Brevet FR2271740A1 — publié le 19751212

La présente invention se rapporte à un procédé permettant de monter directement un dispositif ou comportant semiconducteur dans une plaquette ou substrat de circuits imprimés de manière a pouvoir l'interconnecter avec l'ensemble des circuits et des composants de cette derni#re , et elle concerne également les montages de circuits électroniques qui résultent du procédé mentionné Un composant semiconducteur ou "pastille" comme on la dénom- mera ei-anibo est constitué, de manière caractéristique, d'une tris petite puce plate de silicium cristallisé qui a été traits métallur- giquement et chimiquement de manière à constituer de nombreuses zones de matériau de conductivité électrique variable.Dans une pastille semiccnductrice de ce genre en état de fonctionnement, le silicium traité forme un ou plusieurs transistors, diodes, résistances et conduoteure microscopiques et éventuellement d'autres éléments de circuit. Une pastille comprenant plus d'un transistor ou élément de circuit est connue sous le nom courant de "circuit intégré" et un composant semiconducteur ou pastille de ce genre peut contenir des centaines voire meme des milliers de transistors séparés interconnectés de manière à former un circuit électronique complet.Cette intégration à grande échelle des transistors sur une seule pastille semiconductrice a permis de réaliser des appareils tels que les calculatrices électroniques k main et les montresbracelets électroniques qui utilisent des circuits électroniques complexes sous des volumes extrêmement réduits. De manière caractéristique, la pastille semiconductrice est elle-même de faibles dimensionefi formant un carré de l'ordre de 3,2 mm de cdté sur 0,38 mm d'épaieBeur maximum.Malgré leurs faibles dimensions, ces pastilles conformes à la technique antérieure étaient placées de manière caractéristique dans des structures de support dont les dimensions représenteraient plusieurs fois celles des semiconducteurs. Ces structures conformes à la technique anté- rieure et destinées aux composants semiconducteurs sont de formes et de dimensions variées mais on peut néanmoins les ranger suivant leur forme en trois groupes fondamentaux : bottiers cyiindriquèa en métal avec broches de connexion par fil sortant de la partie inférieure du bottier, bottiers plats avec connecteurs à barrettes dépassant des extrémités, et bottiers enfichables en céramiques ou en plastique avec branches métalliques dépassant des extrémités opposées et recourbées de manière à former un ensemble embrochable dans une prise femelle ou directement dans un substrat à circuit imprimé. Quel que soit le boîtier particulier utilisé pour ces structures de semiconducteurs conformes à la technique antérieure, le premier inconvénient qu'ils présentent est la place importante qu'ils exigent ainsi que le coût dudit boîtier lui-même.Le facteur place devient particulièrement limitatif dans la conception d'appareils électroniques miniaturisés tels que les calculátrices à main et les montres-bracelets qui exigent des boîtiers de plus en plus petits. Un autre inconvénient des boîtiers de semiconducteurs discrets ou multiples est le nombre de connexions électriques qu'ils exigent. Pour réunir un tel dispositif ou composant semiconducteur à un circuit, chaque branche séparée du circuit nécessite trois assemblages ou connexions séparés. Tout d'abord, un très petit fil métallique de connexion de 0,25 mm environ de diamètre est soudé à une barrette métallique disposée sur la pastille, par des techniques de soudage aux ultrasons ou par thermocompression. L'autre extrémité de ce très petit fil est de même soudée à une barrette de connexion au bottier, connectée à un conducteur extérieur du boîtier. Ensuite les conducteurs du boîtier sont connectés à une prise ou réceptacle de boîtier montée sur la plaquette de circuits imprimOs du montage principal. Les nombreuses connexions requises pour chaque conducteur dans les boîtiers séparés conformes à la technique anté- rieure ont pour résultat une fiabilité de connexion.dan; ces~i~ba#tior# qui laisse beaucoup à désirer. Un objet important de la présente invention est de fournir un procédé qui permette de monter un composant semiconducteur dans une plaquette de circuits imprimés et de l'interconnecter directement avec l'ensemble des circuits de la plaquette ou substrat, ce procédé éliminant la nécessité d'un enveloppement intermédiaire classique et résolvant les problèmes posés par la technique antérieure. Un objet en relation directe avec la présente invention est de fournir un procédé qui réduise de manière significative ltespace nécessaire jusqu'à présent aux composants semiconducteurs au sein de la disposition physique d'un circuit imprimé. La présente invention a aussi pour objet de fournir un pro-- cédé qui réduise le nombre d'opérations séparées nécessaires åusquà présent pour interconnecter un composant semiconducteur en état de fonctionnement avec une plaquette à circuit imprimé. Un autre objet de la présente invention est de réduire de manière significative la quantité de matériau nécessaire pour former l'enveloppe ou boîtier des composants semiconducteurs. La présente invention a encore pour objet de fournir un montage qui comprend un composant semiconducteur et une plaquette de circuits imprimés, qui peut être relativement petit, mince et compact, dont les interconnexions fiables sont entièrement enrobées, qui est particulièrement bien étudié au point de vue facilité et économie de fabrication et qui- s'adapte facilement aux produits pour lesquels la place est sévèrement limitée0 Le montage semiconducteur qui fait ltobjet de la présente invention est caractérisé par l'intégration complète d'une pastille semiconductrice dans un substrat de circuits imprimés y compris la connexion électrique entre la pastille et les bornes du substrat ou ses composants électriques ou électroniques séparés.Un élement important du mont#age est constitué par un petit support plat de# pastille qui stinsère dans une ouverture formée au prdsla ble dans le substrat. La face supérieure du support comporte un rebord continu prévu tout le long de sa périphérie et qui est dimensionné de manière à entourer la pastille qui, de ce fait, se trouve entièrement encastrée dans le support où elle est fixée par un moyen d'adhésif. Dans la plupart des applications, le support de pastille pourra être constitué d'un matériau plastique ou résineux mais, lorsqu'il sera nécessaire d'évacuer vers un moyen de dissipation extérieure la chaleur créée dans la pastille, le support pourra autre formé d'un métal thermoconducteur approprié, la pastille étant montée dans le support au moyen d'une soudure thermique.Le support dans lequel est encastrée la pastille est ensuite logé lui-m#me dans l'ouverture form4au préalable dans le substrat, cette ouverture étant dimensionnée pour recevoir le support. Ainsi, la support et la pastille qu'il contient sont maintenus dans l'ouverture du substrat soit par frottement entre les bords intérieurs du substrat en contact avec les bords extérieurs du support, soit par un petit rebord entourant la partie inférieure du support, soit encore par fusionnement ou par un autre moyen assurant l'adhérence du support au sub#trst. Lorsque le support est monté dans le substrat, on effectue les connexions électriques en utilisant les techniques classiques de connexion par fils minces reliant directement les barrettes de connexion métallisées placées sur la pastille et les barrettes de connexion correspondantes placées sur le substrat. Lorsque toutes ces connexions sont terminées, on soumet normalement le semi conducteur et le substrat à des essais de fonctionnement en utilisant le matériel classique d'essai des circuits. Lorsque ces essais sont terminés, on place un cadre en matériau d'enrobage, formant une structure à paroi continue, au contact de la face du substrat dans une position entourant la pastille et les fils de connexion. On verse ensuite un matériau liquide d'enrobage dans l'espace formé à l'intérieur du cadre en quantité suffisante pour enrober complètement la pastille, les faces à découvert du support, tous les fils de connexion, les bords intérieurs du cadre et la face supérieure du substrat à l'intérieur du cadre. Cet enrobage sert également à bloquer plus solidement le support dans le substrat. Une fois que le support est entièrement monté, on peut ensuite ajouter d'autres composants du circuit afin de compléter le montage du substrat. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels - la figure 1 est la vue en plan d'un montage constituant un exemple d'application des principes de la présente invention et comprenant un composant semiconducteur directement logé dans un substrat ou plaquette de circuits imprimés comportant d'autres composants électriques séparés - la figure 2 est une vue en perspective éclatée du montage représenté à la figure i - la figure 3 est une vue en coupe suivant le plan de coupe 3-3 de la figure I - la figure 4 est une vue en coupe partielle à grande échelle montrant une forme de support destinée au composant semiconducteur du montage, la partie sectionnée du c8té droit de la vue montrant le montage après que l'enrobage a été mis en place - la figure 5 est une vue en coupe partielle à grande échelle analogue à celle de la figure 4 et montrant une autre forme possible de support de semiconducteur destiné à un montage conforme à la présente invention ; et - la figure 6 est une vue analogue aux vues 4 et 5 et mon trains encore une autre forme de support de semiconz eur fixé à zn mleqtrat ae circuits conforme à la présente invention On se reportera maintenant à la figure 1 où est représenté un montage électronique 10 qui constitue un exemple d'application des moyens généraux de la présente invention et qui peut autre utilisé dans une large gamme d'appareils commandés électroniquement tels que les appareils de chronométrage, les calculatrices ou appareils similaires.Le montage comprend généralement une plaquette ou substrat 12 de circuits imprimés et une pastille ou composant semiconducteur 14 qui est fixé au substrat et connecté directement aux bornes du circuit montées sur le substrat. La plaquette de circuit Imprimé peut pr~genter n'importe quel dessin de branches ou connexions de circuit conductrices 16, dont certaines peuvent être connectées à autres composants d'un montage caractéristique de plaquette de circuits imprimés, comme l'indique la référence 18. La figure 2 représente une vue éclatée des composants du montage#. La pastille semiconductrice 14 est montée dans un support généralement plat 20 dont les parois 22 entourent les bords de la pastille de sorte que cette dernière soit maintenue sans jeu par le support. Celui-ci peut être constitué d'un matériau plastique ou résineux, bien que pour certains types de composants semiconducteurs à circuits intégrés il soit préférable que le support soit fabriqué à partir d'un matériau métallique conducteur dont les caractéristiques thermoconductrices sont meilleures et qui peut être utilisé comme connexion de masse. Une petite goutte de ciment non conducteur 24 à durcissement par prise est déposée sur la face supérieure du support 20 à l'intérieur du cadre formé par les parois de ce support, de manière à faire adhérer la pastille 14 au support. Le substrat 12 de circuits imprimés comporte une ouverture 26 située à l'intérieur du substrat à une certaine distance de ses bords et dont les dimensions et la forme sont telles qu'elle peut loger sans jeu le support 20. Dans 1 'exemple de réalisation représenté, 1' ouverture et le support sont tous deux rectangulaires et ltouverture 26 est formée de quatre bords intérieurs 28 au contact desquels viennent les facesextérieures 30 du support fixé dans l'ouverture par un emmanchement à force, la face inférieure du support affleurant sensiblement la face environnante du substrat. Comme le montre la figure 3, des fils conducteurs sont reliés aux barrettes de connexion métallisées 34 de la pastille 14 et il se prolongent au-dessus des parois du support 22 jusqu'aux barrettes de connexion correspondantes 36 qui entourent l'ouverture pratiquée dans le substrat de circuits imprimés. Un cadre en matériau d'enrobage 38 formant une structure fermée par des parois sur quatre côtés est déposé sur la face supérieure du substrat 12 de manière à entourer complètement la partie de la face supérieure du substrat dans laquelle est monté le support 20, ainsi que les barrettes de connexion du substrat 36. Le cadre 38 peut être constitué d'une structure préformée en matériau non conducteur et mince qui est fixé par adhérence au substrat. Cependant, la demanderesse a remarqué qu'il était également possible de former ce cadre, en fait, au moyen d'un revêtement appliqué directement sur la surface du substrat suivant une épaisseur ou hauteur comprise entre 0,0075 mm et 0,025 mm et une largeur d'environ 0,635 mm et 1,01 mm, en utilisant soit la sérigraphie soit le procédé avec écran à film épais. Lorsqu'on utilise ce dernier procédé, le matériau constituant le cadre doit être un agent non mouillant par rapport au matériau du substrat.Ainsi, lorsque le substrat contient une résine époxyde, comme c'est généralement le cas des plaquettes de circuits imprimés, la demanderesse a remarqué qu'un cadre formé d'un matériau protégé par un placage donne d'excellents résultats.Lorsque ce cadre en matériau. protégé par un placage entre en contact avec un matériau d'enrobage du type époxyde 40, il se contracte légèrement du fait de la réaction chimique entre les deux matériaux et il forme autour de l'enrobage un bord durci distinct qui constitue un écran pour l'enrobage. Le matériau d'enrobage initialement liquide 40 est versé à l'intérieur du cadre en quantité suffisante pour envelopper entièrement les faces à découvert de la pastille 14, les bords à découvert du support 20, tous les fils de connexion 32 et la face du substrat 12 comprise à l'intérieur du cadre 38. Le matériau d'enrobage 40 adhère à la pastille 14, au support 20 et au substrat 12 et il peut être un matériau époxyde analogue à celui qui constitue le ciment 24. Après avoir versé le matériau d'enrobage à l'intérieur du cadre, on le laisse former un gel et durcir de manière telle qu'il fasse adhérer fortement la pastille 14 et le support 20 au substrat 12, tout en enrobant la pastille et ses fils de connexion 32 directement dans le substrat. Un autre matériau possible d'enrobage 40 qui peut être utilisé dans la présente invention en variante du type époxyde mentionné ci-dessus, consiste en un matériau thermoplastique fusible à chaud. Pour utiliser ce matériau, on le porte d'abord à sa température de fusion et on le verse ensuite à l'intérieur du cadre 38 de la même manière et dans la même mesure que le matériau époxyde. Le montage 10 est ensuite refroidi pour solidifier le matériau thermoplastique. On peut, si on le désire, modifier le support 20 du composant semiconducteur 14 afin de faciliter son montage et sa fixation dans le substrat. La figure 4 représente la vue en coupe d'une variante de support -20a comportant un rebord continu 44 qui se prolonge extérieurement et horizontalement tout autour de son bord inférieur extérieur. Ce rebord sert de butée limitant le dépasse- ment du support en hauteur dans le substrat 12. Les faces extérieures 30a de la paroi du support 22a sont légèrement inclinées de manière à ménager une cavité étroite 46 entre elles et les bords de l'ouverture du substrat. L'épaisseur du substrat peut varier mais elle est généralement égale ou Légèrement inférieure à la hauteur des parois du support.Comme le montre la partie droite de la figure 4, cette cavité 46 est remplie de matériau d'enrobage 40 afin de contribuer au maintien du support dans le substrat du produit fini#. La figure 5 représente la vue en coupe d'un autre support de pastille 20b analogue à celui de la figure 4 mais dont les parois 22b dépassent intitialement quelque peu la face supérieure du substrat .12* Après que le support 20b a été encastré dans son substrat, on déforme les parties- supérieures 48 de ses parois en les repliant vers l'extérieur sur la face du substrat, ce qui forme un rebord de blocage qui fixe le support 20b à son substrat. Ce rebord de blocage est également découvert de matériau d'enrobage 40 comme le montre la partie# droite de la figure 5. Un autre support de pastille 20c, représenté en coupe sur la figure 6, illustre un moyen supplémentaire de fixation du support au substrat conformément à la présente invention. Dans le cas présent, le support 20c est pourvu d'un rebord ou collerette 50 qui se prolonge extérieurement à partir de la partie inférieure du support sur une longueur quelque peu supérieure à celle du rebord 44 du support 20a de la figure 4. Entre ce rebord prolongé et la face inférieure lu substrat on place un matériau adhésif 52, de préférence préformé. Sous l'action de la pression et de la chaleur, le matériau adhésif préformé fait adhérer la partie supérieure du rebord ou collerette 50 à la face inférieure contiguë du substrat, fixant de ce fait le support 20c au substrat. La description qui précède montre de manière apparente que la présente invention fournit une solution unique au problème de la combinaison d'un composant semiconducteur avec une plaquette de circuits imprimés pour former un montage ou une partie de montage qui soit extrêmement petit, compact et mince et, de ce fait, parfaitement adaptable à des appareils microélectroniques relativement petits tels que des montres-bracelets ou de petites calculatrices. En outre, la présente invention fournit une méthode qui permet de construire le montage avec un faible coût de maind'oeuvre et de matériaux, tout en présentant un degré élevé de rendement de fabrication et de fiabilité. L'appréciation de certaines des valeurs de mesure indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENflICÂTIONS 1. Procédé de fixation et de connexion d'une pastille semiconductrice à et au sein d'un substrat de circuits imprimés, caractérisé en ce qu'il consiste a) à fixer une pastille semiconductrice à un support de pastille qui est plus grand que la pastille et conçu pour loger la pastille entre des parois qu'il comporte et qui entourent les bords de ce dernier; b) à encastrer ce support dans une ouverture pratiquée dans le substrat de circuits imprimés, cette ouverture ayant été préformée et dimensionnée pour recevoir ce support de pastille c) à établir l'interconnexion électrique des barrettes de la pastille aux bornes dudit substrat placées autour mais à une certame distance des bords de l'ouverture ; et d) à recouvrir complètement la pastille, les faces à découvert du support et les parties du substrat entourant son ouverture, y compris les barrettes du support et du substrat, au moyen d'un matériau liquide d'enrobage. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qutil consiste, en outre, à former un cadre sur la face supérieure du substrat et autour de ltouverture pour confiner le matériau d'enrobage dans une zone du substrat entourant le support et distante extérieurement de l'ouverture de manière à entourer également les barrettes. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le support est légèrement plus grand que la pastille et en ce qu'il est conçu pour loger la pastille sans jeu à ltintérieur de sa partie délimitée par des parois. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le support de la pastille est initialement placé dans l'ouverture du substrat par un emmanchement à force et fixé ensuite par le matériau d'enrobage. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à replier une partie d'extrémité de la paroi du support pour qu'elle entre en contact avec la zone du substrat entourant l'ouverturet avant de verser le matériau d'enrobage sur ce support. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesupport est muni d'une collerette se prolongeant extérieurement près de son bord inférieur et en ce que cette collerette est fixée par adhérence à la face inférieure du substrat autour de l'ouverture. 7. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau a'enrobage est une résine liquide époxyde qui est versée jusqu'au niveau du cadre et qu'on laisse durcir pour former un boîtier protecteur autour de la pastille, du support et des fils d'interconnexion entre les barrettes. 8. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ce cadre est formé sur le substrat au moyen d'un matériau protégé par un placage appliqué sur le substrat par un procédé de tamisage. 9. Montage électronique prévu pour être utilisé dans un appareil à commande électronique, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison a) un substrat de circuits imprimés comportant des branches ou connexions conductrices et des composants connectés, et initialement une ouverture transstersale, les bornes desdites branches ou connexions étant disposéesautour de l'ouverture;; b) un support de pastille ayant sensiblement les mêmes dimensions et la même forme que l'ouverture et fixé dans cette dernière, ce support comportant des parois périphériques formant une cavité e) une pastille semieonduetrice fixée dans la cavité du support et présentant une face supérieureplane traitée pour former un circuit microélectronique avec barrettes de connexion électrique, une face inférieure plane généralement parallèle à la face supérieure et une épaisseur transversale beaucoup plus faible que la longueur ou la largeur de sa face supérieure d) un moyen de connexion électrique pour interconnecter les barrettes de la pastille au moyen des bornes placées sur le substrat; et e) un moyen d'enrobage enveloppant #la pastille, les parties. supérieures à découvert du support et le moyen de connexion électrique. 10. Montage suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen formant cadre entourant le substrat et constituant une paroi destinée à contenir le moyen d'enrobage et à le limiter à une zone du substrat entourant de près le support et les#moyens de connexion électrique 11. Montage suivant La revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de connexion électrique sont des fils soudés aux barrettes de la pastille et qui se prolongent -au-dessus de la paroi périphérique du support jusqu'aux bornes présentes ur le substrat. 12. Montage suivant la revendication 9, caraWtérisé en ce qu'il comprend un moyen formant collerette se prolongeant à partir du bord inférieur du support de la pastille et un moyen faisant adhérer ladite collerette à la face inférieure de ce substrat. 13. Montage suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une des parties repliées situées le long du bord supérieur de la paroi periphérique du support de pastille et recouvertes complètement par l'enrobage. 14. Montage suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le support est un matériau métallique. 15. Montage suivant la revendication 9, caractérisé e ce zue le moyen formant cadre est un matériau protégé par un placage et en ce que le moyen d'enrobage est une résine époxyde.