WO2003081669A1 - Module de circuits integres et procede de fabrication correspondant - Google Patents

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WO2003081669A1
WO2003081669A1 PCT/FR2003/000941 FR0300941W WO03081669A1 WO 2003081669 A1 WO2003081669 A1 WO 2003081669A1 FR 0300941 W FR0300941 W FR 0300941W WO 03081669 A1 WO03081669 A1 WO 03081669A1
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component
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Carine Marcoux
Marie-José MOLINO
Bruno Reig
Jean-Luc Valard
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Thales
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    • H01L2924/1904—Component type
    • H01L2924/19041—Component type being a capacitor

Definitions

  • the present invention relates to an integrated circuit module and a corresponding manufacturing method.
  • a more particularly interesting application relates to modules integrating power components, such as for example AsGa components of the MMIC type (acronym for Monolithic Microwave Integrated Circuit), for which it is necessary to have good heat dissipation.
  • heat dissipation is obtained by means of suitable elements providing a thermal path in the module considered, between the rear face of the power components and a cooling device, such as a cold plate or a heat sink.
  • a cooling device such as a cold plate or a heat sink.
  • the components' hot spots are located on the front panel.
  • the hot spots typically correspond to junctions of power transistors.
  • the heat dissipation path in the component crosses the entire substrate of the component itself, " from the front face, to the rear face.
  • the solution found to this technical problem is to provide cooling means by the front face of the components, by reducing as much as possible the heat dissipation by the rear face.
  • the invention applies more particularly to the field of integrated circuit modules, or MCM modules (acronym for Multi-Chip Module).
  • MCM modules integrate different types of components (silicon chips, surface wave filters, passive components ...), and their interconnection structure comes from so-called collective cabling technologies.
  • components are placed in an insulating substrate, so that the connection pads of these components are substantially in the same surface plane as the front face of the insulating substrate.
  • the substrate can be molded or etched.
  • An interconnection structure of collective wiring type is produced on the front face of the substrate, and makes it possible to ensure the interconnection of the components between them and outward.
  • This structure includes at least one dielectric layer, metallized holes and an array of conductors.
  • thermal contact areas are provided on the active face of certain components, corresponding to conductive elements electrically connected to the ground plane. Heat conduction elements are produced in the interconnection structure to thermally connect these thermal contact pads to a heat dissipation device. These thermal contact areas are in practice located near hot spots. These are for example air bridges of power transistors. For example, a thermal contact pad is produced on an air bridge which contacts the emitters of the elementary transistors of a power transistor of HBT type (English acronym for H ⁇ tero-junction Bipolar Transistor), or on an air bridge which contacts the sources of the elementary transistors of a power transistor of HEMT (High electron Mobility Transistor) type. These thermal contact pads are located in substantially the same surface plane as the connection pads and the front face of the insulating substrate.
  • the invention therefore relates to an electronic component comprising an active face comprising conductive elements and connection pads, characterized in that it comprises a range of thermal contact at least on the active face, each range of thermal contact comprising an element of conductor electrically connected to the ground plane of the component, and a thermal contact surface comprising at least the contact surface with said conductive element.
  • the conductive element of a thermal contact area is an air bridge of a power transistor.
  • the surface of the thermal contact pad substantially covers the surface of the power transistor.
  • the invention also relates to an integrated circuit module comprising an insulating substrate, a plurality of electronic components including at least one component with one or more thermal contact pads, the components being placed in said substrate so that the connection pads are substantially in the same surface plane as the front face of the substrate, and an interconnection structure of the collective wiring type arranged on said front face to connect the components together and outwardly, characterized in that the thermal contact pads are substantially in the same surface plane as the connection pads, and in that it comprises heat conduction elements passing through said interconnection structure opposite said pads thermal contact for connecting said pads to a heat dissipation device.
  • the invention also relates to a method of manufacturing thermal contact pads on a component, comprising in particular the production of openings in a protective layer covering the active face of the component and the filling of these openings with conductive material.
  • a method of manufacturing thermal contact pads on a component comprising in particular the production of openings in a protective layer covering the active face of the component and the filling of these openings with conductive material.
  • a method of manufacturing a module includes the formation of holes extending through the interconnect structure, clogged by material of the thermally conductive, opposite the thermal contact areas on the active faces of the components.
  • FIG. 1 is a view in longitudinal section of a module according to the invention reported by surface mounting on a printed circuit bonded to a cooling circuit,
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an example of an electronic circuit comprising integrated circuit modules according to the invention
  • FIGS. 3 and 4 are views in longitudinal and transverse section of a thermal conduction element on an air bridge of a power transistor serving as a thermal contact pad according to the invention
  • FIGS. 5 to 13 show steps for manufacturing an integrated circuit module in a molded substrate, including the production of thermal contact pads and corresponding thermal conduction elements, and - Figure 14 shows an example of a module obtained according to a manufacturing variant.
  • FIG. 1 shows a module M of integrated circuits cooled by its front face according to the principle of the invention.
  • component 1 is represented in the module.
  • This component is arranged in the substrate so that its connection pads 6, 7 are substantially in the same surface plane as the front face of the insulating substrate 2.
  • connection pads 6, 7 are substantially in the same surface plane as the front face of the insulating substrate 2.
  • At least one metallic layer is usually provided between the component and the insulating substrate, which ensures this electrical continuity.
  • This layer has a typical thickness of around 15 microns. The practical realization of this layer of metal of electrical continuity depends on the method of manufacturing the module M.
  • the method of manufacturing the module uses a molded or etched substrate.
  • This molded substrate can be made of any usual insulating material, such as ceramic, or resin, according to any known method.
  • the metal layer is then produced according to any process suitable for covering the front face of the molded or etched substrate, before placing the components in cavities of the substrate, rear face of the components against the bottom of the cavity.
  • the module manufacturing method uses a technique of molding an insulating substrate (resin) over the components, by their rear face.
  • a technique for producing the electrical continuity metal layer is described in patent application EP 0611 129 A2. According to this technique, a layer of metal is deposited on a flexible dielectric film. The film thus metallized is placed, metal face against the metallized rear face of the components. The molding of the resin can then be carried out on top.
  • the electrical continuity between the rear face of a component and the front face of the module is obtained by placing the component in a cavity of a block of conductive substrate, in the insulating substrate.
  • the conductive substrate contributes to better cooling of the component.
  • FIG. 1 Component 1 is placed in a cavity of a block of conductive substrate 3, typically a copper substrate. This conductive substrate is such that it is flush with the surface of the front face of the insulating substrate.
  • the component is bonded by its rear face to the bottom of the cavity, by a conductive adhesive 4. There is thus the electrical continuity of the ground plane between the rear face and the conductive substrate.
  • An interconnection structure 9 of collective wiring type is produced in the usual way on the front face of the insulating substrate.
  • This structure covers the entire surface of the module M and includes electrical connections which allow the interconnection of the module components and the connection to the outside. It generally comprises several layers of dielectric depending on the complexity of the routing to be carried out. For each layer, there are metallized holes, opposite contact zones on a lower layer and corresponding conductors.
  • this interconnection structure 9 comprises two layers of polymer 9a and 9b.
  • the first layer of polymer 9a especially comprises metallized holes opposite connection pads 6, 7 of component 1, located on the active face of this component.
  • the interconnection structure comprises a thermal conduction element 11, which passes right through it, and which comes into contact on a thermal contact pad 12 on the active face of the component 1, formed by a predetermined conductor connected to the plane of component mass.
  • this conductor is located near at least one hot spot of the component. It is for example, and as shown in FIG. 1, an air bridge of a power transistor.
  • a power transistor in fact comprises different hot spots under the air bridge, at the junctions of the different elementary transistors which form it.
  • the interconnection structure 9 comprises other thermal conduction elements 13 a and 13 b, which pass through it right through, to come into contact with portions 14a and 14b of the conductive substrate 3, on the front face of the module. These portions form thermal contact areas by which the heat from the rear face of the component 1 placed in the conductive substrate will be able to dissipate.
  • the active face of the components is covered with a mechanical protection layer 5 which protects the conductors, in particular the air bridges in the power components, and also ensures the planarization of the surface.
  • This protective layer is typically a polymer layer of benzocyclobutene (BCB).
  • BCB benzocyclobutene
  • the transverse thermal conduction elements of the interconnection structure 9 of the module correspond to openings made in this structure and, where appropriate, in the protective layer 5, up to the predetermined thermal contact areas. These openings are blocked with thermally conductive material, for example copper.
  • the modules are usually mounted on the surface of multi-layer printed circuits, by means of suitable CMS transfer methods, typically by means of lead tin microbeads.
  • the module M is thus mounted on the surface of a printed circuit CI.
  • the microbeads b1, b2 usually provided on contact zones of the interconnection structure 9 of the module, there are microbeads b3 to b6 deposited on the surface of the interconnection structure, on the heat conduction elements 13a, 12 , 13b, and which participate in thermal conduction.
  • the module is transferred to the surface of the printed circuit C1, by reflow of the microbeads.
  • This printed circuit is itself bonded to a cooling circuit Dth, for example a cold plate or a heat sink.
  • the printed circuit C1 includes the usual interconnection layers (not shown), by which the module can be electrically connected to other modules or to the outside. According to the invention, it further comprises transverse holes 15, 16, 17 facing the transverse thermal conduction elements of the modules, 13a, 12 and 13b respectively, provided with their microbeads. These holes in the printed circuit include inclusions of thermally conductive material, to ensure the continuity of the thermal conduction path from the thermal contact pads 14a, 12, and 14b from the module to the cooling device Dth.
  • the heat conduction elements in the printed circuits can be produced by drilling these printed circuits right through at the corresponding places. This drilling can be obtained mechanically or by laser ablation.
  • the thermal conduction by these holes can be ensured by metal pins, maintained by gluing on the cooling circuit for example.
  • the cooling circuit itself, which then has any shape suitable for fitting into the holes 15, 16, 17 of the printed circuit.
  • these holes can be plugged with thermally conductive material, by any known method.
  • an electrolytic copper growth process can be used in these holes. This can be obtained simply by sticking a copper foil on one side of the printed circuit, by providing, by drilling or saving the adhesive film, that there is no glue at the bottom of the holes and by placing the printed circuit in an electrolytic bath. The copper foil is connected to one of the electrolytic charging electrodes.
  • the copper height obtained can then be adjusted, by polishing, and the surface of the plugged holes can be machined, so as to be suitable for surface mounting of the module on this printed circuit.
  • the printed circuit can then be drilled and metallized again and the copper foil can be etched, in order to make the electrical contacts between the two faces of the printed circuit.
  • the transverse thermal conduction elements of the module interconnection structure and of the printed circuit on which the module is transferred have substantially the same dimensions as the associated thermal contact pads.
  • the thermal ranges produced on the active face of the components are as wide as possible, to promote cooling. Several corresponding surface mounting microbeads are then provided, depending on the size of these ranges. In FIG. 1, there are thus two microbeads b4 and b5 for the thermal contact area 12 produced on the component 1.
  • a module M With a module M according to the invention, it is thus possible to cool the components which it integrates, by its front face.
  • the placing the components in a conductive substrate, and the formation of thermal contact areas on the front face of the module, on this conductive substrate, and on the periphery of these components makes it possible to double the cooling by the active face of the components of a cooling by the rear face, by the conducting substrate.
  • a module according to the invention is particularly advantageous in applications where radio power is used, for example in antenna architectures using active transmit-receive modules.
  • the radio power that can be extracted from a power component directly depends on the ability to cool the component.
  • the Gallium arsenide substrates used to make the power components have a high thermal resistivity. By freeing up contact areas close to hot spots, on the active face of the component, the heat dissipation which takes place through the AsGa substrate is limited. This improves the radio performance of the component.
  • FIG. 2 shows an example of a multi-module electronic structure which can be produced using the principle of the invention, for example, to produce an antenna.
  • the heat sink Dth there is a heat sink Dth.
  • modules Mi and M 2 of integrated circuits each mounted on the surface of a respective printed circuit, Cl ⁇ , Cl 2 .
  • the two printed circuits are each glued to one face of the heat sink Dth.
  • the modules Mi and M 2 each comprise a plurality of active or passive components. Some are placed in cavities of conductive substrates. Each cavity can include one or more components.
  • the modules Mi and M 2 and the printed circuits Cl-i and Cl 2 correspond to the module M and to the printed circuit Cl of FIG. 1.
  • thermal contact pad 24 on the active face of a component 25 placed in a cavity of a conductive substrate 27 and a thermal contact pad 26 on the surface of this conductive substrate 27.
  • Corresponding thermal conduction elements in the interconnection structure INT-i, INT 2 of the modules and in the printed circuits C, Cl 2 ensure the continuity of the thermal conduction path between each of these thermal contact areas and the thermal drain Dth. This continuity of the thermal conduction path appears clearly in FIG. 2, by solid lines 28, 29, 30 and 31 between the different thermal contact areas and the thermal drain Dth.
  • the rear face of the modules can be used to transfer bulky passive elements, for example capacitors.
  • the ground plane is then brought back onto these rear, metallized faces, by means of openings Oo, Oi passing through the insulating substrates of the modules.
  • , L 2 between the two multilayer printed circuits C and Cl 2 are provided by transverse transitions through the heat sink. These transitions can be ensured by miniature connectors or button-pins (fuzz-huttons) held by gluing on the two printed circuits.
  • Figures 3 and 4 show the longitudinal and cross sectional views at a thermal contact area of a component.
  • the active face of the component is generally covered with a mechanical protection layer 32, typically a polymer layer of benzocyclobutene (BCB).
  • a thermal contact area is formed by an opening in this protective layer 32, on an air bridge 33 of a power transistor, for example an HBT type transistor.
  • the air bridge 33 interconnects the emitters of the elementary transistors, and passes over the bases b and the collectors c of the elementary transistors.
  • an interconnection structure 34 is produced over the surface of the component (and of the substrate.
  • This structure may include one or more layers of dielectric (polymer), depending on the complexity of the routing to be performed.
  • a transverse element 35 of thermal conduction is produced, facing the thermal contact area.
  • This conduction element is typically formed by a hole passing through the entire interconnection structure and plugged with thermally conductive material. On this element 35, we then deposit at least one tin-lead microbead. This microbead typically has a diameter of 200 microns (10 "6 m). We will see in the manufacturing process of the module which will now be detailed, that we can widen the thermal contact range, so as to have a greater In particular, for a thermal contact area on a transistor air bridge, it is advantageous to have a thermal contact area whose surface substantially covers that of the power transistor. corresponding heat conduction elements in the interconnection structure and in the printed circuit have substantially the same dimensions.
  • the insulating substrate is obtained by molding a resin by the rear face of the components.
  • a support substrate 36 is used.
  • This support substrate can be a glass plate on which chromium 37 targets are produced.
  • An adhesive material 38 for example a silicone resin, is deposited on the entire surface of the glass plate.
  • the glass plate coated with adhesive material forms a molding support.
  • active and passive components 39 are positioned on the adhesive material. These components are positioned with their active face carrying the connection pads against the glass plate. The adhesive material holds the components in place, without permanently bonding them.
  • the components for which it was necessary to ensure the electrical continuity of the rear face (ground plane) are preferably placed in conductive substrates.
  • they are blocks 40 (or a matrix) of conductive substrate which is then positioned on the adhesive material.
  • the components are integrated in a later step.
  • Resin can then be molded from behind the components and the conductive substrates, to form the insulating substrate 41 (FIG. 6).
  • a resin grid 42 previously molded ( Figure 7).
  • This grid is for example produced by pouring a resin into a metal mold whose walls are covered with Teflon.
  • the resin may be an epoxy resin with a mineral filler having a high glass transition temperature. After annealing the resin, the grid can be easily separated from its mold (which can be reused). This grid is positioned on the glass plate (on the adhesive material) and the components are placed at the bottom of the cavities thus formed by the grid, against the glass plate ( Figure 5).
  • the molding resin can then be poured over the grid to coat the components ( Figure 6). After the resin has hardened, the assembly formed by the molding resin, the grid and the components and conductive substrates forms a block which can be separated from the molding support (glass plate + adhesive material).
  • connection pads of the components and the conductive substrates are situated substantially in the same surface plane as the front face of the insulating substrate formed by the molded resin.
  • the resin surface is then metallized and metallic conductors are made. This metallization can be in contact with the connection pads of certain components and with the conductive substrates.
  • Cavities can then be produced in the conductive substrates 40.
  • these substrates are blocks of copper.
  • the cavities are formed by chemical etching.
  • the components 43 are then bonded which must be placed in these cavities, rear face against the bottom of the cavity.
  • a conductive adhesive 44 is used for this.
  • the space left free between the components and the walls of the cavity can be blocked, for example by polymeric material.
  • the depth of the cavities is substantially equal to the thickness of the components placed there added to that of the glue, so that the connection pads of these components 43 are substantially in the same plane as the front face of the insulating substrate. 41.
  • the conductive substrate has a thickness of 500 microns or more and a cavity in the substrate has a depth of 150 microns.
  • FIGS. 9 to 13 relate more particularly to the steps by which the thermal contact pads and the associated conduction elements are produced.
  • substrate 45 comprising a component 46.
  • component 46 is a conductive substrate, typically made of copper. It is itself integrated into an insulating substrate (not shown).
  • the active face of the component comprises various conductors including an air bridge 47 and connection pads 48, 49, for the connection of the component to the outside.
  • This active face can be covered with a mechanical protection layer 50, typically benzocyclobutene (BCB), which will in particular protect the air bridges.
  • BCB benzocyclobutene
  • the air bridge 47 is an air bridge of a power transistor. It is usually connected to the ground plane of the component on the rear face 51, by a metallized micro-hole 52 through the substrate of the component. It covers junctions of elementary transistors, thermal heating seats.
  • a total dissipated power of 7.5 watts with a component MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit) of type HPA (High Power Amplifier) comprising seven identical elementary transistors, with twelve grid fingers of 100 microns each dissipating the same power (7.5 watts / 7/12).
  • MMIC Microwave Monolithic Integrated Circuit
  • HPA High Power Amplifier
  • An order of magnitude of the dimensions of the conductor forming the air bridge in current technologies is 80 microns by 300 microns, where 300 microns corresponds to the length of the air bridge, which covers (over the length) the entire transistor.
  • the connection pads are approximately 200 microns by 200 microns.
  • the thermal contact pad Preferably, provision is made for the thermal contact pad to have a surface which includes the contact surface on the conductor of the air bridge, and a surface around it. With a larger heat exchange surface, heat dissipation is improved. In a particularly advantageous manner, the surface of the thermal contact pad is enlarged so that it substantially covers the surface of the power transistor.
  • a thermal contact area on an air bridge could have a surface of at least 300 microns by 700 microns, corresponding to the surface of the transistor.
  • a step of manufacturing thermal contact pads on the active face of a component comprises making openings in the mechanical protection layer 50 which usually covers the entire active face of the components, - so as to release the connection pads 48 , 49 and the conductor forming the air bridge 47 ( Figure 10), and the filling of these openings with conductive material.
  • This last step can be done for example as follows:
  • the resin film (metallized) is then removed, typically using solvents.
  • Another method for widening the thermal contact range advantageously uses electrolytic recharging from the thermal contact ranges. Briefly, a thin metallic layer, typically copper, is deposited over the entire surface of the module, then this copper is grown in the desired locations, that is to say preferably, over an enlarged contact area around the bridge. air.
  • such a method comprises the following steps:
  • the metal layer 53 In the (current) case where the conductors on the active face are made of gold, it is planned to form the metal layer 53, to deposit by spraying first titanium-tungsten (TiW), on approximately 500 Angstroms, then copper. The titanium-tungsten layer then forms a barrier between gold and copper.
  • TiW titanium-tungsten
  • This manufacturing process is in practice applied over the entire surface of the module, to form the thermal contact areas on the components.
  • the interconnection structure 57 of collective wiring type comprising one or more layers of dielectric, depending on the complexity of the routing to be performed.
  • the realization of such a structure comprises for each layer of dielectric, a step of forming holes to reach electrical connection areas on a lower layer, or to reach connection pads on the active face of the components, and a step of metallizing these holes and forming a network of conductors on the surface.
  • the interconnection structure comprises two layers of dielectric 57a and 57b.
  • the first dielectric layer 57a is deposited over the entire surface of the module ( Figure 12). Holes 58, 59 are made in this layer, by laser ablation or any other known method, above the connection pads 48, 49. The dimensions of the holes correspond to the dimensions of the connection pads.
  • the surface of the layer 57a is then metallized and then etched to form a network of conductors corresponding to this level of routing.
  • the second dielectric layer 57b is deposited over the entire surface of the module. Holes corresponding to the connections to be made with the lower layer are made and a corresponding network of conductors is made on the surface.
  • holes are made through the entire interconnection structure, in this case the layers 57a and 57b, up to the thermal contact areas of the module:
  • a first hole 62 is made with regard to the enlarged thermal contact pad 56.
  • Another hole 63 is made at the periphery of the component, on the conductive substrate, so as to release a thermal contact pad 64 on this substrate.
  • the holes 60 to 63 are made in the same step, for example by laser drilling, which stops on the metal.
  • a next step consists in plugging with holes the holes 62, 63 passing through the entire interconnection structure up to the thermal contact areas of the module. Then the electrical connection holes 60, 61 can be metallized and the network of conductors can be formed on the last layer 57b of the interconnection structure, according to usual methods.
  • the step of plugging the through holes 62, 63 can use electrolytic recharging, generally using a conductor of the ground plane as an electrode.
  • the conductive substrate and its own ranges of thermal contact 64, and the thermal contact pads 56 of the component are short-circuited to ground.
  • the recharging takes place from the bottom of the holes 62, 63, to the surface of the dielectric material 57.
  • Other methods can be used, such as for example the use of a thermally conductive ink, such as a paste 'money.
  • lead tin microbeads 65, 66 are deposited on the electrical connection zones of the interconnection structure.
  • Other lead tin microbeads 67, 68, 69 are deposited on the thermal contact zones formed by the plugged holes 62 and 63. These surface mounting microbeads are used (65, 66) for electrical transmission, others (67 to 69) to thermal conduction.
  • FIG. 14 shows a variant of FIG. 13, according to which electrical continuity is ensured not by a block of conductive substrate, but by a layer of metal 70.
  • Thermal contact pads can be produced as for the block of conductive substrate , on a portion of layer 70, on the front face of the insulating substrate.
  • the electrolytic recharging process seen previously for plugging the corresponding holes in the interconnection structure applies in the same way.
  • Variants of the invention relate in particular to the formation of thermal contact pads. Indeed, the formation of these areas on the active faces of the components can be done before the integration of these components in the insulating substrate of the module, in the manufacturing process of these components and / or, collectively, in the manufacturing process of the module as more particularly described.
  • the metal (53) and resin (54) layers cover the surface of the component. In the second, they cover the entire surface of the module.
  • the invention which has just been described applies advantageously to integrated circuit modules comprising power components. It applies to manufacturing processes of the collective wiring type which are inexpensive processes, and allows efficient cooling, by the front face of the modules, both by the active face of the components, and by their rear face, of preferably via conductive substrates. It has been possible to measure in practice, in the example of an MMIC component integrated in a module as described in the invention, in a block of conductive substrate, that 50% of the heat dissipation could take place by the thermal contact pads on the active face of the components, the rest being dissipated by the rear faces, by the thermal contact pads on the periphery of the components.

Abstract

Un module de circuits intégrés comprend des plages de contact thermique (12) sensiblement dans le même plan de surface que les plots de connexion (6, 7) sur les face actives des composants, une plage de contact thermique correspondant à un élément conducteur d'un composant (1), raccordé au plan de masse de celui-ci et situé au plus près d'un point chaud, et des éléments de conduction thermique (12) traversant une structure d'interconnexion de type câblage collectif (9), en regard desdites plages de contact thermique (12), permettant de relier ces plages à un dispositif de dissipation thermique (Dth). Les plages de contact thermique peuvent être réalisées dans le processus de fabrication des composants, ou collectivement, dans le procédé de fabrication du module. De préférence, les plages de contact thermique sont formées sur des ponts à air de transistor de puissance.

Description

MODULE DE CIRCUITS INTEGRES ET PROCEDE DE FABRICATION CORRESPONDANT
La présente invention concerne un module de circuits intégrés et un procédé de fabrication correspondant. Une application plus particulièrement intéressante concerne les modules intégrant des composants de puissance, comme par exemple des composants AsGa de type MMIC (acronyme anglo-saxon pour Monolithic Microwave Integrated Circuit), pour lesquels il est nécessaire d'avoir une bonne dissipation thermique.
Habituellement, la dissipation thermique est obtenue au moyen d'éléments adaptés offrant un chemin thermique dans le module considéré, entre la face arrière des composants de puissance et un dispositif de refroidissement, tel qu'une plaque froide ou un drain thermique. Or les points chauds des composants sont situés en face avant. Les points chauds correspondent typiquement à des jonctions de transistors de puissance. Aussi, le chemin de dissipation thermique dans le composant traverse t-il tout le substrat du composant lui-même," depuis la face avant, jusqu'à la face arrière.
Dans l'invention, on a cherché à limiter les échanges thermiques à l'intérieur des composants.
La solution trouvée à ce problème technique est de prévoir des moyens de refroidissement par la face avant des composants, en réduisant le plus possible la dissipation thermique par la face arrière.
L'invention s'applique plus particulièrement au domaine des modules de circuits intégrés, ou modules MCM (acronyme anglo-saxon pour Multi-Chip Module). Ces modules intègrent différents types de composants (puces silicium, filtres à onde de surface, composants passifs ...), et leur structure d'interconnexion est issue des technologies dites de câblage collectif. Selon ces technologies, des composants sont placés dans un substrat isolant, de façon à ce que les plots de connexion de ces composants soient sensiblement dans le même plan de surface que la face avant du substrat isolant. Le substrat peut être moulé ou gravé. Une structure d'interconnexion de type câblage collectif est réalisée sur la face avant du substrat, et permet d'assurer l'interconnexion des composants entre eux et vers l'extérieur. Cette structure comprend au moins une couche de diélectrique, des trous métallisés et un réseau de conducteurs.
Selon l'invention, on prévoit des plages de contact thermique sur la face active de certains composants, correspondant à des éléments conducteurs électriquement connectés au plan de masse. Des éléments de conduction thermique sont réalisés dans la structure d'interconnexion pour relier thermiquement ces plages de contact thermique à un dispositif de dissipation thermique. Ces plages de contact thermique sont en pratique situées à proximité de points chauds. Ce sont par exemple des ponts à air de transistors de puissance. Par exemple, on réalise une plage de contact thermique sur un pont à air qui contacte les émetteurs des transistors élémentaires d'un transistor de puissance de type HBT (acronyme anglo- saxon pour Hθtero-junction Bipolar Transistor), ou sur un pont à air qui contacte les sources des transistors élémentaires d'un transistor de puissance de type HEMT ( High électron Mobility Transistor). Ces plages de contact thermique sont situées sensiblement dans le même plan de surface que les plots de connexion et la face avant du substrat isolant.
L'invention concerne donc un composant électronique comprenant une face active comportant des éléments conducteurs et des plots de connexion, caractérisé en ce qu'il comporte une plage de contact thermique au moins sur la face active, chaque plage de contact thermique comprenant un élément de conducteur électriquement connecté au plan de masse du composant, et une surface de contact thermique comprenant au moins la surface de contact avec ledit élément conducteur. Selon un aspect de l'invention, l'élément de conducteur d'une plage de contact thermique est un pont à air de transistor de puissance. De préférence, la surface de la plage de contact thermique recouvre sensiblement la surface du transistor de puissance.
L'invention concerne aussi un module de circuits intégrés comprenant un substrat isolant, une pluralité de composants électroniques dont un composant au moins avec une ou des plages de contact thermique, les composants étant placés dans ledit substrat en sorte que les plots de connexion soient sensiblement dans le même plan de surface que la face avant du substrat, et une structure d'interconnexion de type câblage collectif disposée sur la dite face avant pour connecter les composants entre eux et vers l'extérieur, caractérisé en ce que les plages de contact thermique sont sensiblement dans le même plan de surface que les plots de connexion, et en ce qu'il comprend des éléments de conduction thermique traversant ladite structure d'interconnexion en regard desdites plages de contact thermique permettant de relier lesdites plages à un dispositif de dissipation thermique. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication de plages de contact thermique sur un composant, comprenant notamment la réalisation d'ouvertures dans une couche de protection recouvrant la face active du composant et le remplissage de ces ouvertures par du matériau conducteur. Dans une variante, on prévoit d'élargir ces plages de contact thermique réalisées sur les faces actives des composants, pour augmenter la surface d'échange thermique.
Un procédé de fabrication d'un module, comprend notamment la formation de trous traversant la structure d'interconnexion, bouchés par du matériau thermiquement' conducteur, en regard des plages de contact thermique sur les faces actives des composants.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont détaillés dans la description suivante, faite à titre d'exemple, et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un module selon l'invention reporté par montage en surface sur un circuit imprimé collé sur un circuit de refroidissement,
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de circuit électronique comprenant des modules de circuits intégrés selon l'invention;
- les figures 3 et 4 sont des vues en coupe longitudinale et transversale d'un élément de conduction thermique sur un pont à air de transistor de puissance servant de plage de contact thermique selon l'invention,
- les figures 5 à 13 montrent des étapes de fabrication d'un module de circuits intégrés dans un substrat moulé, y compris la réalisation de plages de contact thermique et d'éléments de conduction thermique correspondants, et - la figure 14 montre un exemple de module obtenu selon une variante de fabrication.
La figure 1 montre un module M de circuits intégrés refroidi par sa face avant selon le principe de l'invention. Pour la clarté de l'exposé, un seul composant 1 est représenté dans le module. Ce composant est disposé dans le substrat en sorte que ses plots de connexion 6, 7 soient sensiblement dans le même plan de surface que la face avant du substrat isolant 2. Pour les composants tels que le composant 1 qui ont leur plan de masse reporté en face arrière (métallisation de la face arrière), il faut assurer la continuité électrique du plan de masse avec la face avant du module. On prévoit habituellement au moins une couche métallique (non représentée) entre le composant et le substrat isolant, qui assure cette continuité électrique. Cette couche a une épaisseur typique d'environ 15 microns. La réalisation pratique de cette couche de métal de continuité électrique dépend du procédé de fabrication du module M. Dans un exemple, le procédé de fabrication du module utilise un substrat moulé ou gravé. Ce substrat moulé peut être réalisé dans tout matériau isolant habituel, comme de la céramique, ou de la résine, selon tout procédé connu. La couche de métal est alors réalisée selon tout procédé adapté pour recouvrir la face avant du substrat moulé ou gravé, avant de placer les composants dans des cavités du substrat, face arrière des composants contre le fond de la cavité. Dans un autre exemple, le procédé de fabrication du module utilise une technique de moulage d'un substrat isolant (résine) par-dessus les composants, par leur face arrière. Une technique de réalisation de la couche de métal de continuité électrique est décrite dans la demande de brevet EP 0611 129 A2. Selon cette technique, on dépose une couche de métal sur un film diélectrique souple. On vient placer le film ainsi métallisé, face métal contre la face arrière métallisée des composants. Le moulage de la résine peut ensuite être réalisé par dessus.
De préférence, la continuité électrique entre la face arrière d'un composant et la face avant du module est obtenue en plaçant le composant dans une cavité d'un bloc de substrat conducteur, dans le substrat isolant. Le substrat conducteur contribue à un meilleur refroidissement du composant. Un tel mode de réalisation est représenté sur la figure 1. Le composant 1 est placé dans une cavité d'un bloc de substrat conducteur 3, typiquement un substrat cuivre. Ce substrat conducteur est tel qu'il affleure en surface de la face avant du substrat isolant. Le composant est collé par sa face arrière dans le fond de la cavité, par une colle conductrice 4. On a ainsi la continuité électrique du plan de masse entre la face arrière et le substrat conducteur.
Une structure d'interconnexion 9 de type câblage collectif est réalisée de façon habituelle en face avant du substrat isolant. Cette structure recouvre toute la surface du module M et comprend des connexions électriques qui permettent l'interconnexion des composants du module et la connexion vers l'extérieur. Elle comprend en général plusieurs couches de diélectrique en fonction de la complexité du routage à réaliser. Pour chaque couche, on a des trous métallisés, en regard de zones de contact sur une couche inférieure et des conducteurs correspondants. Dans l'exemple représenté sur la figure 1 , cette structure d'interconnexion 9 comprend deux couches de polymère 9a et 9b. La première couche de polymère 9a comprend notamment des trous métallisés en regard de plots de connexion 6, 7 du composant 1 , situés sur la face active de ce composant.
La structure d'interconnexion comprend un élément de conduction thermique 11 , qui la traverse de part en part, et qui vient en contact sur une plage de contact thermique 12 sur la face active du composant 1, formée par un conducteur prédéterminé relié au plan de masse du composant. En pratique ce conducteur est situé à proximité d'un point chaud au moins du composant. C'est par exemple, et comme représenté sur la figure 1 , un pont à air de transistor de puissance. Un transistor de puissance comprend en effet différents points chauds sous le pont à air, au niveau de jonctions des différents transistors élémentaires qui le forment.
La structure d'interconnexion 9 comprend d'autres éléments de conduction thermique 13 a et 13 b, qui la traversent de part en part, pour venir en contact avec des portions 14a et 14b du substrat conducteur 3, en face avant du module. Ces portions forment des plages de contact thermique par lesquelles la chaleur provenant de la face arrière du composant 1 placé dans le substrat conducteur va pouvoir se dissiper.
En général, la face active des composants est recouverte d'une couche de protection mécanique 5 qui protège les conducteurs, notamment les ponts à air dans les composants de puissance, et assure aussi la planarisation de la surface. Cette couche de protection est typiquement une couche polymère de benzocyclobutène (BCB). Les plages de contact thermique sont formées par des ouvertures à travers cette couche.
En pratique, les éléments de conduction thermique transversaux de la structure d'interconnexion 9 du module correspondent à des ouvertures pratiquées dans cette structure et le cas échéant, dans la couche de protection 5, jusqu'aux plages de contact thermique prédéterminées. Ces ouvertures sont bouchées par du matériau thermiquement conducteur, par exemple du cuivre. En reliant ces éléments de conduction thermique à un circuit de refroidissement, on a une dissipation thermique qui se produit par la face avant du module, par les faces actives des composants, et par leur face arrière, via les substrats conducteurs.
En pratique, les modules sont habituellement montés en surface de circuits imprimés multi-couches, au moyen de procédés de report CMS adaptés, typiquement au moyen de microbilles d'étain plomb. Dans l'exemple, le module M est ainsi monté en surface d'un circuit imprimé CI. En plus des microbilles b1 , b2 habituellement prévues sur des zones de contact de la structure d'interconnexion 9 du module, on a des microbilles b3 à b6 déposées en surface de la structure d'interconnexion, sur les éléments de conduction thermique 13a, 12, 13b, et qui participent de la conduction thermique.
Le module est reporté en surface du circuit imprimé Cl, par refusion des microbilles. Ce circuit imprimé est lui-même collé sur un circuit de refroidissement Dth, par exemple une plaque froide ou un drain thermique.
Le circuit imprimé Cl comprend des couches d'interconnexion habituelles (non représentées), par lesquelles le module peut être connecté électriquement à d'autres modules ou vers l'extérieur. Selon l'invention, il comprend en outre des trous transversaux 15, 16, 17 en regard des éléments de conduction thermique transversaux des modules, 13a, 12 et 13b respectivement, munis de leurs microbilles. Ces trous du circuit imprimé comprennent des inclusions de matériau thermiquement conducteur, pour assurer la continuité du chemin de conduction thermique depuis les plages de contact thermique 14a, 12, et 14b du module jusqu'au dispositif de refroidissement Dth. Les éléments de conduction thermique dans les circuits imprimés peuvent être réalisés en perçant ces circuits imprimés de part en part aux endroits correspondants. Ce perçage peut être obtenu mécaniquement ou par ablation laser. La conduction thermique par ces trous peut être assurée par des pions de métal, maintenus par collage sur le circuit de refroidissement par exemple. Elle peut aussi être assurée par le circuit de refroidissement lui-même, qui a alors toute forme adaptée pour s'emboîter dans les trous 15, 16, 17 du circuit imprimé. Ou bien ces trous peuvent être bouchés par du matériau thermiquement conducteur, par tout procédé connu. On peut par exemple utiliser une encre thermoconductrice, comme une pâte à l'argent. De préférence, parce que le cuivre est un très bon conducteur thermique, on peut utiliser un procédé de croissance électrolytique de cuivre dans ces trous. Ceci peut être obtenu simplement en collant une feuille de cuivre sur une face du circuit imprimé, en prévoyant, par perçage ou épargne du film adhésif, qu'il n'y ait pas de colle au fond des trous et en plaçant le circuit imprimé dans un bain électrolytique. La feuille de cuivre est connectée à une des électrodes de recharge électrolytique. La hauteur de cuivre obtenue peut ensuite être ajustée, par polissage, et la surface des trous bouchés peut être usinée, de façon à être adaptée au montage en surface du module sur ce circuit imprimé. Le circuit imprimé peut ensuite être de nouveau percé et métallisé et la feuille de cuivre peut être gravée, afin de réaliser les contacts électriques entre les deux faces du circuit imprimé.
De préférence, les éléments de conduction thermique transversaux de la structure d'interconnexion du module et du circuit imprimé sur lequel le module est reporté, ont sensiblement les mêmes dimensions que les plages de contact thermique associées.
Les plages thermiques réalisées sur la face active des composants sont les plus larges possibles, pour favoriser le refroidissement. On prévoit alors plusieurs microbilles de montage en surface correspondantes, en fonction de la dimension de ces plages. Sur la figure 1 , on a ainsi deux microbilles b4 et b5 pour la plage de contact thermique 12 réalisée sur le composant 1.
Avec un module M selon l'invention, on peut ainsi réaliser le refroidissement des composants qu'il intègre, par sa face avant. En outre, la mise en place des composants dans un substrat conducteur, et la formation de plages de contact thermique en face avant du module, sur ce substrat conducteur, et en périphérie de ces composants, permet de doubler le refroidissement par la face active des composants d'un refroidissement par la face arrière, par le substrat conducteur.
Un module selon l'invention est particulièrement intéressant dans les applications où a puissance radioélectrique est utilisée, par exemple dans des architectures d'antennes utilisant des modules actifs d'émission réception. En effet, la puissance radioélectrique qui peut être extraite d'un composant de puissance dépend directement de la capacité à refroidir le composant. Et les substrats en arséniure de Gallium utilisés pour réaliser les composants de puissance ont une forte résistivité thermique. En dégageant des plages de contact proches de points chauds, sur la face active du composant, on limite la dissipation thermique qui se fait par le substrat AsGa. On améliore ainsi les performances radioélectriques du composant. En doublant le refroidissement de la face active, d'un refroidissement par la face arrière, au moyen de plages de contact thermique en face avant du module, en périphérie du composant, sur le substrat conducteur, on n'a pas besoin de prévoir un autre dispositif de refroidissement par la face arrière du module (plaque froide avec des ouvertures réalisées à travers le substrat isolant jusqu'à la face arrière des composants, avec dissipation par plot thermique ou trous bouchés par exemple).
La figure 2 montre un exemple de structure électronique multi- module qui peut être réalisée en utilisant le principe de l'invention, par exemple, pour réaliser une antenne.
Dans cette structure on a un drain thermique Dth. De chaque côté du drain thermique, on a deux modules M-i et M2 de circuits intégrés, chacun monté en surface d'un circuit imprimé respectif, Clι, Cl2. Les deux circuits imprimés sont chacun collé sur une face du drain thermique Dth. Les modules Mi et M2 comprennent chacun une pluralité de composants actifs ou passifs. Certains sont placés dans des cavités de substrats conducteurs. Chaque cavité peut comprendre un ou plusieurs composants. Les modules Mi et M2 et les circuits imprimés Cl-i et Cl2 correspondent au module M et au circuit imprimé Cl de la figure 1. En face avant du module M-i, on a ainsi une plage de contact thermique 20 sur la face active d'un composant 22, placé dans une cavité d'un substrat conducteur et une plage de contact thermique 21 , sur la face active d'un composant 23. En face avant du module M2, on a une plage de contact thermique 24, sur la face active d'un composant 25 placé dans une cavité d'un substrat conducteur 27 et une plage de contact thermique 26 en surface de ce substrat conducteur 27. Des éléments de conduction thermique correspondants dans la structure d'interconnexion INT-i, INT2 des modules et dans les circuits imprimés C , Cl2 assurent la continuité du chemin de conduction thermique entre chacune de ces plages de contact thermique et le drain thermique Dth. Cette continuité du chemin de conduction thermique apparaît clairement sur la figure 2, par des traits pleins 28, 29, 30 et 31 entre les différentes plages de contact thermique et le drain thermique Dth.
La face arrière des modules peut être utilisée pour y reporter des éléments passifs encombrants, par exemple des condensateurs. Le plan de masse est alors ramené sur ces faces arrières, métallisées, au moyen d'ouvertures Oo, Oi traversant les substrats isolants des modules.
Enfin, les liaisons électriques L|, L2 entre les deux circuits imprimés multicouches C et Cl2 sont assurées par des transitions transversales à travers le drain thermique. Ces transitions peuvent être assurées par des connecteurs miniatures ou des pions-bouton (fuzz-huttons) maintenus par collage sur les deux circuits imprimés.
Les figures 3 et 4 représentent les vues en coupe longitudinale et transversale au niveau d'une plage de contact thermique d'un composant.
La face active du composant est généralement recouverte d'une couche de protection mécanique 32, typiquement une couche polymère de benzocyclobutène (BCB). Une plage de contact thermique est formée par une ouverture dans cette couche de protection 32, sur un pont à air 33 d'un transistor de puissance, par exemple un transistor de type HBT. Le pont à air 33 connecte entre eux les émetteurs des transistors élémentaires, et passe au-dessus des bases b et des collecteurs c des transistors élémentaires. Par-dessus la surface du composant (et du substrat), une structure d'interconnexion 34 est réalisée. Cette structure peut comprendre une ou plusieurs couches de diélectrique (polymère), en fonction de la complexité du routage à réaliser. Dans cette structure, un élément transversal 35 de conduction thermique est réalisé, en regard de la plage de contact thermique. Cet élément de conduction est typiquement formé par un trou traversant toute la structure d'interconnexion et bouché par du matériau thermiquement conducteur. Sur cet élément 35, on vient alors déposer au moins une microbille d'étain-plomb. Cette microbille a typiquement un diamètre de 200 microns (10"6m). On verra dans le procédé de fabrication du module qui va maintenant être détaillé, que l'on peut élargir la plage de contact thermique, de façon à avoir une plus grande surface d'échange thermique. Notamment, pour une plage de contact thermique sur un pont à air de transistor, il est intéressant, d'avoir une plage de contact thermique dont la surface recouvre sensiblement celle du transistor de puissance. On prévoit alors que les éléments de conduction thermique correspondants dans la structure d'interconnexion et dans le circuit imprimé aient sensiblement les mêmes dimensions.
Maintenant, un exemple d'un procédé de fabrication d'un tel module va être détaillé, en référence aux figures 5 à 13. Dans cet exemple, le substrat isolant est obtenu par moulage d'une résine par la face arrière des composants. Pour cela, un substrat support 36 est utilisé. Ce substrat support peut être une plaque de verre sur laquelle des mires en chrome 37 sont réalisées. Un matériau adhésif 38, par exemple une résine silicone, est déposé sur toute la surface de la plaque de verre. La plaque de verre revêtue du matériau adhésif forme un support de moulage. En s'aidant des mires réalisées sur le substrat, on vient positionner des composants actifs et passifs 39 sur le matériau adhésif. Ces composants sont positionnés avec leur face active portant les plots de connexion contre la plaque de verre. Le matériau adhésif maintient les composants en place, sans les coller de manière définitive.
Dans la description des modules, on a vu que l'on plaçait de préférence dans des substrats conducteurs les composants pour lesquels il était nécessaire d'assurer la continuité électrique de la face arrière (plan de masse). Pour ces composants, ce sont des blocs 40 (ou une matrice) de substrat conducteur que l'on vient alors positionner sur le matériau adhésif. Les composants sont intégrés dans une étape ultérieure.
On peut alors venir mouler de la résine par derrière les composants et les substrats conducteurs, pour former le substrat isolant 41 (Figure 6).
De préférence, pour limiter le déplacement des composants dû au rétreint de la résine, on utilise de préférence une grille de résine 42 préalablement moulée (Figure 7). Cette grille est par exemple réalisée en coulant une résine dans un moule métallique dont les parois sont recouvertes de Téflon. La résine peut être une résine époxy avec une charge minérale ayant une température de transition vitreuse élevée. Après recuit de la résine, la grille peut être facilement séparée de son moule (qui peut-être réutilisé). Cette grille est positionnée sur la plaque de verre (sur le matériau adhésif) et les composants sont placés au fond des cavités ainsi formées par la grille, contre la plaque de verre (Figure 5).
La résine de moulage peut alors être coulée par-dessus la grille pour venir enrober les composants (Figure 6). Après durcissement de la résine, l'ensemble formé de la résine de moulage, de la grille et des composants et des substrats conducteurs forme un bloc qui peut être séparé du support de moulage (plaque de verre + matériau adhésif).
Avec un tel procédé, les plots de connexion des composants et les substrats conducteurs sont situés sensiblement dans le même plan de surface que la face avant du substrat isolant formé par la résine moulée.
La surface de la résine est ensuite métallisée et des conducteurs métalliques sont réalisés. Cette metallisation peut être en contact avec les plots de connexion de certains composants et avec les substrats conducteurs.
Des cavités peuvent ensuite être réalisée dans les substrats conducteurs 40. Typiquement, ces substrats sont des blocs de cuivre. Les cavités sont formées par gravure chimique.
On vient alors coller les composants 43 qui doivent être placés dans ces cavités, face arrière contre le fond de la cavité. On utilise pour cela une colle conductrice 44. L'espace laissé libre entre les composants et les parois de la cavité peut être bouché, par du matériau polymère par exemple. La profondeur des cavités est sensiblement égale à l'épaisseur des composants qui y sont placés ajoutée à celle de la colle, de manière à ce que les plots de connexion de ces composants 43 soient sensiblement dans le même plan que la face avant du substrat isolant 41. Dans un exemple pratique, le substrat conducteur a une épaisseur de 500 microns ou plus et une cavité dans le substrat a une profondeur de 150 microns.
D'autres procédés de fabrication peuvent être utilisés. Par exemple, on peut partir d'un substrat moulé ou gravé, avec des cavités de différentes épaisseurs correspondant sensiblement à l'épaisseur des composants et des substrats conducteurs qui doivent y être placés, ajoutée à l'épaisseur de colle. Si le substrat isolant est réalisé par un moulage de résine, les parois du moule correspondant seront de préférence recouvertes de Téflon. Les composants et substrats conducteurs sont ensuite placés dans les cavités du substrat isolant et les espaces laissés libres par les composants dans les cavités peuvent être comblés, par exemple par du matériau polymère. On retrouve ensuite la formation des cavités dans les substrats conducteurs et le placement de composants dans ces cavités, comme précédemment.
Les figures 9 à 13 concernent plus particulièrement les étapes par lesquelles les plages de contact thermique et les éléments de conduction associés sont réalisés.
Sur ces figures, une petite portion de substrat 45 est représentée, comprenant un composant 46. Dans l'exemple, c'est un substrat conducteur, typiquement en cuivre. Il est lui-même intégré à un substrat isolant (non représenté).
La face active du composant comprend différents conducteurs dont un pont à air 47 et des plots de connexion 48, 49, pour la connexion du composant vers l'extérieur. Cette face active peut être recouverte d'une couche de protection mécanique 50, typiquement du benzocyclobutène (BCB), qui va notamment protéger les ponts à air.
Dans l'exemple, le pont à air 47 est un pont à air de transistor de puissance. Il est de façon habituelle raccordé au plan de masse du composant en face arrière 51 , par un micro-trou métallisé 52 à travers le substrat du composant. II recouvre des jonctions de transistors élémentaires, sièges d'échauffement thermique. Dans un exemple pratique, on peut avoir une puissance dissipée totale de 7,5 watts avec un composant MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit) de type HPA (High Power Amplifier) comprenant sept transistors élémentaires identiques, avec douze doigts de grille de 100 microns dissipant chacun la même puissance (7,5 watts/7/12).
Un ordre de grandeur des dimensions du conducteur formant le pont à air dans les technologies actuelles, est de 80 microns sur 300 microns, où 300 microns correspond à la longueur du pont à air, qui recouvre (sur la longueur) tout le transistor. A titre de comparaison, les plots de connexions font environ 200 microns sur 200 microns.
De préférence, on prévoit que la plage de contact thermique a une surface qui comprend la surface de contact sur le conducteur du pont à air, et une surface autour. Avec une surface d'échange thermique plus grande, on améliore la dissipation thermique. De façon particulièrement avantageuse, on élargit la surface de la plage de contact thermique de façon à ce qu'elle recouvre sensiblement la surface du transistor de puissance. Dans un exemple, une plage de contact thermique sur un pont à air pourra avoir une surface d'au moins 300 microns sur 700 microns, correspondant à la surface du transistor. Une étape de fabrication de plages de contact thermique sur la face active d'un composant comprend la réalisation d'ouvertures dans la couche de protection mécanique 50 qui recouvre habituellement tout la face active des composants,- de manière à dégager les plots de connexion 48, 49 et le conducteur formant le pont à air 47 (Figure 10), et le remplissage de ces ouvertures par du matériau conducteur.
Cette dernière étape peut se faire par exemple de la façon suivante :
- dépôt d'un film de résine photosensible, et retrait de cette résine sur au moins la surface dégagée sur le conducteur formant le pont à air 47 et de préférence, sur une surface autour (Figure 11) ;
- dépôt chimique de métal (cuivre), la résine formant un masque de protection, notamment pour les plots de connexion du composant.
Le film de résine (métallisé) est ensuite retirée, typiquement au moyen de solvants. Un autre procédé pour élargir la plage de contact thermique utilise de façon avantageuse la recharge électrolytique à partir des plages de contact thermique. De façon résumé, on dépose une fine couche métallique, typiquement du cuivre, sur toute la surface du module, puis on fait croître ce cuivre aux endroits désirés, c'est à dire de préférence, sur une zone de contact élargie autour du pont à air.
De façon plus détaillée, un tel procédé comprend les étapes suivantes :
- dépôt d'une fine couche métallique 53, par pulvérisation. On obtient une couche d'environ 1000 à 5000 angstrôms (10"10m) d'épaisseur.
- dépôt d'une couche épaisse de résine photosensible 54, et retrait de cette résine sur la zone dégagée sur le conducteur du pont à air 47, et de préférence, sur une zone autour (FigurelO). La couche de résine à une épaisseur d'environ 10 microns (10"6m) d'épaisseur. - recharge électrolytique, en utilisant la couche métallique 53 comme électrode 55.
- retrait de la couche de résine. Cette opération est typiquement réalisée au moyen solvants.
- retrait d'une épaisseur de couche métallique sensiblement égale à l'épaisseur de la première couche de métal 53. Cette opération se fait typiquement par micro-attaque chimique.
Au final, on obtient le module représenté sur la figure 11, avec une plage de contact élargie 56 au-dessus du pont à air 47.
Dans le cas (courant) où les conducteurs sur la face active sont en or, on prévoit pour former la couche métallique 53, de déposer par pulvérisation d'abord du titane-tungstène (TiW), sur environ 500 Angstrôms, puis du cuivre. La couche de titane-tungstène forme alors une barrière entre l'or et le cuivre.
Ce procédé de fabrication est en pratique appliqué sur toute la surface du module, pour former les plages de contact thermique sur les composants.
On peut maintenant réaliser la structure d'interconnexion 57 de type câblage collectif, comprenant une ou plusieurs couches de diélectrique, en fonction de la complexité du routage à réaliser. De manière générale la réalisation d'une telle structure comprend pour chaque couche de diélectrique, une étape de formation de trous pour atteindre des zones de connexion électrique sur une couche inférieure, ou pour atteindre des plots de connexion sur la face active des composants, et une étape de metallisation de ces trous et de formation d'un réseau de conducteurs en surface.
Dans l'exemple, la structure d'interconnexion comprend deux couches de diélectrique 57a et 57b.
La première couche de diélectrique 57a est déposée sur toute la surface du module (Figure 12). Des trous 58, 59, sont réalisés dans cette couche, par ablation laser ou tout autre procédé connu, au-dessus des plots de connexion 48, 49. Les dimensions des trous correspondent aux dimensions des plots de connexion. La surface de la couche 57a est ensuite métallisée puis gravée pour former un réseau de conducteurs correspondant à ce niveau de routage. La deuxième couche de diélectrique 57b est déposée sur toute la surface du module. Des trous correspondants aux connexions à réaliser avec la couche inférieure sont réalisés et un réseau de conducteurs correspondant est réalisé en surface.
Selon l'invention, on réalise des trous traversant toute la structure d'interconnexion, soit ici les couches 57a et 57b, jusqu'aux plages de contact thermique du module : Dans l'exemple, un premier trou 62 est réalisé au regard de la plage de contact thermique élargie 56. Un autre trou 63 est réalisé en périphérie du composant, sur le substrat conducteur, de manière à dégager une plage de contact thermique 64 sur ce substrat. En pratique, les trous 60 à 63 sont réalisés dans une même étape, par exemple par perçage laser, qui s'arrête sur le métal.
Une étape suivante consiste à boucher avec du matériau conducteur les trous 62, 63 traversant toute la structure d'interconnexion jusqu'aux plages de contact thermique du module. Ensuite les trous de connexion électrique 60, 61 peuvent être métallisés et le réseau de conducteurs peut être formé sur la dernière couche 57b de la structure d'interconnexion, selon des procédés habituels.
L'étape de bouchage des trous traversants 62, 63 peut utiliser la recharge électrolytique, en utilisant de façon générale un conducteur du plan de masse comme électrode. Le substrat conducteur et ses propres plages de contact thermique 64, et les plages de contact thermique 56 du composant sont court-circuités à la masse. La recharge se fait depuis le fond des trous 62, 63, jusqu'à la surface du matériau diélectrique 57. D'autres procédés peuvent être utilisés, comme par exemple l'utilisation d'une encre thermoconductrice, telle qu'une pâte à l'argent.
Enfin, des microbilles d'étain plomb 65, 66 sont déposées sur des zones de connexion électrique de la structure d'interconnexion. D'autres microbilles d'étain plomb 67, 68, 69 sont déposées sur les zones de contact thermique formées par les trous bouchés 62 et 63. Ces microbilles de montage en surface servent les unes (65, 66) à la transmission électrique, les autres (67 à 69) à la conduction thermique.
La figure 14 montre une variante de la figure 13, selon laquelle la continuité électrique est assurée non pas par un bloc de substrat conducteur, mais par une couche de métal 70. Des plages de contact thermique peuvent être réalisées comme pour le bloc de substrat conducteur, sur une portion de la couche 70, en face avant du substrat isolant. Le procédé de recharge électrolytique vu précédemment pour boucher les trous correspondants dans la structure d'interconnexion s'applique de la même façon.
Des variantes de l'invention concernent notamment la formation des plages de contact thermique. En effet, la formation de ces plages sur les faces actives des composants peut être faite avant l'intégration de ces composants dans le substrat isolant du module, dans le processus de fabrication de ces composants et/ou, collectivement, dans le procédé de fabrication du module comme plus particulièrement décrit. Dans le premier cas, les couches de métal (53) et de résine (54) couvrent la surface du composant. Dans le deuxième, elles couvrent toute la surface du module.
L'invention qui vient d'être décrite s'applique de façon avantageuse à des modules de circuits intégrés comprenant des composants de puissance. Elle s'applique aux procédés de fabrication de type à câblage collectif qui sont des procédés peu coûteux, et permet un refroidissement efficace, par la face avant des modules, à la fois par la face active des composants, et par leur face arrière, de préférence via des substrats conducteurs. On a pu mesurer en pratique, dans l'exemple d'un composant MMIC intégré dans un module tel que décrit dans l'invention, dans un bloc de substrat conducteur, que 50 % de la dissipation thermique pouvait se faire par les plages de contact thermique en face active des composants, le reste étant dissipé par les faces arrières, par les plages de contact thermique en périphérie des composants.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant électronique comprenant une face active comportant des éléments conducteurs et des plots de connexion (6,7), caractérisé en ce qu'il comporte une plage de contact thermique (12) au moins sur la face active, chaque plage de contact thermique comprenant un élément de conducteur électriquement connecté au plan de masse du composant, et une surface de contact thermique comprenant au moins la surface de contact avec ledit élément conducteur.
2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de conducteur d'une plage de contact thermique (12) est un pont à air de transistor de puissance.
3. Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface de la plage de contact thermique recouvre sensiblement la surface du transistor de puissance.
4. Module de circuits intégrés comprenant un substrat isolant (2), une pluralité de composants électroniques dont un composant au moins avec une ou des plages de contact thermique (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, les composants étant placés dans ledit substrat en sorte que les plots de connexion soient sensiblement dans le même plan de surface que la face avant du substrat, et une structure d'interconnexion de type câblage collectif (9), disposée sur la dite face avant pour connecter les composants entre eux et vers l'extérieur, module (M) caractérisé en ce que les plages de contact thermique (12) sont sensiblement dans le même plan de surface que les plots de connexion (6, 7), et en ce qu'il comprend des éléments de conduction thermique (11) traversant ladite structure d'interconnexion (9) en regard desdites plages de contact thermique permettant de relier lesdites plages à un dispositif de dissipation thermique (Dth).
5. Module selon la revendication 4, comprenant un composant au moins avec une face arrière métallisée correspondant au plan de masse du composant, et une structure en matériau conducteur (3) disposée entre ledit composant et le substrat isolant, et affleurant en surface sensiblement dans le même plan que la face avant du substrat pour assurer la continuité électrique du plan de masse entre la face arrière du composant et la face avant du substrat, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une plage de contact thermique (14a) en surface du substrat isolant, sur une portion de ladite structure en matériau conducteur, et un élément de conduction thermique (13a) correspondant, traversant la structure d'interconnexion (9) du module, permettant de relier ladite plage à un dispositif de dissipation thermique (Dth).
6. Module selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite structure en matériau conducteur est une couche de métal (70).
7. Module selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite structure en matériau conducteur est un bloc de substrat conducteur (3), affleurant sensiblement dans le même plan de surface que la face avant du substrat isolant (2), ce bloc de substrat conducteur comportant une cavité au moins dans laquelle est placé ledit composant, face arrière contre le fond de la cavité.
8. Module selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les éléments de conduction thermique (11 , 13a) de la structure d'interconnexion comprennent des trous bouchés par un matériau thermiquement conducteur.
9. Module selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments de montage en surface disposés sur la structure d'interconnexion (9), sur des zones de connexion électrique (b1) et en surface (b3, b4) des éléments de conduction thermique (13a, 11).
10. Circuit électronique comprenant au moins un module selon la revendication précédente, monté en surface d'un circuit imprimé (Cl), caractérisé en ce qu'un dispositif de dissipation thermique (Dth) est monté sur l'autre face du circuit imprimé et en ce que ledit circuit imprimé comprend des éléments de conduction thermique transversaux (15, 16) en regard des éléments de conduction thermique (13a, 1) de la structure d'interconnexion (9) dudit module.
11. Circuit électronique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits éléments de conduction thermique (15, 16) du circuit imprimé comprennent des trous traversant ledit circuit imprimé avec une inclusion de matériau thermiquement conducteur.
12. Procédé de fabrication de plages de contact thermique sur la face active d'un composant électronique, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation d'ouvertures dans une couche de protection mécanique (50) couvrant la face active, pour dégager les plots de connexion et des éléments de conducteurs prédéterminés, lesdits éléments de conducteurs correspondant aux plages de contact thermique à réaliser, et le remplissage des dites ouvertures sur les éléments conducteurs par du matériau conducteur.
13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que le remplissage comprend l'utilisation d'un masque obtenu par dépôt d'un film ou d'une couche de résine photosensible (54), et retrait de cette résine sur au moins la surface des éléments conducteurs dégagée dans l'étape d'ouverture.
14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, caractérisé en ce que le retrait localisé de la résine est effectuée sur la surface des éléments conducteurs dégagée par l'étape d'ouverture et une surface autour.
15. Procédé de fabrication selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le remplissage comprend les étapes suivantes : - dépôt en surface d'une couche mince métallique (53) par pulvérisation,
- dépôt et retrait localisé de la résine (54),
- recharge électrolytique de métal à partir des plages de contact thermique, en utilisant la couche métallique (53) comme électrode de recharge électrolytique,
- retrait d'une épaisseur de métal correspondant à l'épaisseur de la couche mince (53).
16. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un module de circuits intégrés comprenant des composants (46) placés dans un substrat isolant, en sorte que les plots de connexion (48, 49) et des composants soient sensiblement dans le même plan de surface qu'une face avant dudit substrat, les couches de métal (53) et de résine (54) étant appliquées sur l'ensemble de la face avant du substrat.
17. Procédé de fabrication d'un module de circuits intégrés comprenant - la mise en place de composants (46) dans un substrat isolant, en sorte que les plots de connexion (48, 49) des composants soient sensiblement dans le même plan de surface qu'une face avant dudit substrat, une structure en matériau conducteur (45) pouvant être placée, entre la face arrière de certains composants et le substrat isolant, et de façon à affleurer sensiblement dans le même plan de surface que la face avant du substrat isolant,
- la réalisation d'une structure d'interconnexion de type câblage collectif (57) sur la face avant du substrat, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de trous (62) traversant ladite structure d'interconnexion, pour atteindre des plages de contact thermique formées par des éléments conducteurs (47) prédéterminés sur la face active des composants, ou par des portions de surface (64) de la structure en matériau conducteur, et une étape de bouchage desdits trous traversants par du matériau thermiquement conducteur.
18. Procédé de fabrication selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'étape de bouchage des trous traversants (62, 63) de la structure d'interconnexion est réalisée par recharge électrolytique de métal depuis les plages de contact thermique correspondantes, en connectant une électrode de recharge électrolytique au plan de masse du module.
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