Brevet FR2007799A1 — publié le 19700109

.J&a présente invention a trait à un dispositif d'enrobage d'éléments micro-électroniques et particulièrement à un dispositif d'enrobage d'une série de tels éléments à l'intérieur d'une unique enveloppe hermétique. 5 On a trouvé un intérêt croissant ces derniers temps à des systèmes d'enrobage plus complexes d'éléments microélectroniques tels qu'une unique unité incorporant un grand nombre d'éléments fonctionnels interconnectés de façon à fournir des fonctions sélectionnées puisse être facilement utilisée par des 10 fabricants d'équipements. D'un côté, un effort a été fait pour augmenter la dimension et la complexité des circuits intégrés monolithiques de telle sorte que, à l'intérieur d'un unique bloc d'un matériau semi-conducteur, un grand nombre de fonctions de circuits soient réalisées, en utilisant quelquefois-des interconnexions à 15 multi-couches et d'autres dispositifs d'intégration à grande échelle. Par ailleurs, des efforts ont également été faits pour utiliser les conceptions essentielles de la technique des circuits imprimés dans laquelle des éléments distincts comprenant des circuits intégrés pré-enrobés sont fixés à des réseaux con-20 ducteurs, une forte densité étant obtenue en empilant des panneaux de circuits imprimés et en utilisant divers types de dispositifs conducteurs entre différents niveaux de conducteurs ©t d'éléments. Ces procédés ont généralement donné lieu à des réalisations coûteuses et leur sécurité n'est pas parfaite. Il serait intéres-25 sant d'augmenter la complexité fonctionnelle des systèmes électroniques enrobés sans augmenter de façon correspondante le prix de ces systèmes et sans diminuer leur sécurité. le but de l'invention consiste à mettre en oeuvre un système d'enrobage d'éléments micro-électronique s à grande den-30 sité avec une grande sécurité et demandant seulement une technique de fabrication à faible prix- Ce but étant présent à l'esprit, l'invention réside dans un système d'enrobage d'éléments électroniques à forte densité comprenant un substrat d'un matériau diélectrique, un premier 35 réseau de conducteurs électriques disposés sur ce substrat et comportant un grand'nombre de bornes allant jusqu'à la périphérie du substrat, un cadre dirigé vers le haut partant de ce substrat et entourant ce premier réseau, sauf les dites bornes, une série 14121 2 2007799 d'éléments électroniques disposés à l'intérieur du cadre, des interconnexions électriques disposées à l'intérieur du cadre et interconnectant sélectivement ces éléments et les conducteurs du premier réseau, et un couvercle parallèle au substrat et herméti-5 quement fixé au cadre, ces éléments électroniques étant placés sur le •■premier réseau de conducteurs électriques et fixés au substrat tout en étant électriquement isolés de ce premier réseau par un dispositif diélectriquè comportant un matériau de fixation diélectrique. 10 Le substrat consiste de préférence en un matériau cérami que conducteur de la chaleur» Il supporte une ou plusieurs couches de réseaux conducteurs sous forme de circuits imprimés dont la première couche va jusqu'à la périphérie du substrat de façon à pouvoir être connectée à 1'extérieur. Des couches en nombre désiré 15 quelconque d'une structure mul%i-couches sont isolées par un matériau organique de préférence diélectrique, et ces éléments sont fixés au réseau conducteur supérieur mais électriquement isolés de c© réseau par un liant diélectrique de préférence organique. Des connexions conductrices sont effectuées par des pièces fixées 20 à ces éléments ainsi qu'aux diverses couches conductrices avec des ouvertures appropriées dans la couche diélectrique en question. Un cadre d'un matériau isolant est fixé au substrai en entourant ces éléments, un couvercle lui étant fixé de façon à créer une enveloppe hermétique. 25 Comme ces éléments sont fixés par un milieu isolant, ils peuvent être disposés sur le réseau des connecteurs des circuits imprimés d'une façon parfaitement arbitraire en fournissant la densité maximale, la formation des divers éléments du système d'enrobage peut être obtenue avec sécurité en séléctionnant soi-30 gneusement les matériaux utilisés particulièrement en ce qui concerne leurs possibilités de supporter de fortes températures, et de permettre d'obtenir un réseau à grande densité. l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et au .dessin annexé sur lequel : 35 — la fig» 1 est une vue en plan, d'une partie d'un mode de réalisation de l'invention, et ~ les fig. 2 et 3 sont des vues coupées d'autres formes de l'invention. feAD ORIGINAL t 14121 3 2007799 Sur les figures, on a représenté un enrobage selon l'invention qui peut comporter un substrat 10 sélectionné de façon à avoir une forte conductibilité thermique et une grande résistance aux températures élevées. De l'alumine de grande pureté, 5 par exemple à 96 56, disponible commercialement, convient bien pour ce substrat. Bien que l'enrobage puisse être formé en différentes dimensions et différents degrés de complexité, à titre d'exemple, cet emballage ou cet enrobage peut avoir des dimensions maximales d'environ 25 mm x 28,2 mm et quand il est terminé, une épaisseur 10 totale d'environ 1,8 mm. Cette dimension d'emballage, avec par exemple soixante-huit contacts d'entrée ou de sortie à sa périphérie, permet de contenir des interconnexions ayant divers degrés de complexité, un grand nombre d'éléments électroniques, par exemple de dix à cinquante éléments de circuit .intégré, des éléments 15 de film mince, des éléments discrets et des combinaisons de tels éléments* La configuration de l'emballage est choisie de façon à avoir un facteur de forme ressemblant beaucoup à la géométrie des éléments enfermés, en permettant un rendement volumétrique élevé 20 et une grande souplesse de fabrication. Ces dimensions peuvent évidemment varier et le nombre des conducteurs extérieurs peut être adapté à la complexité du sous-système enfermé* I>a protection contre l'environnement au moyen d'un scellement hermétique est fournie par un couvercle 12 formé sur tin cadre 14 et fixé à 25 ce cadre près du bord du substrat. Cette forme d'enrobage offre de bonnes caractéristiques thermiques et électriques comparables à celles de dispositifs connus mais avec un coût réduit. Le substrat de céramique 10 sert de véhicule pour les réseaux d'interconnexion, de support pour les éléments actifs ou passifs, 30 de moyens pour dissiper la chaleur, et d ' élément sans fuite formant une partie de l'enrobage hermétique. Le couvercle 12 qui peut être constitué en un matériau tel que de l'alumine peut aussi être métallique, et il est fixé au cadre en utilisant un scellement métal-céramique 16 ou un autre dispositif convenable» 35 Le cadre 14 de l'enrobage peut, si on le désire, faire partie intégrante du substrat ou bien du couvercle. Il est préférable cependant que le cadre soit une pièce distincte permettant d'être fabriquée facilement et donnant de la souplesse dans le choix du " bad original 14121 4 2007799 premier réseau conducteur. En partant d'une barre nue 10, un premier réseau 20 de conducteurs est formé à sa surface en utilisant par exemple une couche conductrice de molybdène-manganèse, appliquée à l'aide d'un 5 pochoir de soie, ou en utilisant une autre technique convenable de formation de réseau. Pour faciliter la formation suivante des connexions conductrices, ce premier réseau conducteur, quand il est constitué par un mélahge de molybdène et de manganèse, comporte une surface mince revêtue d'or. Le réseau 20 de la fig. 1 repré-10 sente, bien qu'il soit arbitraire, un exemple de la complexité que l'on peut atteindre à l'aide de telles techniques. Le premier réseau conducteur 20 doit être suffisamment mince pour permettre un montage du cadre sans fuites et il doit être cependant suffisamment épais pour fournir une base condue-15 trice de 1*électricité sur laquelle des conducteurs métalliques plus épais peuvent uêtre déposés par électrolyse, ces conducteurs étant par exemple en or. Une épaisseur allant de 0,0076 mm jusqu'à 0,038 mm convient généralement. 20 Dans le cas d'un système d'enrobage à couche conductrice unique tell» que représenté sur la fig. 2, des dispositifs 25, tels que des circuits intégrés, des transistors, des résistances, des condensateurs, etc».•, sont fixés sur le réseau de circuits imprimés mais isolés de ce réseau en utilisant un liant diélec-25 trique, par exemple une résine organique cuite 28 telle qu'un vernis à l'oxyde de diphényle combiné avec un élément de remplissage, de façon à adapter convenablement le coefficient de dilatation du dispositif 25. Ceci permet de fixer un certain nombre de types d1éléments dans des enveloppes métalliques ou non et d'avoir 30 une possibilité de fonctionnement à haute température. Sur les figures, on a supposé que les éléments 25 sont des parties de circuits intégrés sans enrobage Individuel. On se référera à la demande de brevet français N° PY 69/04051 du 18 février 1969 pour "Liant à faible dilatation",, pour une description plus complète 35 de tels matériaux de fixage et de leur utilisation. Les interconnexions électriques entre les éléments 25 et le réseau conducteur 20 sont fournies par des pièces conductrices 30 appliquées par des techniques telles que la thermo-compression BAD 0RIGINAL 14121 5 2007799 ou les ultra-sons, bien que d*autres moyens puissent être utilisés, par exemple des soudures à base de plomb. La fixation de fils permet d'obtenir une grande souplesse dans la disposition des pièoes conductrices 30. après que le premier réseau conducteur 20 a été formé sur le substrat en céramique 10, une mince couche 35 d'un diélectrique organique, tel qu'un polyimide aromatique ou d'une résine à base de polyimide est formée sur les conducteurs. Cette couche est 10 coulée à l'état résineux à partir d'une solution d'un système soluble et elle est répandue d'une façon analogue à la dispersion d'un matériau photo-résistant. Une épaisseur d'environ 0,013 mm convient pour la plupart des applications. Cette résine est cuite lentement de façon à permettre une évolution du solvant en attei-15 gnant une température de polymérisation finale d'environ 300°C. Ce type de diélectrique organique est préférable parce qu'il est facile à éliminer, parce qu'il peut être déposé sur le substrat sans matériau adhésif supplémentaire et parce qu'il supporte des températures d'au moins 375°C pendant des centaines d'heures dans 20 l'air. On se référera aux brevets américains ÎST° 3 179 617 du 26 Février 196C » N° 3 1 79 634 du 26 Janvier 1962 et N° 3 179 635 du 8 Juillet 1963 pour une descrip tion plus complète.de matériaux diélectriques convenables et de leur formation. 25 La résine cuite 35 est éliminée par des procédés photo graphiques, en étant soumise à une solution d'un produit caustique chaud concentré, de façon à engendrer des trous permettant une fixation de fils à travers la première couche 20. L'intercouche diélectrique est métallisée. Parmi les techniques qui peuvent 30 être utilisées pour cela, on peut envisager un dépôt non électro-lytique de cuivre suivi par un dépôt électrolytique de nickel et d'or à la partie supérieure de la couche diélectrique. Des techniques successives de photo-résistance et de décapage permettent ensuite de créer le circuit d'interconnexion d'un deuxième réseau 35 conducteur 40. 5 Dans le mode de réalisation à multi-couches de la fig.3» ^ 0FilGimL 14121 6 2007799 Un autre moyen pouvant être utilisé est le chauffage d'un produit résineux à base d'or disponible commercialement, sur le film ou sur la couche. L'adhésion de ce dépôt après un certain temps est supérieur à celle du système revêtu par électro-5 lyse indiqué ci-dessus . Un autre avantage est le caractère monométallique de ce résinate ou produit résineux. Ge résinate est d'abord filtré, puis déposé à la surface du film et chauffé à 375°G dans l'air. Comme mentionné précédemment, le film diélectrique est capable de supporter cette température pendant plu-10 sieurs centaines d'heures sans perte de poids ou variations significatives de ses propriétés physiques. Un réseau conducteur est découpé par des moyens photographiques dans l'or chauffé de façon à fournir la deuxième couche conductrice 40 isolée de la première. A la partie supérieure de la couche 40, on peut placer une couche 15 diélectrique supplémentaire non représentée et un réseau supplémentaire non représenté, et ainsi de suite, de façon à créer autant de couches qu'il est nécessaire, avec des ouvertures convenables dans ces couches diélectriques pour placer des interconnexions. 20 Le montage dés éléments est obtenu à l'aide d'un milieu de fixation diélectrique organique 28 comme indiqué ci-dessus dans le cas d'une couche unique et des connexions de traversée sont effectuées entre les différents niveaux de l'élément par des fils de fixation 30 qui peuvent être fixés par thermo-compression ou à 25 l'aide d'ultra-sons. Sans les modes de réalisation à simple couche et à multi--couches, le bord supérieur du cadre 14 est métallisé et un couvercle résistant 12 comporte une couronne extérieure métallisée sur son côté inférieur qui sa trouve au-dessus du cadre, la métal-30 lisation du bord supérieur des contacts du cadre, les métallisa-tions de la couronne extérieure, de la partie inférieure du couvercle et de ses faces sont chauffées dans une atmosphère inerte en utilisant un gaz convenable, en effectuant un scellement hermétique du circuit et des éléments à l'intérieur de la surface du 35 cadre. Si on le désire, évidemment, un milieu d'enrobage peut être prévu à l'intérieur de l'emballage. BAD ORIGINAL 14121 7 2007799 Pour résumer les avantages de ce système» on voit que toutes les techniques d'enrobage, dont celles décrites, sont mentionnées simplement à titre d'exemple, sont facilement obtenues individuellement et elles peuvent être utilisées pour obtenir 5 une configuration quelconque d'éléments et de réseaux conducteurs* Les opérations peuvent être rendues automatiques, ainsi que la fabrication* En obtenant une forte densité grâce à une mise en place des éléments directement sur les réseaux de circuitimprimé, la fabrication est plus simple et on obtient également 10 une diminution des dimensions et du poids* Une réduction du coût ainsi que de meilleures performances électriques et mécaniques se trouvait réalisés dans les systèmes indiqués ci-dessus. Un rendement élevé, une résistance thermique réduite et une forte sécurité sont également des caractéristiques de ce système* 14121 8 2007799 KEVEiroiGATIOITS 1* - Système d'enrobage d'éléments électroniques à grande densité comprenant un substrat d'un matériau diélectrique, un premier réseau de conducteurs électriques disposés sur ce substrat et comportant un grand nombre de bornes allant jusqu'à la 5 périphérie du substrat, un cadre dirigé vers le haut partant de ce substrat et entourant ce premier réseau sauf les bornes, une sérié d*éléments électroniques disposés à l'intérieur du cadre, des ■ interconnexions électriques disposées à l'intérieur du cadre et interconnectant sélectivement les éléments et les conducteurs 10 du premier réseau, et un couvercle parallèle au substrat et hermétiquement fixé au cadre, les éléments électroniques étant placés sur le premier réseau de conducteurs électriques et fixés au substrat mais électriquement isolés de ce premier réseau de conducteurs par un dispositif diélectrique comportant un matériau de 15 fixation diélectrique» 2. - Système selon revendication 1, dans lequel l'épaisseur combinée du substrat, du cadre et du couvercle, quand ils sont assemblés, est au moins d'un ordre de grandeur inférieur à celui de la plus grande dimension du substrat. 20 3. - Système selon revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif diélectrique comporte une couche diélectrique superposée au premier réseau et comportant des ouvertures découvrant des zones de contact des conducteurs électriques du premier réseau, et dans lequel un deuxième réseau de conducteurs électriques. 25 lîsposé sur la couche diélectrique, les éléments électroniques étant situés au-dessus de ce deuxième réseau et fixés à la couche diélectrique mais électriquement isolés des conducteurs du deuxième réseau par le matériau de fixation diélectrique, ces éléments électroniques et ces conducteurs du deuxième réseau étant 30 sélectivement interconnectés par des interconnexions électroniques supplémentaires. 4. - Système d'enrobage selon revendication 3 dans lequel le substrat est constitué d'un matériau céramique rigide, le premier réseau de conducteurs électriques est constitué à partir d'une 35 couche d'un mélange de molybdène et de manganèse sur laquelle est placée une couche d'or, la couche diélectrique est constituée d'une résine organique cuite, le matériau de fixation diélectrique est ^ ORIGINAL 69 14121 9 2007799 tin matériau résineux organique cuit, et les interconnexions sont des fils fixés aux éléments électroniques et au premier et au deuxième réseau de conducteurs électriques.