Brevet FR2207401A1 — publié le 19740614

La présente invention concerne les circuits multi-couches destinés à permettre le montage, selon toute configuration désirée d'interconnexions, de pastilles ou plaquettes de circuits intégrés qui sont rapportes, par soudure par exemple, sur des surfaces de conducteurs et plots métalliques apparaissant sur une face du mul couches. Pour assurer la dissipation de chaleur en ces circuits et les dites plaquettes, on a proposé dÇincorporer à la structure une plaque métallique formant radiateur de chaleur et de relier cette plaque à la face du multicouches portant les plaquettes par lin- termédiaire de puits thermiques aboutissant à des emplacements où peuvent appuyer ou peuvent être thermiquement connectés les bot- tiers isolants des plaquettest Un mode dtexécution connu de puits thermiques de ce genre consiste, après assemblage du multi-couches comprenant la plaque métallique radiatrice de chaleur, bien entendu électriquement isolée des circuits électriques du multicouches, et avant la fixation des plaquettes, a' percer la structure à de multiples emplacements appropriés et à métalliser les parois des trous selon le processus connu de dépit de métal conducteur par voie électrolytique après sensibilisation pour llaccrochage de ce dépôt, Une telle technique présente cependant, pour la réalisation des puits thermiques, divers inconvénients:- en premier lieu, pour que la métallisation de la paroi d'un trou soit correcte, il faut comme connu maintenir un certain rapport entre sa hauteur et son diamètre, d'une valeur de l'ordre du quart dans les conditions limites actuelles de là technologie de métallisation de parois; - en second lieu, même avec de tels rapports de dimensions, llépaisseur du dépit ne peut excéder une valeur limitée vis à vis de celle du diamètre et de celle de la hauteur lorsque ce dépôt doit pour titre efficace, présenter une homogénéité certaine, tant pour la prédé termination que pour 11 exploitation des connexions ainsi réalis~-u, Le premier inconvénient est particulièrement nuisible car il limite la densité d'implantation des conducteurs et des plaquettes alors mulon demande des densités d'implantation de plus en plus importantes en raison notamment des accroissements désirés des vitesses; de propagation des signaux dans les conducteurs dont les longueurs doivent titre de plus en plus réduites, en moyenne tout au moins. Le second de ces inconvénients ne permet pas d'assurer aux puits thermiques un rendement élevé et entraine donc leur multiplication dans la structure, ce qui aggrave encore les conséquences du premier Llinvention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant une structure de puits thermiques à faible résistance thermique vis à vis de celle des trous métallisés et ce, pour une section droite nettement inférieure et de faits indépendante de la "hauteur" requise pour le multi-couches.Cette structure présente de plus l'avantage inhérent d'une formation simple concomitante à celle du multicouches, ne nécessitant donc aucun perçage de trous une fois le multicouches formé et.aucune limitation de densite d'implantation des conducteurs, partant, aucun risque dl affaiblissement mécanique- et électrique pour la création des puits. Brièvement résumée llinvention se caractérise en ce que les puits thermiques# sont réalisés par croissance de plots à partir de la plaque radiatrice de chaleur au fur et à mesure même de la croissance des conducteurs et des interconnexions électriques de couche à couche, selon notamment la technique exposée dans le brevet français No. 71 12 645 déposé le 9 Avril 1971 par la Deman-deresse, pour "Procédé de réalisation de circuits multi-couches" (Invention Yves THORN et Jean Roger BONNEFOY). Pour exposer ltinvention en son détail, on se réfère aux figures jointes qui en montre;tde façon quelque peu imagée mais de mise en pratique immédiate, un exemple dtexécution Fig,i, et une variante partielle, Fiv.2 dont peuvent se déduire sans plus toutes variantes entrant dans le cadre de ltinvention*, Pour la clarté de la représentation, les dimensions relatives des éléments montrés ne sont pas respectées sur le dessine Llempilage des couches du circuit multi-couches qui doit, finalement, permettre la connexion électrique de composants intégrés en bottiers tels que 10 et li à des circuits électriques établis dans l'empilage, part d'une couche diélectrique 2 déposée sur une plaque 1 radiatrice de la chaleur, métallique par exemple. Préala-blement au dépôt de la couche diélectrique sur la plaque 1 ont été formés, selon toute technique connue telle que sensibilisation de surface et dépit électrogalvanique par exemple, des plots tels que 20 qui constituent les amorces de puits thermiques établis dans le multi-couches selon la présente invention, Les emplacements de ces plots sont prédéterminés pour se trouver, dans le produit final, à des emplacements de surface en regard des botti- ers des composants intégrés dans le montage de la Fig.l ou, selon la variante donnée en vue partielle sur la #ig.2, décalés vis à vis de tels emplacements de surface, selon les besoin* Les plots 20 sont ensuite enrobés de la couche diélectrique 2, par exemple par application d'une feuille de résine epoxy, ou polyimideou po lysulfone gélifiées preste et durcie in situ par #voie thermique. Il pourra en être ainsi pour tout enrobage de conducteurs et de plots dans le multi-couches au fur et à mesure de sa formation nappe par nappe et les conducteurs et les plots peuvent Qtre réalisés, dtune façon également connue en soi, par croissance Ôlec- trogalvanique, directement pour les extensions, avec pellicules de départ déposées sur des parties isolantes par voie chimique autocatalytique quand de besoin. La première "nappe" de conducteurs-est alors formée par dessus la couche diélectrique 2, à surface plane, et les seuls élé- ments qui en sont représentés sont, d'une part un conducteur 27 et dtautre part, des extensions directes 21 des plots 20 de départ. des puits thermiques. Il est en effet inutile, pour la compréhen- sion de l'invention, de détailler un exemple concret de configura- tion dé circuits électriques dans le multicouches. Après enrobage de diélectrique, on obtient la couche 3 qui comporte a la fois des conducteurs tels què 27 et dés extensions de plots de puits thermiques telles que 21.. Le couche suivante est une couche composite 4 qui ne comporte en principe que des plots d'interconnezion en plus des extensions des plots "thermiques" déjà formés, enrobés dans une nouvelle couche diélectrique. On a illustrativement mon tré un plot 28 formé sur le conducteur 27 de la couche 3 pour relier ce conducteur à un conducteur 29 dtune couche suivante, Le même processus se poursuit pour les couches suivantes en lesquelles alternent des couches de "conducteurs de circuit" et des couches "d'interconnexions", couches 5, 7, ... et couches 4,6 .. .. respectivement. En chacune de ces couches est poursuivie l'ex- tension des puits thermiques, comme apparent. Finalement, le multicouches se termine par deux couches 8 et 9, la couche 8 étant du type "d'interconnexions" et la couche 9, du type "de conducteurs de circuit ". Cette dernière comprend, dans l'exemple figuré, deux paires de conducteurs 13-14 et 16-1 entre lesquels doivent être branchés des composants de circuits intégrés en bottiers 10 et li par leurs pattes de connexion, 12 pour le bottier 10 associé aux conducteurs 13 et 14, 15 pour le bottier 11 associé aux conducteurs 16 et 17. Les branchements peuvent se faire par soudure des pattes sur les conducteurs .La disposition serait similaire pour des bottiers pourvus de billes de connexion au lieu de pattes, Dans la couche 8 on a illustrativement indiqué en 17 et 18 des plots d'interconnexions internes des conducteurs 14 et 16. Les puits thermiques ont été évidemment prolongés par croissance jusqu'à la couche finale 9 inclusivement et ils affleurent donc par leurs extensions finales 30 la surface diélectrique de cette couche. Leur "raccordement thermique" aux bo-ttiers peut ê- tre réalisé d'une des deux façons représentées:- pour le bottier 10, par une nouvelle croissance dtun plot 31 sur le puits, noa enrobé alors, diune épaisseur appropriée pour venir porter contre la face inférieure du bottier lorsqu'on soude les pattes 12; pour le bottier 11, par insertion d1une pâte conductrice de la chaleur et qui se durcit ensuite, 32, entre la surface du puits et la face inférieure du bottier lors de la soudure des pattes de connexion, Si7 pour des raisons dlimplantation interne des circuits des conducteurs dans l'épaisseur du multi-couches, un puits ae peut déboucher directement sous le bottier auquel il est destins il est évidemment possible d'assurer un raccordement entre sa face exposée et l'emplacement de son raccordement, par extension 31 ou pâte 32, par une métallisation de surface de la face externe de la dernière couche reliant de tels emplacements.Toutefois il est alors plus simple, et plus efficace au point de vue thermique, d'assurer à certains niveaux intermédiaires du multi-couches un décalage latéral, ou dicrochaget dans la configuration du puits thermique lui-mme, ramenant sa face extrême sous l'emplacement d'un bottier. Sur la Fig.2, on a illustrativement indiqué en 40 un tel décalage interne pour le puits thermique pour le passage d'un conducteur de circuit tel que 41. On doit cependant comprendre qu'il est préférable de limiter la largeur de tels décalages pour ne pas affecter le rendement thermique global du puits. La formation des puits thermiques selon l'invention étant concomitante à aclle du circuit multicouches proprement dit, elle évite toute opération complémentaire de perçage affaiblissant les qualités électriques et mécaniques de l'ensemble. Cette formation jetant progressive, par croissance en fait, elle permet une meilleure accomodation aux nécessités de l'implantation des conducteurs de circuit dans le multicouches, d'autant plus que, pour un même rendement thermique, un puits selon l'invention ne nécessite qu'u- ne section droite réduite vis à vis de celle d'un trou métallisé::- en prenant pour référence, à simple titre illustratif, un trou dont la métallisation a une épaisseur de l'ordre de 25 microns pour un diamètre de 400 microns et une hauteur de 100 microns* un cas limite de la technologie actuelle, la résistance thermique de la métallisation est au mieux, pour le cuivres dtune valeur de l' ordre de 8,8 degrés Celsius par watt alors que, pour un plot de cuivre de memes hauteur et diamètre, la résistance thermique toute une unevaleur de l'ordre de 2,1, environ quatre fois moins que celle deux trou métallisé.La résistance thermique s'exprime par le quotient du rapport hauteur/section droite divisé par la conducti- bilité thermique du matériau, soit environ 3,8 pour le cuivre électrolytique, exprimée en watts par centimètre par degré Celsius A égalité de action droite, donc, un puits thermique selon lsinvention a un meilleur rendement qu'un puits à trot métallisk# Du point de vue des contraintes d'implantation, il peut Strie pins avantageux de maintenir une résistance thermique de 11ordre de grandeur de celle du puits en trou métallisé et de réduire le "di- amètre". du puits:- pour un "diamètre" de 200 microns environ, La résistance thermique d'unélément de puits selon l'invention dcune hauteur de 100 microns est environ 8,4 degrés Celsius par watts En tel résultat est aisé à assurer puisque, dans les conditions technologiques actuelles, une croissance de plot conducteur de cet ordre de grandeur ne nécessite pas plus d'un rapport diamètre/ hauteur de valeur environ 1,5. Bien entendu, la forme de section droite d'un puits selon l'invention peut notre pas circulaire. R E V E N D I C A T I O N S . 1. - Réalisation de puits thermiques pour circuits multicouches incorporant une plaque radiatrice de chaleur, caractérise en ce que ces puits sont formés par croissance de plots métalliques à partir de cette plaque jusqu'au niveau de la face externe du multi-couches, couche par couche au fur et à mesure de la formation même dudit multi-couches. 2. - Réalisation selon la revendication 12 caractérisée en ce qu'à un niveau de croissance au moins, le plot comporte une excroissance latérale pour modifier l'emplacement auquel débouche le puits à la face externe du multi-couches vis à vis de celui dont il part de la plaque radiatrice de chaleur 3, - Réalisation selon la revendication 1 caractérisée en ce qutun plot additionnel est formé sur la face du puits affleurant la face externe du multi-couches pour porter contre la face inférieure d'un bottier de composant à circuits intégrés au montage de ce dernier sur le circuit multi-couches, 4, - Réalisation selon la revendication 1 caractérisée en ce aucun dépit de pâte conductrice de la chaleur est formé sur la face du puits affleurant la face externe du multi-couches pour porter contre la face inférieure dtun bottier de composant à circuits intégrés au montage de ce dernier sur le circuit multicouches