FR3132978A1 - Dispositif électronique à dissipateur de chaleur - Google Patents

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Abstract

Dispositif électronique à dissipateur de chaleur La présente description concerne un dispositif électronique (10) comprenant une puce (14) et un dissipateur de chaleur (12), le dissipateur de chaleur étant constitué d'une première couche métallique s'étendant sur une face arrière et des faces latérales de la puce, la puce et le dissipateur étant latéralement entouré d'une deuxième couche de résine (22). Figure pour l'abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif électronique à dissipateur de chaleur
La présente description concerne de façon générale les dispositifs électroniques, et plus précisément les dispositifs électroniques comprenant un dissipateur de chaleur, et leurs procédés de fabrication.
Un dissipateur thermique est un élément destiné à évacuer la chaleur résultant de l'effet Joule dans un élément semiconducteur d'un dispositif électronique. La présence et l'efficacité des dissipateurs de chaleur est particulièrement importante dans des dispositifs de puissance.
Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des dispositifs électroniques à dissipateur de chaleur connus.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif électronique comprenant une puce et un dissipateur de chaleur, le dissipateur de chaleur étant constitué d'une première couche métallique s'étendant sur une face arrière et des faces latérales de la puce, la puce et le dissipateur étant latéralement entouré d'une deuxième couche de résine.
Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un dispositif électronique comprenant une puce et un dissipateur de chaleur, le dissipateur de chaleur étant constitué d'une première couche métallique s'étendant sur une face arrière et des faces latérales de la puce, le procédé comprenant une étape a) de formation d'une deuxième couche de résine entourant latéralement la puce et le dissipateur.
Selon un mode de réalisation, le dissipateur est en un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 100 W/mK.
Selon un mode de réalisation, au moins une partie de la portion du dissipateur s'étendant sur la face arrière de la puce n'est pas recouverte par la deuxième couche de résine.
Selon un mode de réalisation, le dissipateur est séparé de la puce par une troisième couche en un matériau d'interface thermique.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, avant l'étape a), une étape b), au cours de laquelle le matériau de la troisième couche est déposé sur la face arrière de la puce.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, avant l'étape a), une étape c) de formation du dissipateur de chaleur, comprenant un fond et des parois latérales.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, après les étapes b) et c et avant l'étape a), une étape d) au cours de laquelle le dissipateur est placé sur la puce.
Selon un mode de réalisation, l'étape a) est effectuée par un procédé de type boitier intégré dans une plaque (Panel Embedded Packaging, ou PEP).
Selon un mode de réalisation, la face avant de la puce est recouverte d'un empilement de quatrième couches isolantes comprenant des pistes conductrices.
Selon un mode de réalisation, l'empilement recouvre une face avant de la deuxième couche de résine.
Selon un mode de réalisation, la puce est reliée, par une ou plusieurs pistes conductrices, à au moins une piste conductrice affleurant la face avant de l'empilement.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la représente une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif comprenant un dissipateur de chaleur ;
la illustre une étape de fabrication du mode de réalisation de la ;
la illustre une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la ;
la illustre une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la ; et
la illustre une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la .
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
La représente une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif 10 comprenant un dissipateur de chaleur 12.
Le dispositif 10 comprend une puce 14. La puce 14 comprend par exemple des composants électroniques, formant par exemple des circuits. La puce peut par exemple comprendre divers circuits électroniques, ou optoélectroniques.
La puce 14 comprend une face arrière 14a. La puce 14 comprend des faces latérales 14b. La puce 14 comprend une face avant 14c. La face avant 14c est la face opposée à la face arrière. Les faces latérales 14b s'étendent de la face avant à la face arrière de la puce 14.
Le dissipateur 12 est constitué d'une couche conductrice thermiquement, de préférence une couche de métal, par exemple en un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 100 W/mK, par exemple en cuivre. De préférence, le dissipateur est en un unique matériau. Le dissipateur s'étend sur la face arrière 14a de la puce 14, de préférence sur toute la face arrière. Le dissipateur s'étend au moins partiellement sur les faces latérales 14b, de préférence sur les faces latérales entières.
Le dissipateur 12 est par exemple fixé à la puce 14 par une couche 16. La couche 16 est de préférence en un matériau conducteur thermiquement, par exemple en un matériau de type matériau d'interface thermal (TIM – Thermal Interface Material), par exemple en un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 2 W/mK. La couche 16 est par exemple en un matériau isolant électriquement, ou diélectrique. La couche 16 s'étend sur, et est de préférence en contact avec, la face arrière 14a de la puce 14, de préférence toute la face arrière. La couche 16 s'étend au moins partiellement sur, et est de préférence en contact avec, les faces latérales 14b, de préférence les faces latérales entières. La dissipateur 12 est séparé de la puce 14 par la couche 16. De préférence, chaque portion du dissipateur 12 est séparée de la puce 14 par une portion de la couche 16. De préférence, le dissipateur 12 est en contact avec la couche 16. De préférence, chaque portion du dissipateur 12 est séparée de la puce 14 par une portion de la couche 16 avec laquelle la portion du dissipateur est en contact. De préférence, le dissipateur 12 n'est pas en contact avec la puce.
Le dispositif 10 comprend en outre une couche isolante électriquement 18. La couche 18 s'étend sur la face avant 14c de la puce 14. La couche 18 est par exemple en contact avec la face avant de la puce 14. La couche 18 comprend des ouvertures traversantes remplies par des pistes conductrices électriquement 20, par exemple des pistes en métal. La face avant 14c est de préférence entièrement recouverte par la couche 18 et les pistes 20.
Les pistes 20 sont en contact avec la puce 14, de préférence avec des plots de connexion de la puce 14. Les pistes 20 sont ainsi reliées électriquement à la puce 14.
Le dissipateur 12 et la couche 16 ne s'étendent pas, dans l'exemple de la , sur les parois latérales de la couche 18. A titre de variante, le dissipateur 12 et la couche 16 peuvent s'étendre sur les parois latérales de la couche 18.
L'ensemble comprenant la puce 14, la couche 16, le dissipateur 12, la couche 18 et les pistes 20 est entouré latéralement par une couche 22 en résine, par exemple une résine adaptée à la technologie de type boitier intégré dans une plaque (Panel Embedded Packaging, ou PEP). La résine est par exemple une résine époxy dite "thermoset" ou thermodurcissable. La couche 22 s'étend du niveau de la face avant de la couche 18, c’est-à-dire la face la plus éloignée de la puce 14, au niveau de la face arrière de la portion du dissipateur 12 située sur la face arrière 14a de la puce 14. Ainsi, une face arrière de la couche 22 est coplanaire avec la face arrière de la portion du dissipateur 12 située sur la face arrière 14a de la puce 14 et une face avant de la couche 22 est coplanaire avec la face avant de la couche 18. La couche 22 recouvre, et est en contact avec, les portions du dissipateur s'étendant sur les faces latérales de la puce 14. Dans l'exemple de la , la couche 22 est en contact les faces latérales de la couche 18.
Le dispositif 10 comprend en outre un empilement 24 de couches isolantes et des pistes conductrices 26 situées dans les couches isolantes de l'empilement 24. Les pistes conductrices permettent de relier électriquement les pistes 20, et donc la puce 14, à des éléments externes non représentés. Ainsi, chaque piste 20 est reliée à une piste 26 affleurant la face avant de l'empilement 24, constituant un plot de contact, par exemple par une ou plusieurs autres pistes 26.
Les figures 2 à 5 illustrent des étapes, de préférence successives d'un procédé de fabrication du mode de réalisation de la . Bien qu'un unique dispositif soit représenté, le procédé permet par exemple de fabriquer une pluralité de dispositifs identiques simultanément.
La illustre une étape de fabrication du mode de réalisation de la .
Au cours de cette étape, les circuits et/ou composants des puces 14 de la sont formées dans une plaque 30, par exemple semiconductrice. La plaque 30 comprend une face avant 30c, correspondant à la face avant 14c de la puce 14, et une face arrière 30a, correspondant à la face arrière 14a de la puce 14.
Au cours de cette étape, une couche isolante 32 est déposée sur la face avant 30c de la plaque 30. La couche 32 est en le matériau de la couche 18 de la . L'épaisseur de la couche 30 est sensiblement égale à l'épaisseur de la couche 18 de la . Des ouvertures 34 sont ensuite formées dans la couche 32. Les ouvertures 34 traversent la couche 32 de manière à découvrir la face 30c de la plaque 30. Les ouvertures 34 sont situées aux emplacements des pistes 20 de la . Les dimensions des ouvertures 34 sont sensiblement égales aux dimensions des pistes 20 de la .
La illustre une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la .
Au cours de cette étape, la structure résultant de l'étape de la est fixée sur un support temporaire 36. Ladite structure, c’est-à-dire la plaque 30 et la couche 32 sont ensuite découpée de manière à obtenir la puce 14 et la couche 18. De préférence, cette étape ne comprend pas le remplissage des ouvertures 34. Ainsi, les cavités formées par les ouvertures 34 entre la puce 14 et le support sont remplies du fluide dans lequel la structure est placée lors de cette étape, par exemple de l'air.
Dans le cas ou plusieurs puces 14 ont été prévues dans la même plaque, cette étape correspond à une étape d'individualisation. La distance entre deux puces, placées sur le support 36, est alors au moins égale à deux fois la distance, en , entre la face latérale de la puce 14 et la face latérale de la couche 22, du même côté de la puce 14.
La illustre une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la .
Au cours de cette étape, la couche 16 et le dissipateur 12 sont placés sur la puce 14.
Le dissipateur 12 a par exemple été formée à partir d'une unique couche, ou plaque, métallique non représentée. Ladite plaque a par exemple été pliée ou façonnée de manière à obtenir le dissipateur 12. La formation du dissipateur 12 est effectuée avant l'étape de la , indépendamment des étapes des figures 2 et 3. Le dissipateur comprend un fond 12a, des parois latérales 12b. Une cavité 12c est ainsi formées entre les parois 12b et le fond 12a. Le dissipateur est de préférence en un unique matériau. Ainsi, les parois latérales et le fond du dissipateur sont en le même matériau.
Le matériau de la couche 16 est placé au moins sur une partie de la face arrière 14a de la puce 14, par exemple sous forme de gel. Le dissipateur 12 est ensuite placé sur la puce 14 et sur le matériau de la couche 16, de manière à placer la puce 14 dans la cavité 12c.
La pression appliquée par le dissipateur 12, et plus précisément le fond 12a, au matériau de la couche 16 situé sur la puce 14 entraine l'étalement du matériau de la couche 16 sur la face arrière 14a de la puce 14 et sur les faces latérales 14b de la puce 14. La quantité de matériau de la couche 16 et la pression appliquée par le dissipateur sont par exemple choisis pour que le matériau de la couche 16 s'étale sur tous les emplacements de la couche 16.
Le matériau de la couche 16 est par exemple ensuite solidifié, de manière à fixer le dissipateur 12 à la puce 14, par exemple une étape de chauffage.
La illustre une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la .
Au cours de cette étape, la couche 22 est formée. Par exemple, la couche 22 est formée par un procédé de type boitier intégré dans une plaque (Panel Embedded Packaging, ou PEP).
Par exemple, un moule non représenté est placé sur la structure de la . Le moule non représenté est par exemple en contact avec la face arrière du dissipateur 12. Ainsi, l'espace entre le moule non représenté et le support 36 correspond à l'emplacement de la couche 22. L'espace entre le moule non représenté et le support 36 est ensuite rempli par une résine, par exemple une résine liquide. La résine est ensuite chauffée de manière à être solidifiée et à prendre la forme de la couche 22. Le moule non représenté est ensuite retirée.
La présence de la plaque non représentée accolée à la face arrière du dissipateur 12 permet d'assurer que la face arrière du dissipateur 12 n'est pas recouverte par la résine, ce qui risquerait de diminuer la dissipation de la chaleur.
Selon un autre mode de réalisation, la plaque non représentée n'est pas placée sur le dissipateur. La résine est alors formée de manière à recouvrir au moins tous les emplacements de la couche 22, et éventuellement de recouvrir au moins partiellement la face arrière du dissipateur 12. La résine est ensuite gravée, ou polie, de manière à découvrir, de préférence entièrement, la face arrière du dissipateur 12. La face arrière du dissipateur 12 est par exemple ensuite recouverte d'une couche de protection, non représentée. La couche de protection non représentée permet par exemple d'empêcher l'oxydation du matériau du dissipateur 12. La couche non représentée est de préférence suffisamment fine pour permettre la dissipation de la chaleur et/ou en un matériau un matériau ayant une conductivité thermique permettant la dissipation de la chaleur, par exemple un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 80 W/mK.
Au cours d'une étape postérieure à l'étape de la , le support 36 est retiré. Les ouvertures 34 sont ensuite remplies d'un matériau conducteur, par exemple d'un métal, de manière à former les pistes conductrices 20 dans les ouvertures 34. L'empilement 24 et les pistes 26 sont ensuite formés sur la face avant de la couche 26 et de la couche 18.
La formation de l'empilement 24 et des pistes conductrices 26 comprend par exemple la formation de chaque couche de l'empilement, la gravure de ladite couche à l'emplacement de la piste et le remplissage dudit emplacement avec un matériau conducteur, par exemple un métal.
A titre de variante, la formation de l'empilement 24 et des pistes conductrices 26 comprend par exemple la formation des pistes conductrices d'un niveau, par exemple par croissance du métal, puis le remplissage du niveau avec un matériau isolant.
Un avantage des modes de réalisation décrits est qu'ils permettent d'écarter les emplacements de connexion de la puce 14. En effet, la surface de la face avant du dispositif 10 est plus importante que la surface de la face avant de la puce 14. Ainsi, les pistes 26 affleurant la face avant du dispositif 10 peuvent être plus espacées les unes des autres que les régions de connexion de la puce 14. La connexion d'élément externe à la puce, par les pistes 26, est ainsi plus simple que la connexion directe à la puce.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier.
Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (13)

  1. Dispositif électronique (10) comprenant une puce (14) et un dissipateur de chaleur (12), le dissipateur de chaleur étant constitué d'une première couche métallique s'étendant sur une face arrière et des faces latérales de la puce, la puce (14) et le dissipateur étant latéralement entouré d'une deuxième couche de résine (22).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le dissipateur (12) est en un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 100 W/mK.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins une partie de la portion du dissipateur (12) s'étendant sur la face arrière de la puce (14) n'est pas recouverte par la deuxième couche de résine (22).
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le dissipateur (12) est séparé de la puce (14) par une troisième couche (16) en un matériau d'interface thermique.
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la face avant de la puce est recouverte d'un empilement de quatrième couches (24) isolantes comprenant des pistes conductrices (26).
  6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'empilement (24) recouvre une face avant de la deuxième couche de résine (22).
  7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la puce (14) est reliée, par une ou plusieurs pistes conductrices, à au moins une piste conductrice affleurant la face avant de l'empilement.
  8. Procédé de fabrication d'un dispositif électronique (10) comprenant une puce (14) et un dissipateur de chaleur (12), le dissipateur de chaleur étant constitué d'une première couche métallique s'étendant sur une face arrière et des faces latérales de la puce, le procédé comprenant une étape a) de formation d'une deuxième couche de résine (22) entourant latéralement la puce (14) et le dissipateur (12).
  9. Procédé selon la revendication 8, appliqué à la fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans son rattachement à la revendication 4, comprenant, avant l'étape a), une étape b), au cours de laquelle le matériau de la troisième couche (16) est déposé sur la face arrière de la puce (14).
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, comprenant, avant l'étape a), une étape c) de formation du dissipateur de chaleur (12), comprenant un fond et des parois latérales.
  12. Procédé selon les revendications 10 et 11, comprenant, après les étapes b) et c et avant l'étape a), une étape d) au cours de laquelle le dissipateur (12) est placé sur la puce (14).
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel l'étape a) est effectuée par un procédé de type boitier intégré dans une plaque (Panel Embedded Packaging, ou PEP).
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