des vues de dessus de différentes variantes de réalisation des vias conducteurs 106. Sur l'exemple représenté sur la figure 2B, le trou 103 comporte une section, dans le plan (X,Y) (plan parallèle aux faces 102 et 104 du substrat 101), de forme rectangulaire. Le trou 103 a donc une forme parallélépipédique rectangle. L'espace vide 114 comporte également, dans le plan (X,Y), une section de forme rectangulaire. De plus, contrairement au via conducteur 106 précédemment décrit en liaison avec les figures 1 et 2A, le via conducteur 106 représenté sur la figure 2B ne comporte pas de couche diélectrique entre la couche électriquement conductrice 110 et le substrat 101, la couche électriquement conductrice 110 étant directement en contact avec les parois latérales du trou 103. De manière générale, la couche diélectrique 108 pourra être présente lorsqu'il y a un besoin d'isoler électriquement le substrat 101 de la couche électriquement conductrice 110.
Une autre variante de réalisation du via conducteur 106 est représentée sur la figure 2C. Dans 19 cette variante, le trou 103 a une section, dans le plan(X,Y), de forme ovale. De plus, contrairement aux exemples de réalisation précédemment décrits, le via conducteur 106 ne comporte pas la couche diélectrique 112. Le via conducteur 106 est donc ici formé de la couche électriquement conductrice 110 disposée contre les parois latérales du trou 106 et de l'espace vide 114 dont la section, dans le plan (X,Y), est également ovale.
Une autre variante de réalisation du via conducteur 106 est représentée sur la figure 2D. Dans cette variante, le via conducteur 106 comporte une première couche électriquement conductrice 110 disposée contre les parois latérales du trou 103, une première couche diélectrique 112 disposée contre la première couche électriquement conductrice 110, une seconde couche électriquement conductrice 110b disposée contre la première couche diélectrique 112, et une seconde couche diélectrique 112b disposée contre la seconde couche électriquement conductrice 110b. Chacune de ces couches 110, 112, 110b et 112b comporte une section, dans le plan (X,Y), en forme de couronne et entourent l'espace vide 114. Dans cette variante, on a donc plusieurs parties électriquement conductrices concentriques remplissant la fonction de conduction électrique entre les faces 102 et 104 du substrat 101, ces parties pouvant être indépendantes ou non en fonction de la présence ou non d'une couche diélectrique entre ces parties.
Une autre variante de réalisation du via conducteur 106 est représentée sur la figure 2E. Dans 20 cette variante, le via conducteur 106 comporte deux portions disjointes 110a, 110b électriquement conductrices disposées contre les parois latérales du trou 103. Chacune de ces portions 110a, 110b comporte une section, dans le plan (X,Y), en forme d'une portion de couronne. De plus, chacune de ces portions 110a, 110b est recouverte d'une portion diélectrique 112a, 112b assurant une isolation entre l'espace vide 114 et les portions électriquement conductrices 110a, 110b.
Une autre variante de réalisation du via conducteur 106 est représentée sur la figure 2F. Dans cette variante, le via conducteur 106 comporte plusieurs portions disjointes 110 électriquement conductrices, par exemple 7, disposées contre les parois latérales du trou 103. Chacune de ces portions 110a, 110b comporte une section, dans le plan (X,Y), en forme d'une portion de couronne. Il est possible, comme du l'exemple de la figure 2E, que les portions électriquement conductrices 110 soient recouvertes par une couche diélectrique afin d'isoler ces portions 110 de l'espace vide 114. Dans les variantes représentées sur la figures 2E et 2F, les portions électriquement conductrices forment un contact électrique discontinu.
Ainsi, il est possible de contacter plusieurs plots de contact électriques distincts présents sur une même face du substrat tout en conservant d'un via assurant les fonctions de conduction électriques et thermiques. De plus, les zones libres entre les portions électriquement conductrices 110 du via permettent également la circulation du fluide (gaz ou liquide) 21 caloporteur, ce qui permet de réduire les dimensions de la section centrale de l'espace vide 114 et donc de réduire le diamètre du via 106 (dimension jusqu'à environ 10 pin).
Les différentes variantes précédemment décrites en liaison avec les figures 2A à 2F peuvent se combiner entre elles : présence ou non d'une ou plusieurs des couches diélectriques 108, 112, 112b, forme de la section du trou 103 du via conducteur 106 et des couches disposées contre les parois latérales du trou 103, présence d'une ou plusieurs couches 110, 110b électriquement conductrices, sous la forme d'une ou plusieurs portions disjointes, pour remplir la fonction de conduction électrique du via conducteur 106.
Quelle que soit la forme du trou 103, il est possible que l'espace vide 114 soit rempli par un matériau poreux, par exemple un matériau de type sol-gel poreux, les porosités formant alors l'espace de circulation du fluide à travers le via conducteur 106.
Dans ce cas, une couche diélectrique, par exemple la couche 112, pourra assurer l'isolation entre la couche électriquement conductrice 110 et le matériau poreux. La figure 3 représente schématiquement un dispositif électronique 200, selon un premier mode de réalisation, comportant plusieurs composants électroniques superposés. Le dispositif électronique 200 comporte une carte électronique, ou circuit imprimé, formant un support 202. Des contacts électriques 204 sont réalisés sur une face avant 205 du support 202. Le dispositif électronique 200 comporte en outre trois composants 22 électroniques 100.1 à 100.3, chacun de structure sensiblement similaire à celle du composant électronique 100 précédemment décrit en liaison avec les figures 1 et 2, empilés les uns sur les autres et disposés sur la face avant 205 du support 202. Les composants électroniques 100.1 à 100.3 peuvent chacun avoir des rôles différents (mémoire, fonctions logiques, MEMS, composants passifs, gestion d'alimentation, etc.). Chacun des composants électroniques 100.1 à 100.3 comporte des vias conducteurs 106 similaires aux vias conducteurs 106 du composant électronique 100 précédemment décrit en liaison avec les figures 1 et 2, c'est-à-dire permettant de réaliser une fonction de conduction électrique et une fonction de dissipation thermique au sein des composants électroniques 100.1 à 100.3, et plus généralement une fonction de refroidissement du dispositif électronique 200. Un premier composant électronique 100.1 comporte ses vias conducteurs 106, et plus particulièrement les couches électriquement conductrices 110 des vias conducteur 106, reliés électriquement aux contacts électriques 204 par des interconnexions électriques 206 disposées entre la face arrière du premier composant 100.1 et les contacts électriques 204. Un second composant électronique 100.2 est disposé sur le premier composant 100.1, les vias conducteurs 106 du second composant 100.2 étant reliés électriquement, au niveau d'une face arrière du second composant 100.2, aux vias conducteurs 106 du premier composant 100.1, au niveau d'une face avant du premier 23 composant 100.1. Les couches électriquement conductrices 110 des vias conducteurs 106 des composants électroniques 100.1 et 100.2 sont reliées électriquement entre elles par l'intermédiaire d'interconnexions électriques 206, par exemple similaires à celles reliant électriquement les contacts électriques 204 aux vias conducteurs 106 du premier composant 100.1, disposées entre le premier composant 100.1 et le second composant 100.2. Ces interconnexions électriques 206 peuvent être des interconnexions métalliques isolées telles que des microbilles, des piliers métalliques ou des micro-inserts, ou bien être des interconnexions à base de polymère chargé en particules électriquement conductrices. Les interconnexions électriques 206 sont ici adaptées de façon à permettre la circulation du fluide entre les composants 100.1 à 100.3 tout en formant une connexion électrique entre les vias 106 de ces composants 100.1 à 100.3.
De manière analogue, un troisième composant électronique 100.3 est disposé sur le second composant 100.2, les vias conducteurs 106 du troisième composant 100.3 étant reliés électriquement, au niveau d'une face arrière du troisième composant 100.3, aux vias conducteurs 106 du second composant 100.2, au niveau d'une face avant du second composant 100.2, par des interconnexions électriques 206 disposées entre le second composant 100.2 et le troisième composant 100.3. Ainsi, dans le dispositif électronique 200, les vias conducteurs 106 des composants électroniques 100.1 à 100.3 couplés entre eux par les interconnexions 24 électriques 206 forment un espace de circulation d'un fluide caloporteur permettant de refroidir chacun des composants électroniques 100.1 à 100.3, et donc refroidir le dispositif électronique 200. Le fluide caloporteur peut par exemple être introduit au niveau de la face avant du dispositif 200, c'est-à-dire par les vias conducteurs 106 du troisième composant 100.3 au niveau de la face avant du composant 100.3. Ce fluide, et donc la chaleur, est alors évacué par les vias conducteurs 106 du premier composant 100.1, entre la face arrière du premier composant 100.1 et le support 202. Un espace est donc conservé entre le premier composant 100.1 et le support 202 afin que le fluide puisse s'échapper de l'espace de circulation du fluide formé par les vias conducteurs 106. La circulation du fluide caloporteur au sein du dispositif électronique 200 permet d'uniformiser la température du dispositif électronique 200 et de préparer au mieux l'étape d'évacuation de la chaleur vers l'extérieur, par exemple via un échangeur thermique et/ou un micro caloduc intégré, ou tout autre système adéquat que peut comporter le dispositif électronique 200 et qui n'est pas représenté sur la figure 3. Dans l'exemple décrit ici, étant donné que le fluide caloporteur est évacué entre le premier composant électronique 100.1 et le support 202, le fluide caloporteur est de préférence un gaz car un liquide pourrait créer des courts-circuits si celui-ci était évacué entre le support 202 et le premier composant électronique 100.1.
Dans une variante de ce premier mode de réalisation, il est possible, notamment lorsque la 25 densité de connexions du dispositif électronique est faible devant la surface du dispositif électronique, d'associer les vias conducteurs 106 précédemment décrits avec des canaux de circulation de fluide caloporteur, également appelés vias thermiques, servant uniquement à la fonction de refroidissement thermique du dispositif. Ces vias thermiques pourront être réalisés en même temps que les vias conducteurs 106, et peuvent donc bénéficier de tous les avantages liés au procédé de réalisation mis en oeuvre à l'échelle du dispositif 200. Les vias thermiques peuvent être réalisés en gravant des trous, par exemple de forme sensiblement cylindrique, à travers les composants électroniques 100.1 à 100.3 du dispositif 200, sans disposer de matériau électriquement conducteur dans les trous. De même, il est également possible qu'une partie des vias conducteurs du dispositif 200 n'assurent qu'une fonction de transfert électrique, ces vias ne comportant alors pas d'espaces vides permettant de faire circuler un fluide caloporteur. Lorsque le fluide caloporteur est un liquide, par exemple de l'eau éventuellement dé-ionisée, le circuit de circulation du fluide formé par les vias conducteurs 106 doit être fermé et étanche, les interconnexions entre les composants étant également étanches. Par contre, lorsque le fluide caloporteur est un gaz, par exemple de l'air ou tout autre gaz, le circuit de circulation du fluide peut être ouvert ou fermé, c'est-à-dire étanche ou non, et la circulation du gaz peut être naturelle ou forcée par un élément extérieur, par exemple par un ventilateur. 26 La dissipation thermique intra-composant se fait par épanouissement horizontal et vertical au sein même du composant. Ainsi, à partir du point chaud initial, l'évacuation de la chaleur se fait par une répartition vers l'extérieur, par l'intermédiaire du substrat. Dans le premier mode de réalisation décrit en liaison avec la figure 3, les vias conducteurs 106 des composants électroniques 100.1 à 100.3 sont alignés les uns par rapport aux autres. Un tel alignement est par exemple obtenu lorsque les composants 100.1 à 100.3 sont des composants similaires, le dispositif électronique 200 étant alors homogène. Un dispositif électronique 300 selon un second mode de réalisation est représenté sur la figure 4. De manière analogue au dispositif électronique 200, le dispositif électronique 300 comporte trois composants électroniques 100.4 à 100.6 superposés et interconnectés les uns aux autres par l'intermédiaire d'interconnexions électriques 206 reliant électriquement les vias conducteurs 106 des composants électroniques 100.4 à 100.6 superposés. Contrairement au dispositif électronique 200 précédemment décrit, le composant électronique 100.4 est relié au support 202 par des microbilles 302. De plus, contrairement au dispositif électronique 200 dans lequel les vias conducteurs 106 sont alignés les uns au-dessus des autres, les vias conducteurs 106 des composants électroniques 100.4 à 100.6 ne sont pas alignés les uns par rapport aux autres. Une telle configuration se retrouve par exemple 27 lorsque les composants électroniques 100.4 à 100.6 sont différents et que le dispositif électronique 300 est un dispositif hétérogène. Toutefois, les interconnexions électriques 206 sont positionnées de façon à ce que les vias conducteurs 106 des composants électroniques 100.4 à 100.6 forment un circuit de circulation d'un fluide caloporteur. Le circuit de circulation de fluide formé par les vias conducteurs 106 du dispositif électronique 300 n'est ici pas étanche, le fluide étant évacué dans l'espace formé entre le support 202 et la face arrière du composant électronique 100.4 qui est solidarisé au support 202. Dans une variante du second mode de réalisation représenté sur la figure 5, les ouvertures formées par les vias conducteurs 106 au niveau de la face arrière du composant électronique 100.4 débouchent dans des espaces étanches 304 formés entre le support 202 et le composant électronique 100.4. Des trous 306 sont également réalisés à travers le support 202 afin que le fluide destiné à circuler à travers les vias conducteurs 106 soit évacué en dehors du dispositif électronique 300. Ainsi, le circuit de circulation du fluide caloporteur formé dans le dispositif électronique 300 représenté sur la figure 5 est étanche et permet de faire circuler par exemple de l'eau dé-ionisée pour refroidir le dispositif électronique 300. Dans le cas particulier des interconnexions étanches, le dispositif électronique peut donc former un micro-caloduc 3D, à condition de bien choisir le liquide caloporteur en fonction des températures 28 attendues (chaleur latente d'évaporation inférieure à la température maximum du système). La circulation du fluide est alors autonome dans le dispositif électronique.
De manière générale, les vias conducteurs 106 des dispositifs électroniques 100, 200 et 300 peuvent être réalisés selon l'une quelconque des variantes de réalisation précédemment décrites en liaison avec les figures 2A à 2F.
On se réfère maintenant aux figures 6A à 6E qui représentent les étapes d'un procédé de réalisation du composant électronique 100 selon un premier mode de réalisation. Comme représenté sur la figure 6A, on grave tout d'abord à travers le substrat 101 des trous 103 de forme sensiblement cylindrique, destinés à former les vias conducteurs 106. Les trous 103 sont formés à travers la face avant 102 et débouchent au niveau de la face arrière 104 du substrat 101. Ces trous 103 peuvent être obtenus par la mise en oeuvre d'une gravure de type DRIE (gravure ionique réactive), laser, chimique, ou encore chimique photo-assistée. Les parois latérales des trous 103 sont ensuite recouvertes par les premières couches 108 de matériau diélectrique (figure 6B). Ces premières couches 108 sont par exemple obtenues par la mise en oeuvre d'un dépôt de type PECVD (dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma), CVD (dépôt chimique en phase vapeur), dépôt à la tournette (« spin coating » en anglais), dépôt par pulvérisation, laminage, ou encore par sérigraphie. 29 Comme représenté sur la figure 6C, les premières couches 108 sont ensuite recouvertes par les secondes couches 110 électriquement conductrices. Ces secondes couches 110 sont par exemple obtenues par la mise en oeuvre d'un dépôt de type PECVD, CVD, dépôt à la tournette, dépôt par pulvérisation, laminage, sérigraphie, ou par un dépôt électrochimique ou électrolytique. Les secondes couches 110 sont recouvertes par les troisièmes couches 112 de matériau diélectrique (figure 6D). Ces troisièmes couches 110 sont par exemple obtenues par la mise en oeuvre d'un dépôt de type PECVD, CVD, dépôt à la tournette (« spin coating » en anglais), dépôt par pulvérisation, laminage ou par sérigraphie. Les espaces restants 114 des trous 103 forment les espaces de circulation de fluide caloporteur des vias conducteurs 106. Enfin, des interconnexions électriques 206 sont formées au niveau de la face arrière 104 du substrat 101, au niveau des vias conducteurs 106. Ces interconnexions électriques 206 sont reliées électriquement aux secondes couches 110 électriquement conductrices et sont destinées à interconnecter les secondes couches 110 à des contacts électriques réalisés sur un support ou à des vias conducteurs d'un autre composant électronique sur lequel le composant 100 est destiné à être empilé. Lorsque le fluide caloporteur utilisé est un liquide ou un gaz particulier, des techniques de scellement hermétique entre les composants pourront être mises en oeuvre afin que les espaces de circulation 30 du fluide caloporteur soient fermés hermétiquement : scellement métallique eutectique (AuSn, SnAG, AuSi, etc.), scellement moléculaire direct (SiO2/SiO2r ...) , ou encore, lorsque les composants électroniques comportent par exemple des substrats chargés électrostatiquement et supportent des tensions de scellement, de type bonding anodique. Lorsque les nias conducteurs 106 comportent plusieurs portions électriquement conductrices 110 distinctes, ces portions peuvent être réalisées en technologie additive à partir d'une photolithographie : les portions électriquement conductrices discontinues sont créées par exemple par une croissance électrolytique dans le trou 103 à partir d'un masque de résine. En variante, il est également possible de réaliser ces portions en technologie soustractive. Dans ce cas, plusieurs plots électriquement conducteurs sont réalisés dans l'épaisseur du substrat 101. Le trou 103 est ensuite réalisé à travers le substrat 101 de manière à traverser une partie du substrat 101 où se situe une partie des plots conducteurs, et ainsi à entamer et retirer une partie des plots conducteurs, la partie restante de chaque plot formant une des portions électriquement conductrices 110. On obtient ainsi une configuration telle que représentée sur la figure 6F. Dans une autre variante de réalisation, il est possible de déposer sur les parois latérales du trou 103 (éventuellement recouvertes au préalable d'une couche isolante) une couche électriquement conductrice. Des rainures sont ensuite gravées dans la couche 31 électriquement conductrice afin que les portions restantes de la couche électriquement conductrice forment les portions 110 disjointes. Selon un autre exemple de procédé, on forme dans le substrat 101, le trou 103 et des rainures le long de la ou des parois latérales du trou 103, en même temps ou consécutivement. Puis, on dépose une couche de matériau sacrificiel dans les rainures ou sur les parois des rainures, le matériau sacrificiel étant réparti de manière à former une séparation entre le trou 103 et les rainures. La couche de matériau sacrificiel peut être prévue de manière à dépasser dans le trou 103. Le matériau sacrificiel peut être par exemple du SiO2 ou du Si3N4. Puis, on dépose une couche de matériau conducteur de manière à tapisser les parois du trou 103 et recouvrir le matériau sacrificiel. L'épaisseur de la couche de matériau conducteur peut être prévue inférieure à l'épaisseur de la couche de matériau sacrificiel dépassant dans le trou 103. On retire ensuite la couche de matériau sacrificiel, ce qui entraine un retrait du matériau conducteur en regard des rainures par exemple par gravure chimique humide. A l'issue de ce retrait la zone conductrice est sous forme de plusieurs parties conductrices 110 distinctes qui ne sont pas connectées entre elles et sont séparées à l'aide des rainures. Selon un autre exemple de réalisation, on réalise dans le substrat 101 le trou 103 traversant le substrat 101 ainsi qu'au moins une rainure verticale s'étendant dans l'épaisseur du substrat 101, et communiquant avec le trou 103. La rainure peut avoir 32 par exemple une section rectangulaire ou ovale. Des parties d'une paroi latérale du trou 103 forment une séparation entre cette dernière et la rainure. On effectue ensuite un dépôt du matériau électriquement conducteur de manière à recouvrir une paroi de la cavité et sur une partie de la rainure. Les parties formant la séparation empêchent, par effet d'ombrage, d'effectuer un dépôt du matériau conducteur tout autour de la rainure de sorte que le dépôt du matériau conducteur sur la paroi de la cavité et sur la rainure, forme une zone discontinue. Le dépôt du matériau électriquement conducteur peut être éventuellement un dépôt dit « directionnel » dans lequel le matériau est dispensé selon un angle prédéterminé par rapport à une normale aux faces 102, 104 du substrat 101. On peut ainsi réaliser une portion conductrice le long de la rainure, qui est déconnectée d'autres portions électriquement conductrices formées sur ladite paroi lors du dépôt du matériau conducteur.
On se réfère maintenant à la figure 7 qui représente un composant électronique 400 selon un second mode de réalisation. Par rapport aux composants électroniques précédemment décrits, une partie des éléments actifs et des couches d'interconnexion électrique du composant électronique 400 sont représentés. Le composant électronique 400 comporte un substrat 402 sur lequel sont réalisés des transistors MOS 404. Le composant 400 comporte également un premier niveau métallique d'interconnexion 406 auquel sont reliés électriquement les transistors MOS 404. Ce 33 premier niveau métallique d'interconnexion 406 est relié à un second niveau métallique d'interconnexion 408. Le composant électronique 400 comporte également des vias conducteurs 410 similaires aux vias conducteurs 106 précédemment décrits. Sur l'exemple de la figure 7, un seul via conducteur 410 est représenté. Ce via conducteur 410 est relié électriquement au premier niveau métallique d'interconnexion 406. Toutefois, contrairement aux vias conducteurs 106 précédemment décrits, ce via conducteur 410 est borgne, c'est-à-dire fermé au niveau d'une de ses extrémités, sa paroi de fond étant formée par une portion du premier niveau métallique d'interconnexion 406. La couche électriquement conductrice du via conducteur 410 est reliée électriquement à cette portion du premier niveau métallique d'interconnexion 406. Afin d'éviter un court-circuit entre le premier niveau d'interconnexion 406 et un autre élément électrique, l'espace vide du via conducteur 410 est destiné à recevoir un gaz en tant que fluide caloporteur. Comme représenté sur la figure 8, il est également possible que le via conducteur 410 soit réalisé à travers toute l'épaisseur du composant électronique 400. Dans cette variante, le via conducteur 410 est relié électriquement à un niveau de redistribution métallique 412, formant un contact électrique, réalisé sur la face avant du composant électronique 400. La prise de contact avec le via conducteur 410 est réalisée en périphérie de celui-ci afin de ne pas occulter l'espace vide du via conducteur 34 410 et ainsi permettre une circulation d'un fluide liquide ou gazeux à travers le via conducteur 410. Il est également possible que le composant électronique 400 comporte à la fois des vias conducteurs 410a similaires au via 410 précédemment décrit en liaison avec la figure 7, c'est-à-dire non débouchant au niveau d'une des faces du composant électronique 400, et des vias conducteurs 410b similaires au via 410 précédemment décrit en liaison avec la figure 8, c'est-à-dire qui traversent le composant électronique 400 sur tout son épaisseur. Une telle configuration est par exemple représentée sur la figure 9. Dans les exemples précédemment décrits, les vias conducteurs sont réalisés dans ou à travers des composants électroniques empilés. De tels vias conducteurs assurant à la fois une fonction de conduction électrique et une fonction de refroidissement peuvent également être réalisés dans des composants électroniques comportant des microcomposants par exemple de type MEMS ou NEMS, ces vias pouvant également jouer un rôle lors de l'encapsulation de ces microcomposants. On se réfère aux figures 10A à 10I qui représentent les étapes d'un procédé de réalisation d'un composant électronique 600 comportant un microcomposant 500 encapsulé, selon un deuxième mode de réalisation particulier. Comme représenté sur la figure 10A, le microcomposant 500 est réalisé sur une face avant 501 d'un substrat 502, par exemple à base de silicium et 35 d'épaisseur égale à environ 700 }gym. Un ou plusieurs contacts électriques 504, reliés ou non au microcomposant 500, peuvent également être présents sur le substrat 502, par exemple sur sa face avant 501. Sur la figure 10A, un seul contact électrique 504 est représenté. Des chemins de découpe 506 du substrat 502 délimitant les différentes puces destinées à être réalisées sur le substrat 502 (dont l'une comporte le microcomposant 500) sont gravés dans le substrat 502, par exemple au niveau de sa face avant 501 et sur une profondeur comprise entre environ 20 }gym et 500 }gym (figure 10B). Comme représenté sur la figure 10C, une portion 508 de matériau sacrificiel est ensuite réalisée sur le substrat 502 afin de recouvrir le microcomposant 500. Cette portion 508 de matériau sacrificiel est par exemple obtenue en recouvrant le microcomposant 500 d'une couche du matériau sacrificiel, par exemple à base de polymère déposé par « spin-on » (dépôt par rotation), d'une résine organique, d'un métal ou d'un diélectrique, qui est ensuite gravée afin d'obtenir la portion 508 de matériau sacrificiel destinée à occuper sensiblement le volume de la future cavité dans laquelle le microcomposant 500 est destiné à être encapsulé. Dans une variante représentée sur la figure 10D, la portion 508 de matériau sacrificiel peut également recouvrir le contact électrique 504.
Une couche épaisse d'encapsulation 510, qui correspond à une couche de surmoulage, est ensuite 36 déposée sur l'ensemble du substrat 502, c'est-à-dire sur la face avant 501 du substrat 502, dans les chemins de découpe 506, sur le contact électrique 504 et sur la portion 508 de matériau sacrificiel (figure 10E). Cette couche épaisse d'encapsulation 510 a par exemple une épaisseur supérieure à environ 100 }gym, et est à base de résine déposée par exemple par injection, ou à base de matériaux équivalents (résine époxy, ...) . Le substrat 502 est ensuite aminci depuis une face arrière 511 opposée à la face avant 501. Sur l'exemple de la figure 10F, l'amincissement est réalisé par exemple par un polissage mécano-chimique avec arrêt sur le matériau de la couche épaisse d'encapsulation 510 disposé dans les chemins de découpe 506. Des trous 509 sont ensuite réalisés à travers le substrat aminci 502, formant des accès depuis une face arrière 514 du substrat 502 aminci au contact électrique 504 et à la portion 508 de matériau sacrificiel (figure 10G). Comme représenté sur la figure 10H, la portion 508 de matériau sacrificiel est alors gravée, par exemple par une gravure plasma lorsque le matériau sacrificiel de la portion 508 est un matériau organique, à travers le trou 509 qui débouche sur la portion 508 de matériau sacrificiel, formant une cavité 516 dans laquelle le microcomposant 500 se retrouve encapsulé. Dans la variante représentée sur la figure 10D où la portion 508 de matériau sacrificiel recouvre également le contact électrique 504, ce dernier se retrouve alors également encapsulé dans la cavité 516. 37 Le trou 509 qui débouche sur le contact électrique 504 est par exemple rempli d'un matériau électriquement conducteur, formant un via conducteur 513 « classique », remplissant une fonction de conduction électrique entre le contact électrique 504 et la face arrière 514 du substrat 502. Le trou 509 qui débouche dans la cavité 516 est rendu électriquement conducteur en mettant en oeuvre les étapes précédemment décrites en liaison avec les figures 6A à 6E, formant un via 515 assurant à la fois une fonction de conduction de signaux électriques entre l'intérieur de la cavité 516 et la face arrière 514 du substrat 502 et une fonction de refroidissement du volume intérieur de la cavité 516. Il est par exemple possible qu'un contact électrique, non représenté sur les figures 10A à 10I, permette de relier électriquement la couche électriquement conductrice destinée à être réalisée sur les parois latérales du via 515 débouchant dans la cavité 516 avec le microsystème 500. Ainsi, le via 515 débouchant dans la cavité 516 permet à la fois de libérer le microcomposant 500, d'assurer une conduction électrique entre la face arrière 514 du substrat 502 et l'intérieur de la cavité 516 (par exemple avec le microsystème 500) et à faire circuler un fluide caloporteur à l'intérieur de la cavité 516, assurant ainsi un refroidissement du microcomposant 500. Le composant électronique 600 est ensuite achevé en réalisant des contacts électriques au niveau de la face arrière 514 du substrat 502, ces contacts étant reliés aux nias conducteurs 515 et 513. 38 L'ensemble ainsi réalisé est ensuite découpé au niveau des chemins de découpe 506, permettant d'avoir le composant électronique 600 sous la forme d'une puce individuelle prêt à être intégré sur un support de type carte électronique ou circuit imprimé, ou superposé et interconnecté à un autre composant électronique. Dans une variante, par exemple lorsque la couche épaisse d'encapsulation 510 n'offre pas une tenue suffisante du substrat 502 après son amincissement ou lorsque le dépôt de la couche épaisse d'encapsulation 510 induit une trop forte flèche sur l'ensemble réalisé, il est possible de reporter temporairement l'ensemble des éléments représentés sur la figure 10E sur un second substrat servant temporairement de poignée mécanique. La face supérieure de la couche épaisse d'encapsulation 510 est dans ce cas solidarisée à un second substrat par l'intermédiaire d'une couche de collage. Les étapes précédemment décrites en liaison avec les figures 10F à 10I sont ensuite mises en oeuvre de manière analogue. Le second substrat formant la poignée temporaire peut ensuite être désolidarisé de la couche épaisse d'encapsulation 510.
Lorsque le microcomposant 500 est un composant optique ou optoélectronique, par exemple de type MOEMS, le matériau de la couche épaisse d'encapsulation 510 peut être un matériau au moins partiellement transparent à la lumière.
Selon une autre variante, il est également possible, préalablement au dépôt de la couche épaisse 39 d'encapsulation 510, de recouvrir la portion de matériau sacrificiel 508 d'une couche minérale, par exemple à base de SiO2 et/ou de SiN, par exemple déposée par PECVD. Cette variante permet d'obtenir une meilleure sélectivité de gravure de la portion 508 de matériau sacrificiel car le matériau de la couche minérale présente une sélectivité de gravure, par rapport au matériau sacrificiel de la portion 508, plus importante que celle obtenue vis-à-vis du matériau de la couche épaisse d'encapsulation 510. Dans ce cas, les parois internes de la cavité sont formées par cette couche minérale. On se réfère aux figures 11A à 11H qui représentent les étapes d'un procédé de réalisation du composant électronique 600 selon un troisième mode de réalisation. Comme représenté sur la figure 11A, le microcomposant 500 est réalisé sur la face avant 501 du substrat 502. Un ou plusieurs contacts électriques 518 reliés au microcomposant 500 sont réalisés sur la face avant 501 du substrat 502. Contrairement au contact électrique 504 précédemment décrit en liaison avec les figures 10A à 10I, le contact électrique 518 a ici une forme particulière dite « en corolle ». En effet, comme représenté sur la figure 11B, ce contact électrique 518 comporte une partie électriquement conductrice 520, par exemple à base de métal, entourant une partie vide 522. La partie électriquement conductrice 520 a ici une forme d'anneau ou de couronne. De plus, le contact électrique 518 40 comporte une portion de matériau électriquement conducteur 524 reliant électriquement la partie 520 en forme d'anneau au microcomposant 500. De manière analogue au second mode de réalisation précédemment décrit en liaison avec les figures 10A à 10I, des chemins de découpe 506 du substrat 502 délimitant les différentes puces destinées à être réalisées sur le substrat 502 (dont l'une correspond au composant électronique 600) sont gravés dans le substrat 502 au niveau de sa face avant 501 (figure 11C). Comme représenté sur la figure 11D, une portion de matériau sacrificiel 508 est ensuite réalisée sur le substrat 502 afin de recouvrir le microcomposant 500 et le contact électrique 518, comme sur la variante précédemment décrite en liaison avec la figure 10D. La couche épaisse d'encapsulation 510 est ensuite déposée sur l'ensemble du substrat 502, c'est- à-dire sur la face avant 501 du substrat 502, dans les chemins de découpe 506 et sur la portion 508 de matériau sacrificiel (figure 11E). Le substrat 502 est ensuite aminci depuis une face arrière 511 opposée à la face avant 501. Sur l'exemple de la figure 11F, l'amincissement est réalisé par exemple par un polissage mécano-chimique avec arrêt sur le matériau de la couche épaisse d'encapsulation 510 disposé dans les chemins de découpe 506. Un trou 509 est ensuite réalisé à travers le substrat aminci 502, formant un accès depuis une face arrière 514 du substrat aminci 502 à la portion 41 508 de matériau sacrificiel par l'intermédiaire de l'espace vide 522 du contact électrique 518 (figure 11G). Le trou 509 est ici aligné avec la partie vide 522 du contact électrique 518 afin que le trou 509 débouche sur la portion 508 de matériau sacrificiel par l'intermédiaire de l'espace vide 522. Comme représenté sur la figure 11H, la portion 508 de matériau sacrificiel est alors gravée, par exemple par une gravure plasma lorsque le matériau sacrificiel de la portion 508 est un matériau organique, à travers le trou 509, formant une cavité 516 dans laquelle le microcomposant 500 et le contact électrique 518 se retrouvent encapsulés. Le procédé de réalisation du composant électronique 600 est ensuite achevé en mettant en oeuvre les étapes précédemment décrites en liaison avec les figures 6A à 6E afin que le via conducteur 515 puisse assurer à la fois une fonction de conduction de signaux électriques entre la face arrière 514 du substrat 502 et le microcomposant 500 et une fonction de refroidissement en servant de canal de circulation de fluide caloporteur, permettant de refroidir l'intérieur de la cavité 516 et notamment refroidir le microcomposant 500.
Dans ce troisième mode de réalisation, le via conducteur 515, c'est-à-dire le via permettant d'accéder électriquement au contact électrique 518, et le via de libération, c'est-à-dire le via permettant d'accéder à la portion 508 de matériau sacrificiel afin de la graver, sont ici confondus et formés par un seul et même via.
42 L'ensemble ainsi réalisé est ensuite découpé au niveau des chemins de découpe 506 réalisés dans le substrat 502, permettant d'avoir le composant électronique 600 sous la forme d'une puce individuelle, prêt à être intégré sur une carte électronique ou un circuit imprimé, ou superposé et interconnecté à un ou plusieurs autres composants électroniques. Dans les composants électroniques précédemment décrits et comportant le microcomposant 500, le trou de libération formé par le via conducteur 515 n'est donc pas bouché mais utilisé afin de faire circuler un fluide de refroidissement dans la cavité afin de réguler l'échauffement du microcomposant 500 et faire circuler un signal électrique entre la face arrière 514 du substrat 502 et l'intérieur de la cavité 516 dans laquelle le microcomposant 500 est encapsulé. Bien que non représentés, le dispositif peut comporter différents moyens permettant de faire circuler le fluide caloporteur dans les zones de circulation du fluide, par exemple une pompe lorsque le fluide caloporteur est un liquide ou un système de ventilation lorsque le fluide est un gaz. Dans tous les exemples précédemment décrits, la circulation d'un fluide caloporteur permet de réaliser un refroidissement des composants électroniques. Toutefois, les zones de circulation de fluide des composants électroniques peuvent également servir à la circulation d'un fluide ayant une autre fonction que celle d'un refroidissement, par exemple une fonction de chauffage, ou autre.

Claims (29)

  1. REVENDICATIONS1. Composant électronique (100, 400, 600) comportant au moins un via conducteur (106, 410, 515) réalisé dans au moins un substrat (101, 402, 502), dans lequel le via conducteur (106, 410, 515) s'étend entre une première extrémité (105) qui forme une ouverture débouchant au niveau d'une face (104, 514) du substrat (101, 402, 502) et une seconde extrémité (107), le via conducteur (106, 410, 515) comportant en outre au moins une portion de matériau électriquement conducteur (110) s'étendant depuis la première extrémité (105) jusqu'à la seconde extrémité (107) et au moins un espace vide (114) apte à former une zone de circulation d'un fluide s'étendant depuis la première extrémité (105) jusqu'à la seconde extrémité (107).
  2. 2. Composant électronique (100, 400, 600) selon la revendication 1, dans lequel la portion de matériau électriquement conducteur (110) entoure l'espace vide (114).
  3. 3. Composant électronique (100, 400, 600) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le via conducteur (106, 410, 515) a une forme sensiblement cylindrique, la portion de matériau électriquement conducteur (110) comportant une section, dans un plan parallèle à ladite face (104, 514) du substrat (101, 402, 502), formant une couronne, l'espace vide (114) étant de forme sensiblement cylindrique. 44
  4. 4. Composant électronique (100, 400, 600) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le via conducteur (106, 410, 515) comporte une section, dans un plan parallèle à ladite face (104, 514) du substrat (101, 402, 502), de forme sensiblement rectangulaire ou ovale.
  5. 5. Composant électronique (100, 400, 600) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le via conducteur (106, 410, 515) comporte en outre au moins une deuxième portion de matériau électriquement conducteur (110b) s'étendant depuis la première extrémité (105) jusqu'à la seconde extrémité (107), disposée de manière concentrique à la portion de matériau électriquement conducteur (110) et isolée électriquement de ladite portion de matériau électriquement conducteur (110).
  6. 6. Composant électronique (100, 400, 600) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le via conducteur (106, 410, 515) comporte plusieurs portions de matériau électriquement conducteur (110b) disjointes, s'étendant depuis la première extrémité (105) jusqu'à la seconde extrémité (107) et disposées les unes à côté des autres dans le via conducteur (106, 410, 515).
  7. 7. Composant électronique (100, 400, 600) selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre une première portion de matériau diélectrique (108) disposée entre la portion de matériau 45 électriquement conducteur (110) et le substrat (101, 402, 502), et/ou une seconde portion de matériau diélectrique (112) disposée entre la portion de matériau électriquement conducteur (110) et l'espace vide (114).
  8. 8. Composant électronique (100, 400, 600) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau électriquement conducteur a un coefficient de conductivité thermique supérieur à environ 50 W.m-1.K-1.
  9. 9. Composant électronique (400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la seconde extrémité du via conducteur (410) est fermée par au moins une portion d'une couche d'interconnexion (406) du composant (400), la portion de matériau électriquement conducteur étant reliée électriquement, au niveau de la seconde extrémité, à la portion de la couche d'interconnexion (406).
  10. 10. Composant électronique (100, 400, 600) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la seconde extrémité (107) du via conducteur (106, 410, 515) forme une ouverture débouchant au niveau d'une seconde face (102, 501) du substrat (101, 402, 502) opposée à la face (104, 514) au niveau de laquelle débouche l'ouverture formée par la première extrémité (105) du via conducteur (106, 410, 515).30 46
  11. 11. Composant électronique (400, 600) selon la revendication 10, dans lequel la portion de matériau électriquement conducteur est reliée électriquement, au niveau de la seconde extrémité du via conducteur (410, 515), à au moins un contact électrique (412, 518) disposé sur la seconde face (501) du substrat (402, 502).
  12. 12. Composant électronique (600) selon l'une des revendications 10 ou 11, comportant en outre un microcomposant (500) disposé sur la seconde face (501) du substrat (502) et encapsulé dans une cavité (516), l'ouverture formée par la seconde extrémité du via conducteur (515) débouchant dans la cavité (516). 15
  13. 13. Composant électronique (600) selon la revendication 12, dans lequel, lorsque la portion de matériau électriquement conducteur est reliée électriquement, au niveau de la seconde extrémité du 20 via conducteur (515), à un contact électrique (518) disposé sur la seconde face (501) du substrat (502), ledit contact électrique (518) est disposé dans la cavité (516) et comporte une portion de matériau électriquement conducteur (520) disposée au moins en 25 partie en périphérie de l'ouverture formée par la seconde extrémité du via conducteur (515).
  14. 14. Composant électronique (100, 400, 600) selon l'une des revendications précédentes, comportant 30 en outre un matériau poreux disposé dans le via conducteur (106, 410, 515), l'espace vide (114) correspondant aux porosités dudit matériau poreux. 47
  15. 15. Dispositif électronique (200, 300) comportant au moins un support (202) sur lequel est solidarisé au moins un composant électronique (100) selon l'une des revendications précédentes.
  16. 16. Dispositif électronique (200, 300) selon la revendication 15, dans lequel la portion de matériau électriquement conducteur (110) du composant électronique (100) est reliée électriquement à au moins un contact électrique (204) disposé sur le support (202).
  17. 17. Dispositif électronique (300) selon l'une des revendications 15 ou 16, dans lequel au moins un canal de circulation de fluide (306) est formé dans le support (202) et couplé, au niveau de l'ouverture formée par la première extrémité (105) du via conducteur (106), à l'espace vide (114) du composant électronique (100).
  18. 18. Dispositif électronique (300) selon la revendication 17, dans lequel le couplage entre le canal de circulation de fluide (306) formé dans le support (202) et l'espace vide (114) du composant électronique (100) est étanche.
  19. 19. Dispositif électronique (200, 300) selon l'une des revendications 15 à 18, comportant une pluralité de composants électroniques (100) selon l'une des revendications 10 ou 11 superposés les uns sur les autres et dont les espaces vides (114) formant les zones de circulation de fluide sont couplés les uns aux autres. 48
  20. 20. Dispositif électronique (200, 300) selon la revendication 19, dans lequel le support (202) est formé par un desdits composants électroniques (100).
  21. 21. Dispositif électronique (200) selon l'une des revendications 19 ou 20, dans lequel les espaces vides (114) formant les zones de circulation de fluide des composants électroniques (100) sont alignés les uns par rapport aux autres.
  22. 22. Dispositif électronique (200, 300) selon l'une des revendications 15 à 21, comportant en outre des moyens pour faire circuler un gaz ou un liquide caloporteur au moins à travers les espaces vides (114) formant les zones de circulation de fluide du ou des composants électroniques (100).
  23. 23. Procédé de réalisation d'un composant électronique (100, 400, 600), comportant la réalisation d'au moins un via conducteur (106, 410, 515) par la mise en oeuvre des étapes suivantes . - réalisation d'au moins un trou (103, 509) dans au moins un substrat (101, 402, 502), le trou (103, 509) s'étendant entre une première extrémité (105) qui forme une ouverture débouchant au niveau d'une face (104, 514) du substrat (101, 402, 502) et une seconde extrémité (107), - réalisation, dans le trou (103, 509), d'au moins une portion de matériau électriquement conducteur (110) s'étendant depuis la première extrémité (105) jusqu'à la seconde extrémité (107), au 49 moins un espace vide (114) restant du trou (103, 509) s'étendant depuis la première extrémité (105) jusqu'à la seconde extrémité (107) étant apte à former une zone de circulation d'un fluide.
  24. 24. Procédé de réalisation selon la revendication 23, dans lequel la réalisation de la portion de matériau électriquement conducteur comporte la mise en oeuvre d'un dépôt d'une couche du matériau électriquement conducteur (110) contre au moins une partie des parois latérales du trou (103, 509).
  25. 25. Procédé de réalisation selon la revendication 24, comportant en outre, préalablement au dépôt de la couche de matériau électriquement conducteur (110), une étape de dépôt d'une première couche de matériau diélectrique (108) contre les parois latérales du trou (103, 509), la couche de matériau électriquement conducteur (110) étant déposée contre la première couche de matériau diélectrique (108), et/ou comportant en outre une étape de dépôt d'une seconde couche de matériau diélectrique (112) contre la couche de matériau électriquement conducteur (110).
  26. 26. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 23 à 25, dans lequel la seconde extrémité (107) du via conducteur (515) forme une ouverture débouchant au niveau d'une seconde face (501) du substrat (502) opposée à la face (514) au niveau de laquelle débouche l'ouverture formée par la première extrémité (105) du via conducteur (515), comportant en 50 outre, préalablement à la réalisation du via conducteur (515), la réalisation d'un microcomposant (500) sur la seconde face (501) du substrat (502) et encapsulé dans une cavité (516) remplie par au moins un matériau sacrificiel (508), et comportant en outre, entre l'étape de réalisation du trou (509) dans le substrat (502) et l'étape de réalisation de la portion de matériau électriquement conducteur (110), une étape de gravure du matériau sacrificiel (508) à travers le trou (509).
  27. 27. Procédé de réalisation d'un dispositif électronique (200, 300), comportant au moins la mise en oeuvre d'un procédé de réalisation d'au moins un composant électronique (100) selon l'une des revendications 23 à 26, et une solidarisation du composant électronique (100) sur un support (202).
  28. 28. Procédé de réalisation selon la revendication 27, comportant en outre la réalisation d'au moins un canal de circulation de fluide (306) dans le support (202) et le couplage dudit canal de circulation de fluide (306) avec l'espace vide (114) du composant électronique (110) au niveau de l'ouverture formée par la première extrémité (105) du via conducteur (106).
  29. 29. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 27 ou 28, comportant en outre la superposition d'une pluralité de composants électroniques (100), obtenus par la mise en oeuvre d'un 51 procédé selon l'une des revendications 23 à 26, les uns sur autres, et le couplage des espaces vides (114) formant les zones de circulation de fluide desdits composants électroniques (100) les uns aux autres.5
FR1150047A 2011-01-04 2011-01-04 Composant electronique comprenant un via conducteur realisant une fonction de dissipation thermique Pending FR2964791A1 (fr)

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