FR3121278A1 - Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage - Google Patents

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Jean-Christophe Riou
Corinne PONS
Alain JAUSSENT
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Safran Electronics and Defense SAS
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Abstract

Le procédé comprend les étapes successives suivantes :- on réalise un empilement comprenant un substrat (30), un composant électronique (28) et un matériau de frittage (26) interposé entre le composant et le substrat,- on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau un pic exothermique préalable (8) qui précède un pic exothermique de frittage (10) sans que la température du matériau atteigne un maximum du pic exothermique de frittage, et– on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau. Figure de l’abrégé : Fig 4

Description

Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat par pressage
DOMAINE DE L’INVENTION
L'invention concerne l’assemblage de composants électroniques divers au moyen d’un matériau de frittage comprenant par exemple de l'argent ou du cuivre.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le frittage à base d'argent est couramment utilisé pour l’assemblage de composants électroniques, qu’il s’agisse de composants, ou puces, de puissance ou passifs.
Les procédés de frittage connus sont généralement classés en deux catégories :
- le frittage sans pression à partir d’une couche de frittage argent, de nature visqueuse à liquide, préalablement appliquée sur un substrat dans laquelle on vient appliquer le composant à assembler en exerçant une faible pression de l’ordre de quelques centaines de grammes ; et
- le frittage au moyen d’un film solide appliqué sur le substrat ou sur la puce préalablement à l'assemblage du substrat et de la puce par le moyen d’une forte pression.
L’invention concerne notamment l’assemblage simultané de pièces simples entre deux substrats, incluant des composants électroniques avec différentes épaisseurs ou des ensembles de composants électroniques pouvant eux-mêmes être issus de l'assemblage d’un premier empilage.
On considère notamment des composants d’épaisseur fine devant la diagonale ou la plus grande dimension en surface du composant. Le critère critique à prendre en compte est typiquement celui de composants ou de substrats dont la surface encastrée avec un autre élément donne un produit diagonal*épaisseur3inférieur à 2.3.10-2mm4(cette grandeur est proportionnelle au moment quadratique de la liaison).
Si on tente d’assembler une puce fine (par exemple de dimension 5*5*0.1 mm3donnant un critère de 0.9.10-3mm4) sur un substrat rigide en céramique avec un frittage sans pression, la densification du matériau de frittage à base d'argent se produit du centre vers la périphérie de la puce. Or cela provoque un rétreint du matériau. La puce se trouve alors mise en flexion, avec des lignes de liaison du matériau de frittage ayant une épaisseur parfois inférieure à 5 µm.
On cherche donc à garantir à la fois une épaisseur de ligne de liaison (en anglaisbond line thicknessou BLT) qui soit acceptable (supérieure à 50 µm) et une planéité de la puce après frittage sur sa diagonale qui soit meilleure que 10 µm. Il s’agit en effet d’éviter l’impact de la mise en flexion et l'apparition d'efforts normaux à la surface du substrat entraînant des contraintes en arrachement au cours du vieillissement de la liaison. Le procédé que l’on cherche à obtenir devrait être aussi utilisable pour des composants ayant un critère supérieur au critère critique.
Les documents décrivant des procédés de frittage sans pression concernent généralement des puces assemblées collectivement sur une seule face. Si besoin, un frittage à double face peut être mis en œuvre avec des pâtes de frittage argent sous forme visqueuse au moyen de procédés sans pression mais cela ne donne pas des assemblages fiables sur le long terme. On observe en effet le développement d’efforts différentiels en flexion diminuant la durée de vie de l’assemblage.
Le document WO2014135151 concerne l’assemblage double face de puces de tailles diverses en une seule étape avec pression et utilisation d’un matelas en silicone sur les deux faces permettant l’appui simultané sur plusieurs surfaces. Ce procédé entraîne cependant l’apparition de cavités dans le matériau de frittage car il reste difficile d’exercer une pression partout avec un film rigide d’épaisseur relativement faible (inférieur à 50 µm).
Le document EP-3 408 863 propose d’insérer des pièces intercalaires entre les puces et les substrats supérieur ou inférieur pour compenser les différences de hauteur dues aux chaines de cotes différentes de chaque site d’assemblage et ainsi permettre un assemblage sous pression simultané des différents sites. Il permet d’utiliser des films et de compenser les hauteurs avec peu d’apparition de cavités mais il est difficile à industrialiser en particulier en fonction des épaisseurs à compenser.
Le document US20170092611 prévoit l’utilisation de films solides ou d’un film formé sur le substrat par un dépôt direct de type plasma ou évaporation. Ce procédé reste cependant délicat à employer pour les mêmes raisons que ci-dessus en cas de besoin de compensation de fortes épaisseurs de marches.
De manière générale, lorsqu’un procédé sous pression est mis en œuvre, le frittage est mené sous pression jusqu’au bout du fait que la mise en place est lourde pour y parvenir (mise sous pression et gestion de la température des parties supérieure et inférieure appelées "top" et "bottom"). Si le choix est fait d’aller vers ce type de procédé, c’est qu’il était nécessaire pour améliorer la densification (par exemple en raison d’une faible contrainte obtenue lors d’un frittage dans une structure en sandwich symétrique entrainant sans pression une mauvaise densification).
Ces documents sont issus pour la plupart de la mouvance de la première phase de l’utilisation du frittage argent, aux environs des années 2010-2014, à une époque où les puces n’étaient pas aussi fines que maintenant et avec des critères minimaux autour de 0.4 mm4.
La création d’un film solide à partir d’une pâte a été prévue au départ justement pour améliorer la densification du frittage par l’ajout de la pression. Aujourd’hui, de moins en moins de clients achètent des films à fritter en argent et on se dirige vers le frittage sans pression pour des raisons de coût et de mise en œuvre simplifiée.
Cependant, des problèmes apparaissent avec les puces fines. Notamment, on observe sous la puce un stockage de solvant n’ayant pas pu s’évacuer, ce qui occasionne l’apparition de cavités. De plus, la fiabilité des assemblages en cyclage thermique est très mauvaise du fait de la non-maîtrise du BLT.
L'invention vise donc à améliorer la qualité de la densification du matériau de frittage et la maîtrise du BLT.
Elle vise notamment la situation dans laquelle il est impossible d’utiliser un procédé collectif sous pression avec un matelas en silicone en raison de l’existence, avant l’assemblage des puces de puissance, de broches et de plots sur le substrat et aussi en raison du besoin de fritter sur le même substrat des puces dites fines (critère critique selon un calcul du moment quadratique de 0.9.10-3mm4) et des puces dites épaisses (critère au-dessus de 0.1 mm4).
A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé pour assembler un composant électronique à un substrat, comprenant les étapes successives suivantes :
- on réalise un empilement comprenant un substrat, un composant électronique et un matériau de frittage interposé entre le composant et le substrat,
- on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau un pic exothermique préalable qui précède un pic exothermique de frittage sans que la température du matériau atteigne un maximum du pic exothermique de frittage, et
– on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
L’invention permet un assemblage des puces dites « fines » ou “épaisses” par frittage à base d'argent par exemple. Elle permet aussi l’assemblage de plusieurs puces en simultané entre deux substrats, incluant des composants électroniques avec différentes épaisseurs ou des ensembles de composants électroniques pouvant eux-mêmes être issus de l'assemblage d’un premier empilage.
Le procédé de l'invention peut donc être mis en œuvre de la façon suivante :
- mise sous pression modérée de la puce (par exemple quelques MPa) permettant à la fois le fluage de la pâte sous la puce (élimination des sommets et des vallées) et ce à une température modérée (par exemple 170°C) de façon à positionner l’assemblage dans le début de la zone de frittage par diffusion en surface des particules du matériau de frittage, par exemple des particules d’argent ;
- éventuellement, reproduction des étapes d'assemblage et de pressage à chaud sur la puce suivante ou chacune des puces suivantes jusqu’à la dernière puce du module. Cela peut aller jusqu'à plusieurs dizaines de puces ; et
- frittage collectif en une seule passe de toutes les puces.
Il s'agit donc de contenir la température tout en pressant à une pression donnée dans un espace d’énergies qui est compris à minima juste après le pic exothermique préalable et au maximum avant le pic de frittage, soit en pratique souvent entre 170 et 250°C.
L'invention met en œuvre une étape de type fluage local entraînant le moins possible d’historique thermique sur les puces déjà en place le cas échéant et une étape collective pour le frittage.
En effet, augmenter le BLT jusqu’à 60 µm au moins tout en garantissant une planéité à 10 µm au maximum ne peut pas se faire uniquement avec un frittage sans pression. Il faut pouvoir fritter sur une surface préalablement rendue plane et rigide mais active au frittage dès le départ, avec l’aide de la pression pour assurer un maintien de la puce à une cote précise en hauteur.
Le film de matériau de frittage peut résulter d’une découpe faite à l’emporte-pièce dans une feuille commerciale de grande taille et à la bonne épaisseur. Il peut aussi avoir été fabriqué sur le substrat par distribution et séchage en étant prêt à être fritté.
Dans un mode de réalisation, la puce peut être adhérisée à froid sous 2 MPa au maximum pour permettre la manipulation. En général, suite à l’adhérisation, il faut considérer que la pâte n’est pas totalement plane, et il peut exister des sommets et des vallées de l’ordre de 40 à 50 µm liés à l’application de la pâte par distribution.
Lors du pressage à chaud, le but est bien de contenir la température entre le maximum du pic exothermique préalable et une température inférieure au maximum du pic exothermique de frittage. Si la température de frittage est de 250°C par exemple, alors théoriquement on peut amener la température jusqu’à 245°C. Le frittage dur n’aura pas lieu, éventuellement seulement un pré-frittage.
Cependant, on peut prévoir qu'on presse l'empilement à chaud sans que la température du matériau atteigne une valeur égale à un maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage.
En effet, par exemple s’agissant d’assembler plusieurs puces, pour tenir compte de l’historique thermique de chaque matériau, il est préférable de garder la température aussi basse que possible afin de ne pas entamer le capital thermique de ces matériaux lors des pressages successifs.
On peut prévoir que le procédé présente en outre au moins l’une des caractéristiques suivantes :
- préalablement à la réalisation de l'empilement, on découpe le matériau dans une feuille ;
- le pressage a lieu pendant une durée comprise entre 10 et 30 secondes ;
- le pressage a lieu à une pression comprise entre 1.9 et 2.1 MPa, et notamment, au cours d'une première phase, à une pression comprise entre 0.38 et 0.42 MPa ;
- le pressage a lieu à une température supérieure ou égale à 170°C;
- le chauffage a lieu pendant une durée comprise entre 20 et 60 minutes ;
- le chauffage a lieu à la pression atmosphérique ;
- le chauffage a lieu à une température comprise entre 220°C et 280°C ;
- un élément parmi le composant et le substrat présente une surface de contact avec le matériau, à l’issue du procédé, telle que
D * E =< 2.3.10-2mm4
où :
- D désigne une plus grande diagonale de la surface de contact, et
- E désigne une épaisseur maximale de l’élément.
On peut prévoir que :
- l'empilement étant un premier empilement, le composant étant un premier composant et le matériau de frittage formant une première portion, on réalise au moins un deuxième empilement comprenant le substrat, un deuxième composant électronique et une deuxième portion du matériau de frittage interposée entre le deuxième composant et le substrat ;
- on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable sans que la température du matériau atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage; et
- lors du chauffage, on chauffe tous les empilements de façon à réaliser le frittage du matériau.
Dans un mode de réalisation, les premier et deuxième composants présentent des épaisseurs différentes l’un de l’autre.
On peut prévoir que, l'empilement étant un premier empilement, le composant étant un premier composant, le matériau de frittage formant une première portion et le substrat étant un premier substrat :
- on réalise un deuxième empilement comprenant un deuxième substrat, un deuxième composant électronique et une deuxième portion du matériau de frittage interposée entre le deuxième composant et le deuxième substrat,
- indépendamment de l'étape de pressage précitée, on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable sans que la température du matériau atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage, et
- on assemble le premier substrat au deuxième substrat en interposant le premier composant et le deuxième composant entre le premier substrat et le deuxième substrat ; et
- on effectue l'étape de chauffage de façon à chauffer tous les empilements simultanément.
On prévoit également selon l'invention un procédé de test d’un matériau de frittage, dans lequel :
- on chauffe un échantillon de test d’un matériau de frittage en l’exposant à une température croissante, et
- durant le chauffage, on mesure une température du matériau et on détecte une première valeur de température de chauffage correspondant à un maximum d'un pic exothermique préalable qui précède un pic exothermique de frittage et une deuxième valeur de température de chauffage correspondant à un maximum du pic exothermique de frittage.
On prévoit aussi selon l'invention un procédé pour assembler un composant électronique à un substrat, comprenant les étapes successives suivantes :
- on met en œuvre le procédé de test selon l'invention,
- on réalise un empilement comprenant un substrat, un composant électronique et un matériau de frittage interposé entre le composant et le substrat,
- on presse l'empilement à chaud en l’exposant à une température supérieure à la première valeur et inférieure à la deuxième valeur, et
– on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
On prévoit enfin selon l'invention une installation pour assembler un composant électronique à un substrat, l’installation comprenant :
- un support,
- un organe apte à exercer une pression,
- des moyens de chauffage, et
- des moyens aptes à commander l’exécution d’un procédé selon l'invention.
DESCRIPTION DES FIGURES
Nous allons maintenant présenter des modes de réalisation de l'invention à titre d'exemples non-limitatifs à l'appui des dessins sur lesquels :
la est un graphique montrant l’évolution de la masse d’un matériau de frittage (mesurée par thermogravimétrie) repérée sur l’axe des ordonnées à gauche, en fonction de la température de chauffage qu’on lui applique en abscisse et l’évolution de son énergie (par une mesure de calorimétrie différentielle à balayage) sur l’axe des ordonnées à droite, en fonction de cette même variable ;
la est un graphique qui illustre les domaines de stabilité thermodynamique de l’argent et de son oxyde en fonction de la température et de la pression partielle en oxygène ;
la est un graphique similaire à celui de la pour un deuxième matériau de frittage ;
la montre deux étapes du procédé selon l’invention mis en œuvre dans une installation selon l’invention ;
la est un diagramme montrant l'évolution en fonction du temps des températures appliquées sur le bras et le support et de la pression appliquée par le bras lors d'une étape du procédé ; et
les figures 6 et 7 sont des vues de deux modules fabriqués au moyen de l'invention dans deux modes de réalisation.
Présentation générale
Dans le procédé selon l’invention, on exécute les étapes successives suivantes :
- on réalise un empilement comprenant un substrat, un composant électronique et un matériau de frittage interposé entre eux,
- on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau un pic exothermique préalable qui précède un pic exothermique de frittage sans que la température du matériau atteigne un maximum du pic exothermique de frittage, et
– on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
Des analyses par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et des analyses thermogravimétriques (TGA) couplées ont été menées sous air sur une pâte à fritter du commerce à base d'argent. Il s’agit de la pâte commercialisée par la société Henkel sous le nom LOCTITE ABLESTIK SSP 2020
Ainsi, la montre l’évolution de la masse du matériau de frittage (mesurée par TGA) repérée sur l’axe des ordonnées à gauche, en fonction de la température de chauffage croissante qu’on lui applique en abscisse. De même, elle montre l’évolution de la mesure de DSC sur l’axe des ordonnées à droite, en fonction de cette même variable. La courbe de DSC est exprimée en μV/mg et non en mW/mg. Les creusets utilisés étaient en alumine. On expose le matériau à un chauffage progressif avec une vitesse de montée en température de 10°C/min.
Que l’expérience soit faite sous air ou sous argon, la courbe de TGA monte que la perte de masse de cette pâte n°1 (et donc l’évacuation des solvants) s’effectue en deux temps : une première perte de masse, majeure, débute à 130°C dans les deux cas (première bosse 2 visible sur la figure) et une seconde, mineure, s’observe au-delà de 250°C.
La perte de masse majeure coïncide à partir de 130°C avec deux petits pics 6, 8 sur la courbe de DSC. Le premier 6 est plutôt endothermique, l’autre 8 est exothermique. La petite taille des pics peut s’expliquer par le fait que, thermiquement, les deux phénomènes, plus ou moins simultanés, se compensent.
Concernant le premier pic 6, la perte de masse qui s’initialise à 130°C est représentative de l’évaporation des solvants et c’est une donnée fournie par le fabricant. Elle se poursuit en pratique jusqu’à 170.8°C. Dans cette zone, le solvant reste présent et bloque clairement la formation d’oxyde d'argent (Ag203) qui pourrait avoir lieu sinon en dessous de 150°C. La illustre en effet les domaines de stabilité thermodynamique de l’argent et de son oxyde en fonction de la température et de la pression partielle en oxygène. Elle montre que, dans une atmosphère composée de 20% d’oxygène, l’oxyde d’argent n’est pas thermodynamiquement stable au-delà de 150°C. En dessous de cette température, bien que thermodynamiquement possible, la réaction d’oxydation de l’argent ne se produit pas car elle est cinétiquement bloquée, ce qui est le cas sur la grâce à la présence d’un composé de protection organique.
Le petit pic exothermique 8 qui apparaît sur la à partir de 151,2°C (le minimum local du pic endothermique 6) et qui a son maximum à 170.8°C n’est mentionné ni par le fabricant ni dans la littérature.
On le retrouve sur une analyse similaire faite sous air sur une pâte à fritter d’une autre marque, elle aussi à base d’argent, et illustrée à la . Il s’agit de la pâte commercialisée par la société Heraeus sous le nom Magic® DA295A. (Des analyses similaires peuvent être faites sur une pâte commercialisée sous le nom Argomax® Alpha® par la société MacDermid Alpha Electronics Solutions et sur une pâte commercialisée sous le nom Quicksinter® par la société Indium Corporation). Ici ce petit pic exothermique démarre à 192.4°C et a son maximum à 198.7°C. Là encore, il n’est pas mentionné par le fabricant. Dans tous les cas, seule l’évaporation des solvants à 130°C est mentionnée par les fabricants ou la littérature.
Or, entre 130°C et 170°C, d’autres phénomènes majeurs sont présents. Dans cette gamme, on se trouve en présence de flocons d’argent non oxydés ayant une taille comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques dizaines de microns et des traces de solvants.
La DSC couplée à la TGA montre clairement que, sous air, lors de la perte de masse majeure, il y a concurrence entre un phénomène exothermique et un phénomène endothermique (combustion et évaporation). En revanche, sous argon, la perte de masse principale correspond à un pic endothermique. Cela signifie que, sous gaz neutre, la perte de masse principale se fait plus par évaporation que par décomposition des solvants.
Cependant, la concurrence des phénomènes qui apparaissent dans cette zone, mais potentiellement à des températures différentes suivant les pâtes, donne naissance au petit pic exothermique précité 8 qui est le marqueur de l’activation des paillettes d’argent pour un fluage ou un frittage ultérieur.
Lors d’une expérimentation, le premier pic exothermique est à déterminer sous air car il n’apparaît pas dans la DSC sous gaz neutre ou sous vide.
A la , sur la courbe de DSC, on observe aussi le plus grand pic exothermique 10 du matériau de frittage lorsqu'il est exposé à une température produisant le frittage, ce pic de frittage culminant à son maximum de 259°C. Il représente la température à laquelle l’efficacité de la densification du frittage est maximale.
Cependant, comme déjà indiqué, la pâte a commencé à se transformer au préalable, à savoir lors du pic exothermique 8 moins élevé que le pic de frittage 10 et ayant son maximum à 170,8°C. A mesure que continue à croitre la température de chauffage, la température du matériau redescend légèrement avant de suivre le pic de frittage.
Le frittage du matériau peut se décomposer en trois phases successives :
1. Formation et croissance de « ponts » entre les particules de la poudre. A ce stade, on a une porosité ouverte (ou tubulaire) ;
2. Réduction de la porosité ouverte jusqu’à la fermeture des pores, traditionnellement vers 92% de densité relative ; et
3. Élimination des pores fermés résiduels.
La phase 1 démarre en fait dès le pic exothermique préalable 8 et donc dès qu'on expose le matériau à la température de 170°C. Des analyses combinées TGA/DSC effectuées sur beaucoup d’autres pâtes du commerce montrent la même physionomie de dégagement d’énergie et de perte de masse, à des niveaux différents toutefois. Cette phase est cependant obtenue avec une énergie d’activation faible (densification de surface) donnant une réaction peu densifiante mais suffisamment puissante pour créer un début de structure rigide dans le matériau de frittage.
Le fluage réalisé lors de l'étape de pressage à chaud dans le procédé de l'invention exploite cette propriété de la matière. Il est initialisé au début de ce pic exothermique préalable 8, ici avec l’application de la pression dès 170°C, au bout de 8 + 5 = 13 secondes en l'espèce avec l’application d’une pression de quelques MPa. Cette pression permet, en accord avec la théorie du frittage, de diminuer la température d’initialisation du frittage, et en l'espèce d’initialiser la coalescence des flocons d’argent (formation de ponts) à 170°C et non à 230°C, ce qui serait en plein dans le troisième pic exothermique, le pic de frittage et de densification 10.
L’abaissement de la température pour cette opération de fluage est avantageux car il permet d’obtenir l’effet recherché sans entamer le budget thermique des autres composants présents potentiellement sur le substrat avec leur joint de frittage séché en attente de fluage ou de frittage. En effet, la répétition de l'étape de fluage à chaud en présence des puces déjà en place ne compromet pas leur historique thermique, la structure du joint n'étant pas déjà formée, la création des ponts n'ayant pas encore eu lieu.
Sur la base de ces éléments, on met en œuvre l’invention comme suit à titre d’exemple.
Premier mode de réalisation
Nous allons décrire un premier mode de réalisation de l’invention.
On met en œuvre le procédé dans une installation 20 comme celle de la . Elle comprend :
- un support ou bâti 22,
- un organe tel qu’un bras 24 monté mobile par rapport au support et apte à exercer une pression,
- une platine 21 fixée à l’extrémité inférieure du bras et s’étendant en regard du support,
- des moyens de chauffage 27, et
- des moyens de commande 29 aptes à commander l’exécution du procédé.
Préalablement à la réalisation de l'empilement, on découpe en l'espèce un film du matériau de frittage dans une feuille.
Puis on réalise l'empilement comprenant le substrat 30, un composant électronique 28 et le matériau de frittage 26 interposé entre le composant et le substrat.
Puis on presse l'empilement de façon à faire franchir à une température du matériau 26 le maximum 170,8°C du pic exothermique préalable 8 sans que la température du matériau atteigne une valeur égale à ce maximum sur le pic exothermique de frittage 10, c'est-à-dire sans lui faire amorcer ce pic de frittage.
En l'espèce, le pressage a lieu pendant une durée comprise entre 10 et 30 secondes et à une température de 170°C. Il a lieu à une pression comprise entre 1.9 et 2.1 MPa, et notamment, au cours d'une première phase, à une pression comprise entre 0.38 et 0.42 MPa.
La montre en fonction du temps les températures appliquées sur le bras et le support et la pression appliquée par le bras. En l'espèce, le bras met 5 secondes à atteindre la température de 170°C et applique cette température à l'empilement pendant 25 secondes. Il en va de même pour le support. Les deux refroidissent ensuite progressivement jusqu'à température ambiante. La force appliquée sur l'empilement par le bras évolue comme suit :
- 200 g par unité de surface pendant 8 secondes, puis
- 5 kg par unité de surface pendant 125 secondes.
Globalement la température est donc gérée de la même façon à 170°C sur le support et le bras. En revanche, la force évolue beaucoup plus, le palier à 200 grammes étant là pour améliorer le transfert thermique pendant les montées en température du bras et du support (résistance de contact).
La force de 5 kg appliquée sur une puce d’une surface de 5.6 * 5.05 mm2(soit 2 MPa +/- 0.1 MPa) représente la pression pertinente en combinaison avec la température de 170°C pour :
- autoriser dans les premières secondes du palier (temps à inférieur à 10 s) le fluage pour l’aplanissement des sommets et des vallées ;
- lorsque la puce est en contact avec le matériau de frittage devenu plan, initialiser une diffusion en surface permettant de créer uniquement les ponts (attaches physiques entre le matériau de frittage et les interfaces) dans le matériau (la diffusion en volume aux joints de grains n’est pas dans ce cas initialisée).
Lors de la descente en température, la pression de 2 MPa est maintenue pour maintenir la puce à l’horizontale et éviter les chocs thermiques (la maitrise des températures du support et du bras n’est assurée que si la force est présente).
Ensuite, on chauffe l'empilement de façon à réaliser le frittage du matériau 26. En l'espèce, le chauffage a lieu pendant une durée comprise entre 20 et 60 minutes, à la pression atmosphérique et à une température comprise entre 220°C et 280°C, par exemple à 250°C. C'est cette étape d'application du palier de frittage sans pression sur le module qui lance la diffusion de la densification en volume aux joints de grains.
On peut prévoir qu'un élément parmi le composant 28 et le substrat 30 présente une surface de contact avec le matériau 26, à l’issue du procédé, telle que
D * E =< 2.3.10-2mm4
où :
- D désigne une plus grande diagonale de la surface de contact, et
- E désigne une épaisseur maximale de l’élément.
Deuxième mode de réalisation
Nous présentons maintenant un deuxième mode de réalisation en référence à la .
Cette fois, le procédé comprend les étapes successives suivantes.
On réalise un premier empilement comprenant un substrat 30, un premier composant électronique 28 à gauche et une première portion de matériau de frittage 26 interposée entre le composant et le substrat.
On presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau 26 le maximum sans qu'elle atteigne ensuite à nouveau la même valeur sur le pic de frittage
Puis on réalise au moins un deuxième empilement comprenant le substrat 30, un deuxième composant électronique 28 et une deuxième portion du matériau de frittage 26 interposée entre le deuxième composant et le substrat, comme représenté à droite sur la . Les premier et deuxième composants 28 présentent des épaisseurs différentes l’un de l’autre.
Ensuite, on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir le maximum à une température de la deuxième portion 26 sans qu'elle atteigne ensuite à nouveau une valeur égale au maximum.
Enfin, on chauffe tous les empilements ensemble de façon à réaliser le frittage du matériau.
Les autres caractéristiques du premier mode de mise en œuvre sont applicables.
Ce mode peut être mis en œuvre avec un grand nombre de composants sur le même substrat.
Ce procédé enchaîne une étape sous pression pour permettre le fluage et la mise à la cote de chaque joint du module avec une deuxième étape collective de frittage sans pression sur l’ensemble du module. Il est aussi envisageable grâce à ce procédé d’ajouter d’autres composants tels que des résistances, des condensateurs, des plots, ... par le même principe mixte avec/sans pression.
Le procédé permet de réaliser à la fois une implantation puce par puce sur le module de manière isolée pour un contrôle précis de l’épaisseur du joint tout en autorisant à la fin de cette opération une mise en œuvre collective du frittage pour optimiser le coût du module.
Troisième mode de réalisation
Nous présentons maintenant un troisième mode de réalisation en référence à la .
Cette fois, le procédé comprend les étapes successives suivantes.
On réalise un premier empilement comprenant un premier substrat 30 (en bas sur la ), un premier composant électronique 28 et une première portion d'un matériau de frittage 26 interposée entre le composant et le substrat,
Puis on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le maximum sans qu'elle atteigne ensuite à nouveau une valeur égale au maximum.
Ensuite, on réalise un deuxième empilement comprenant un deuxième substrat 30, un deuxième composant électronique 28 et une deuxième portion du matériau de frittage 26 interposée entre le deuxième composant et le deuxième substrat.
Ensuite, et donc indépendamment de l'étape de pressage du premier empilement, on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir le maximum à une température de la deuxième portion, sans qu'elle atteigne ensuite à nouveau une valeur égale au maximum.
Puis on assemble le premier substrat 30 au deuxième que l'on retourne comme illustré sur la en interposant les premier et deuxième composants 28 entre les premier et deuxième substrats. Des portions supplémentaires de matériau de frittage 26 sont interposées entre le premier composant et le deuxième substrat et entre le deuxième composant et le premier substrat respectivement.
Puis on chauffe, cette fois sous pression, tous les empilements simultanément de façon à réaliser un frittage des portions du matériau 26.
On peut mettre en œuvre ce mode de réalisation avec un grand nombre d'empilements. Les autres caractéristiques du premier mode de mise en œuvre sont applicables.
Quatrième mode de réalisation
Dans ce mode de réalisation, on met en œuvre un procédé de test d’un matériau de frittage, dans lequel :
- on chauffe un échantillon de test d’un matériau de frittage 26 en l’exposant à une température croissante, et
- durant le chauffage, on mesure une température du matériau 26 et on détecte une première valeur de température de chauffage correspondant à un maximum du pic exothermique préalable 8 qui précède le pic exothermique de frittage 10, puis une deuxième valeur de température de chauffage à laquelle une température du matériau atteint à nouveau une valeur égale au maximum.
Ensuite, en référence à la , on met en œuvre un procédé pour assembler un composant électronique à un substrat.
Pour cela, on réalise un empilement comprenant un substrat 30, un composant électronique 28 et un matériau de frittage 26 interposé entre le composant et le substrat.
Puis on presse l'empilement à chaud en l’exposant à une température supérieure à la première valeur et inférieure à la deuxième valeur.
Enfin on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
La fabrication peut aussi avoir lieu selon les autres modes de réalisation précités.
Ainsi, dans le cas d’un module ou assemblage en 3D, c'est-à-dire comprenant au moins deux substrats entre lesquels un ou plusieurs composants sont interposés, on réalise uniquement l’adhérisation des puces sur chaque substrat (les puces top adhérisées sur le substrat top, les puces bottom sur le substrat bottom), puis on positionne le substrat équipé bottom sur le support de la machine, on intercale et on aligne un éventuel substrat intermédiaire avec une adhérisation, puis on aligne le substrat top. Ensuite, comme cela est présenté dans la demande WO2019101634 au nom de la demanderesse, le frittage du module complet est effectué en une seule passe, cette fois-ci sous pression, avec l’étape de fluage décrite plus haut.
L'invention permet de fritter avec une densification acceptable des combinaisons de substrats et de composants qui peuvent sinon poser des problèmes. Elle permet par exemple de réaliser un frittage entre un composant classique et un substrat flexible, organique ou non-organique.
Elle permet de réaliser des épaisseurs comprises entre quelques dizaines de microns et quelques millimètres lors de la distribution du matériau sur un même module, pour particulariser le recouvrement de marches de manière industrielle ou pour écarter un composant du substrat et donner ainsi une souplesse aux liaisons avec un composant et améliorer la fiabilité.
L’invention est applicable aux assemblages devant être réalisés par frittage tels que ceux mis en œuvre dans les aéronefs pour les modules de puissance, les modules à haute température et à grande exigence de fiabilité et les capteurs. L’invention est notamment avantageuse compte-tenu de la tendance selon laquelle de plus en plus d’organes des avions sont de nature électrique.
On pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci.

Claims (16)

  1. Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat, comprenant les étapes successives suivantes :
    - on réalise un empilement comprenant un substrat (30), un composant électronique (28) et un matériau de frittage (26) interposé entre le composant et le substrat,
    - on presse l'empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau un pic exothermique préalable (8) qui précède un pic exothermique de frittage (10) sans que la température du matériau atteigne un maximum du pic exothermique de frittage, et
    – on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
  2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel, préalablement à la réalisation de l'empilement, on découpe le matériau (26) dans une feuille.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on presse l'empilement à chaud sans que la température du matériau atteigne une valeur égale à un maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le pressage a lieu pendant une durée comprise entre 10 et 30 secondes.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le pressage a lieu à une pression comprise entre 1.9 et 2.1 MPa, et notamment, au cours d'une première phase, à une pression comprise entre 0.38 et 0.42 MPa.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le pressage a lieu à une température supérieure ou égale à 170°C.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le chauffage a lieu pendant une durée comprise entre 20 et 60 minutes.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le chauffage a lieu à la pression atmosphérique.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le chauffage a lieu à une température comprise entre 220°C et 280°C.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel un élément parmi le composant (28) et le substrat (30) présente une surface de contact avec le matériau (26), à l’issue du procédé, telle que
    D * E =< 2.3.10-2mm4
    où :
    - D désigne une plus grande diagonale de la surface de contact, et
    - E désigne une épaisseur maximale de l’élément.
  11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, l'empilement étant un premier empilement, le composant étant un premier composant et le matériau de frittage formant une première portion :
    - on réalise au moins un deuxième empilement comprenant le substrat (30), un deuxième composant électronique (28) et une deuxième portion du matériau de frittage (26) interposée entre le deuxième composant et le substrat ;
    - on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable (8) sans que la température du matériau atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage; et
    - on effectue l'étape de chauffage de façon à chauffer tous les empilements simultanément.
  12. 12. Procédé selon la revendication précédente dans lequel les premier et deuxième composants (28) présentent des épaisseurs différentes l’une de l’autre.
  13. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, l'empilement étant un premier empilement, le composant étant un premier composant, le matériau de frittage formant une première portion et le substrat étant un premier substrat :
    - on réalise un deuxième empilement comprenant un deuxième substrat (30), un deuxième composant électronique (28) et une deuxième portion du matériau de frittage (26) interposée entre le deuxième composant et le deuxième substrat ;
    - indépendamment de l'étape de pressage de la revendication 1, on presse le deuxième empilement à chaud de façon à faire franchir à une température du matériau le pic exothermique préalable (8) sans que la température du matériau atteigne la valeur égale au maximum du pic exothermique préalable sur le pic exothermique de frittage, et
    - on assemble le premier substrat (30) au deuxième substrat (30) en interposant le premier composant (28) et le deuxième composant (28) entre le premier substrat et le deuxième substrat ; et
    - on effectue l'étape de chauffage de façon à chauffer tous les empilements simultanément.
  14. Procédé de test d’un matériau de frittage, dans lequel :
    - on chauffe un échantillon de test d’un matériau de frittage (26) en l’exposant à une température croissante, et
    - durant le chauffage, on mesure une température du matériau (26) et on détecte une première valeur de température de chauffage correspondant à un maximum d'un pic exothermique préalable (8) qui précède un pic exothermique de frittage (10) et une deuxième valeur de température de chauffage correspondant à un maximum du pic exothermique de frittage.
  15. Procédé pour assembler un composant électronique à un substrat, comprenant les étapes successives suivantes :
    - on met en œuvre le procédé de la revendication précédente,
    - on réalise un empilement comprenant un substrat (30), un composant électronique (28) et un matériau de frittage (26) interposé entre le composant et le substrat,
    - on presse l'empilement à chaud en l’exposant à une température supérieure à la première valeur et inférieure à la deuxième valeur, et
    – on chauffe l'empilement de façon à réaliser un frittage du matériau.
  16. Installation (20) pour assembler un composant électronique à un substrat, l’installation comprenant :
    - un support (22),
    - un organe (24) apte à exercer une pression,
    - des moyens de chauffage (27), et
    - des moyens (29) aptes à commander l’exécution d’un procédé selon au moins l’une quelconque des revendications 1 à 13 et 15.
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