Brevet FR2160492A1 — publié le 19730629

La présente invention concerne des méthodes pour connecter des unités de circuits intégrés semi-conducteurs à des circuits extérieurs et, en particulier, des méthodes utilisées pour la connexion des circuits intégrés hybrides. On sait connecter des unités de circuits intégrés à des circuits extérieurs réalisés sur un support isolant, au moyen de iames métalliques communément appelées "beam-leads" débordant de la plaquette supportant le circuit intégré. Un matériau particulièrement adapté pour les dits "beamleads" est l1aluminium, parce qu'il peut être facilement assemblé avec les semelles de connexion, qui sont aussi habituellement en aluminium, par soudure à ultrasons vu parthermocompression. Cette méthode permet d'éviter la formation diun composé pulvérulent intermétallique habituellement appelé "peste pourpre" purple plague), qui apparaît lorsque des métaux différents, tels que l'aluminium et l'or, sont soudés ensemble en présence de silicium.Ce composé est très préjudiciable, diune part à la continuité électrique et, diautre part, à l'adhésivité des conducteurs. Une méthode pour obtenir des "beam-leads" en aluminium à partir dune feuille dialuminium, et pour positionner et assembler avec précision les dits "beam-leads" sur les semelles de connexion diune unité de circuits intégrés a été divulguée dans la demande de brevet français nO 71 39364, déposée le 2 Novembre 1971 par la Demanderesse. Elle utilise un film plastique photosensible isolant diune résistance mécanique suffisante, appliqué sur une face diune feuille d'aluminium, à partir de laquelle les dits "beam-ieads" sont obtenus par photogravure en étant maintenus en place par le film plastique une ouverture pratiqué par photogravure dans le film plastique permet de positionner la plaquette par rapport au "beam-lead ", en vue diun soudage ultérieur. Les plaquettes supportant les circuits intégrés et munies des "beamleads" doivent être connectées à un circuit extérieur réalisé sur un support isolé, habituellement un support céramique. Dans le cas des circuits hybrides intégrés un nombre élevé de plaquettes doit être logé sur un seul support céramique et connecté au circuit réalisé sur le dit support. Le brevet fran çais 2 114 810, déposé le 17 Novembre 1971 par la Demanderlsse, divulgue une méthode pour obtenir un positionnement précis d'une pluralité unités de circuits intégrés sur un seul support céramique. La technologie des circuits intégrés hybrides, qui fournit un nombre élevé de dispositifs de commutation intégrés,plutôt compliqués,par assemblage et interconnexion diune pluralité d'unités de circuits intégrés, relativement petits et simples, sur un seul support isolant et dans un boîtier unique présente des avantages remarquables, à savoir faible prix de revient, rendement e tiab ! j64 elevés par comparaison, par exemple, avec a technologie de l'intégration à grande échelle. Toutefois, eu égard au grand nombre de connexions à effectuer entre les "beam-leadsl' et et les semelles de connexion sur les circuits extérieurs i fimportance de ces connexions est mise en avant. Comme les 'Ibeam-ieads' sont en aluminium, lequel ne se prête pas au soudage tendre, I'assemblage entre les dits "beam-leads! et les semelles sur le support céramique doit être effectue par thermocompression, ou par les ultrasons ou toute autre méthode de soudage dur. Cela signifie que dans le cas où une unité de circuit déjà assemblée doit être enlevée du support, il en résulte presque inévitablement 'endommagement, soit du "beam-lead1,, soit de la semelle de connexion, soit des deux.En conséquence, les unités de circuits qui lavèrent défectueuses iors du contrôl finai, ou en fonctionnement, sont difficiles, voire impossible, à remplacer. Ce fait peut grever lourdement les frais de fabrication et dientretien. La présente invention élimine ces inconvénients en permettant de réaliser des "beam-leads" en aluminium comportant , en des emplacements convenables, des semelles à basse température de fusion en vue du soudage tendre sur les semelles de connexion du circuit extérieur. En conséquence les dits "beam-leads" peuvent être dessoudés et enlevés sans dommage. La méthode pour fabriquer les dits "beam-leads" est basée sur le procédé décrit dans la demande de brevet français n 71 39364. Elle consiste à appliquer sur une face drune feuille dialuminium un film plastique photosensible et à déposer sur la face opposée une première couche de zinc et une seconde couche de cuivre. En des emplacements choisis de cette face une couche d'un matériau à basse température de fusion est déposée par électrolyse à travers un mas que.Ensuite les Ibeam-leads sont attaqués à partir de la feuille d'aluminium et une ouverture est pratiquée dans le film plastique photosensible au-dessus duquel les "beam-leads" font saillie, ce qui permet ainsi l'assemblage de leur extrémité libre sur les semelles des plaquettes. Le résultat de ce procédé est une plaquette munie de "beam-leads" assemblés sur ses semelles et comportant, sur ses extrémités faisant saillie, une couche diun matériau à basse température de fusion pour le soudage tendre au circuit extérieur. Ces avantages, ainsi que d'autres avantages et caractéristiques de l'invention, apparaîtront clairement dans la description détaillée d'une forme de réalisation préférée, à l'aide des dessins annexés,dont la Fig. 1 est une vue schématique en perspective du produit à une première phase intermédiaire, après dépôt du matériau à basse température de fusion. Fig. 2 est une vue schématique en perspective du produit à une seconde phase intermédiaire, après définition de la configuration du beam-leadX' au moyen diun masque Fig. 3 est une vue schématique en perspective du l'beam-lead" obtenu après attaque de la feuille d'aluminium et de la couche de Riston Fig. 4 représente le produit selon une variante du procédé Fig. 5 montre schématiquement en perspective un masque utilisé pour une seconde forme de réalisation selon l'invention Fig. 6 montre schématiquement en perspective le produit obtenu à une phase intermédiaire pour la seconde forme de réalisation selon lginvention. Sur une face diune feuille dialuminium 1 (fig. 1), ayant une épaisseur de 10 à 20 microns approximativement, est appliqué par laminage un film 2 diun matériau plastique photosensible, ayant une bonne résistance mécanique et une élasticité suffisante pour adhérer à des surfaces planes ou légèrement incurvées, et sensibles à l'exposition à la lumière, de fanon à pouvoir être découpé selon une configuration convenable par photogravure. Un film plastique de ce type est vendu par la firme Dupont de Nemours CO sous la marque "Riston". Selon l'invention ce film est appliqué par laminage sur une face de la feuille d'aluminium 1. Sur l'autre face de la dite feuille d'aluminium une couche très mince de zinc est déposée chimiquement. Comme l'adhésivité de cette couche de zinc peut être compromise par la présence dlimpuretés ou un manque d'homogénéité il est préférable, après un premier dépôt diune couche de zinc, d'enlever cette dernière dans un bain diune solution de HN03 avec une concentration de 502i et de déposer une nouvelle couche de zinc 4 offrant alors une adhésivité et une homogénéité suffisantes. Sur cette face recouverte de zinc est déposée ensuite, par électrolyse, une couche de cuivre 5 diune épaisseur de 2 à 3 microns. Puis cette couche de cuivre est recouverte d'une couche dtenduit photosensible, connu habituellement sous le nom de "photoresist", de préférence du type positif. Le "photoresist" positif est caractérisé par le fait, qu'auprès exposition à la lumière à travers un masque, ses portions qui ont été exposées à la lumière peuvent être enlevées par une opération de développement, alors que les portions qui ont été couvertes par le masque peuvent être soumises à d'autres expositions à travers différents masques. En conséquence des portions différentes de "photoresist" peuvent être enlevées au cours de différentes phases du procédé, sans quiil soit besoin diappliquer à nouveau du "photoresist". Selon l'invention la couche supérieure du revêtement de cuivre est recouverte de "photoresist" positif, et elle est soumise à illumination à travers un masque qui expose à la lumière seulement les portions 7 de la fig. 1. Ces portions correspondent aux emplacements où doivent être logées les semelles à soudage tendre. Le "photoresist" est enlevé des dits emplacements et un matériau à tasse température de fusion y est déposé, grâce à un procédé électrolytique lue matériau destiné à être ainsi déposé doit être choi Si en fonction du métal des semelles de connexion auxquelles les "beam-leads" seront soudées. On peut utiliser l'étain ou un alliage étain-plomb si le métal des semelles de connexion du circuit extérieur est le cuivre. Les alliages étainplomb sont préférables, non seulement à cause de leur bas point de fusion, mais aussi parce que, avec eux, on évite le risque que l'étain diffuse, à travers le revêtement de cuivre, dans le zinc et forme un composé intermétallique qui pourrait nuire à l'adhésivité et à la fiabilité de la connexion. Lorsque les semelles de connexion du circuit extérieur sont en or, ce qui est ordinairement le cas lorsque le circuit extérieur est obtenu selon la technologie du "film mince ou du "film mince et épais", les alliages étainargent, plomb-argent ou étain-plomb-argent peuvent être alors utilisés. Ces alliages ont un point de fusion légèrement plus élevé, mais ils peuvent être mis en contact avec l'or sans traitement préliminaire de ce dernier. en or Dans Itexemple considéré on se réfère à un circuit extérieur t à un alliage de soudage étain-argent. Cet alliage est déposé par électrolyse à travers les ouvertures 7 du "photoresist" sur la feuille dialuminium recouverte diune couche zinc-cuivre. Ensuite on applique sur le dit "photoresist" un nouveau masque, dont les régions opaques reproduisent exactement la forme des "beam-leads" désirés, et l'on procède à une nouvelle exposition à la lumière. Après développement le t'photoresistl des régions exposées est enlevé, grâce à quoi on obtient, sur la feuille recouverte de la couche cuivre-zinc, des zones reproduisant la forme des "beam-leads", recouvertes partiellement par le photoresist exposé et partiellement par la couche étain-argent (fig. 2). Les parties découvertes sont attaquées chimiquement pour enlever la feuille dialuminium revetue de zinc et de cuivre. II faut noter que les alliages étainargent, ainsi que les autres alliages mentionnés plus haut, ne sont pas attaqués par les moyens chimiques utilisés pour graver la feuille dialuminium recouverte. Après enlèvement par "dépouillage11 du photoresist" soumis à l'expo- sition, les "beam-leads", maintenant découverts, sont à nouveau attaqués par des agents chimiques pour enlever le revêtement zinc-cuivre dans les régions non recouvertes par les alliages à basse température de fusion. On obtient ainsi que la couche de Riston supporte dorénavant la configuration des "beamleads" en aluminium qui comportent, là où ciest nécessaire, des semelles constituées de couches superposées de zinc, de cuivre et d'alliage étain-argent. En exposant le Riston, dépouillé de son film protecteur extérieur, à la lumière à travers un masque adéquat, et en développant, on obtient des ouvertures appropriées correspondant à l'emplacement de la plaquette, avec laquelle les extrémités intérieures libres des "beam-leads" doivent etre assemblées par ultrasons ou thermocompression. La figure 3 représente le produit final des opérations précitées : les "beam-leads" 8a à 8f, munis des semelles 9a à 9f à soudage tendre, sont maintenus en place grâce aux entretoises 10 traversant le cadre 11. Les extrémités intérieures libres des "beam-leads" peuvent être maintenant assemblées avec les semelles sur la plaquette en silicium supportant le circuit intégré. Après assemblage la plaquette de circuit intégré peut être facilement testée en utilisant des sondes contactant l'extrémité libre extérieure des "beam-leads". La dernière phase du procédé consiste à enlever par un "dépouillage" adéquat le film résiduel de Riston et l'on obtient alors une plaquette de circuit intégré, munie des "beam-leads" comportant des plaquettes pouvant être soudées par échauffement aux semelles de connexion correspondantes du circuit extérieur. Si l'on désire ultérieurement détacher la plaquette des dites semelles de connexion ceci peut être fait par simple échauffement des dites semelles, sans risques diendommager la plaquette ou le circuit extérieur. La figure 4 représente une autre forme possible de réalisation. Dans ce cas l'attaque de la feuille dialuminium est réalisée en vue diobtenir des "beam-leads" s'étendant à l'extérieur des semelles de soudage et le Riston est ensuite exposé et traité pour former une ouverture rectangulaire unique dont les côtés extérieurs supportent les libeam-ieadsilO Après assemblage avec la plaquette les parties extérieures des "beam-leads" peuvent etre libérées du film de Riston par cisaillement mécanique : cette opération mécanique permet également un façonnage de la portion extérieure des "beam-leads" dans un plan vertical afin obtenir un meilleur ajustage avec les semelles de connexion sur le circuit extérieur.Le soudage des semelles à basse température de fusion sur le circuit extérieur peut être effectué avant de découper les parties extérieures des "beam-reads" selon la méthode décrite dans le brevet français 2 114810 correspondant. II est opportun de noter que le procédé selon l'invention peut être appliqué même si l'on n'utilise pas un support plastique photosensible, tel que le Riston. Bien que l'emploi diun tel film support plastique présente des avan tages les 'Ibeam-leads" peuvent être obtenus sans son aide Selon le procédé la face inférieure de la feuille d'aluminium est recouverte diune couche protectrice, grâce à des moyens connus Puis la face supérieure est traitée, comme décrit plus haut, pour obtenir d'abord un revêtement zinc-cuivre, puis on procède à un dépôt dun- matériau à basse température de fusion en des emplacements prédéterminés, et ensuite à liattaque du cadre aluminium, à l'intérieur duquel débordent les beam-leadstl. La figure 5 représente un masque opaque qui peut être utilisé pour protéger le "photoresist positif afin obtenir, après attaque, la configuration précitée de la feuille d'aluminium. Ensuite le "photoresist" subsistart est retiré de la face supérieure et le revêtement zinc-cuivre est enlevé aux emplacements non-protégés par le matériau à basse température de fusion. La couche protectrice est ensuite retirée de la face inférieure. La figure 6 represente le résultat après cette phase du procédé, à savoir le cadre aluminium comprenant les "beam-leads" 14a à 14f munis des semelles soudables comportant une première couche de zinc 15a à 15f, une seconde couche de cuivre 16a à 16f et une couche de maté riau à basse température de fusion 17a à 17f. /intérieures A ce stade la plaquette peut être assemblée avec les extrémités libres des "beam-leads", puis les semelles de soudage peuvent être soudées aux semelles de connexion sur le circuit extérieur et les "beam-leads" découpés. Dans ce cas il niest pas possible de tester le circuit après assemblage des "beam-leads" avec les semelles, parce que les dits "beam-leads" sont court-circuités par le cadre en aluminium. Toutefois si l'opération de découpage a !ieu avant le soudage sur le circuit extérieur, ce test est encore possible, en tenant compte des problèmes soulevés par le fait que la plaquette n'est plus fixée au film plastique. REVENDICATIONS 1/ "Beam-leads" en aluminium pour circuits intégrés, caractérisé en ce que chacun dieux comporte des portions traitées sélectivement, incluant une portion terminale en aluminium non traitée pour être assemblée avec les semelles du circuit intégré et une portion traitée recouverte d'une couche diun matériau à basse température de fusion pour être soudée au circuit extérieur par chauffage adéquat des dites portions traitées. 2/ "Beam-leads" en aluminium selon revendication 1, caractérisés en ce que les dites portions traitées sont recouvertes de couches superposées de zinc, de cuivre et diun matériau à basse température de fusion. 3/ "Beam-leads" en aluminium selon revendication 2, caractérisés en ce que le dit matériau à basse température de fusion peut consister en un alliage étain-plomb, étain-argent ou étain-plomb-argent. 4/ "Beam-leads" selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce qu'ils sont supportés par un support plastique isolant de résistance mécanique adéquate. 5/ Méthode pour réaliser les "beam-leads" en aluminium selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce quelle comprend les étapes suivantes - application dtun couche protectrice sur un première face diune feuille d'aluminium - dépôts successifs diune couche de zinc et d'une couche de cuivre sur la face opposée de la dite feuille d'aluminium - recouvrement de la dite couche de cuivre par une couche de photoresist positif - définition de la configuration des portions traitées des "beam-leads" en exposant à la lumière les portions correspondantes du seul photoresist positif, au moyen de masques appropriés et en développant le dit photoresist pour en enlever les portions exposées - dépôt par des moyens électrolytiques diune couche drun matériau à basse température de fusion sur les dites portions de la couche de cuivre - définition de la configuration des "beam-leads1, et diun cadre de connexion en exposant à nouveau à la lumière des zones sélectionnées du photoresist subsistant, au moyen de masques appropriés et en développant le dit photorésist pour en enlever la portion exposée, les dites zones sélectionnées comprenant la surface entière de la couche de cuivre extérieure au dit "beam-lead" et à la configuration du cadre. - attaque chimique et enlèvement des dites zones sélectionnées des dites couches dialuminium, de zinc et de cuivre - enlèvement du photoresist subsistant - attaque chimique et enlèvement des couches de zinc et de cuivre des zones de la dite configuration non protégées par le matériau à basse température de fusion - enlèvement de la couche protectrice de la dite première face - assemblage des zones terminales non traitées des "beam-leads" avec les semelles du circuit intégré et séparation par cisaillement des zones traitées des "beam-leads" du cadre de connexion. 6/Méthode pour réaliser les "beam-leads" en aluminium selon revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes - application drun film plastique photosensible, de résistance mécanique appropriée, sur une première face drune feuille d'aluminium - dépôts successifs dtune couche de zinc et diurne couche de cuivre sur la face opposée de la dite feuille d'aluminium - recouvrement de la dite couche de cuivre par une couche de photoresist positif - définition de la configuration des portions traitées des libeam-leadstt en exposant à la lumière les portions correspondantes du photoresist positif, au moyen diun masque approprié et en développant le dit photoresist pour en enlever les portions exposées - dépôt par des moyens électrolytiques diune couche d'un matériau à basse température de fusion sur les dites portions de la couche de cuivre - définition de la configuration des "beam-leads" en exposant à nouveau à la lumière des zones sélectionnées du photoresist subsistant, au moyen de masques appropriés, et développement du dit photoresist pour en enlever la portion exposée, les dites zones sélectionnées comprenant la surface entière de la couche de cuivre extérieure à la dite configuration de libeam-leadil ; ; - attaque chimique et enlèvement des dites zonesgSlectionnées des dites couches dialuminium, de zinc et de cuivre - enlèvement du photoresist non exposé subsistant de la configuration de '1beam-leads"; - attaque chimique et enlèvement des couches de zinc et de cuivre des zones de la dite configuration non protégées par le matériau à basse température de fusion - exposition du film plastique photosensible à travers un masque approprié et développement du dit film pour y pratiquer des ouvertures sur lesquelles llextrémité des "beam-l eads" déborde.