Brevet FR2312172A1 — publié le 19761217

La présente invention concerne le domaine de l'assemblage de dispositifs semiconducteurs, et plus particulièrement l'assemblage par empilage de dispositifs semiconducteurs à circuits intégrés de grande surface sur un substrat et le procédé de fabrication de ces ensembles. Au cours des dix dernières années, les éléments semiconducteurs sont devenus très micro-miniaturisés. Ceci a entraîné des réductions importantes du coût de fabrication, augmenté les vitesses de fonctionnement et d'une manière significative, la fiabilité de ces éléments. A mesure que les dispositifs semiconducteurs décroissaient en dimension, un nombre de plus en plus important d'éléments était incorporé dans ceux-ci. Ce qui entraîna des modifications des substrats et des contacts éléectriques des dispositifs à circuits intégrés. Etant donné qu'un nombre de plus en plus important d'éléments actifs et passifs particuliers était incorporé dans les dispositifs à circuits intégrés, le nombre nécessaire de bornes d'entrée et de sortie augmentait également.Ce développement du nombre des bornes accompagné d'une diminution de la taille du dispositif, entraînait des problèmes de dimensions pour ces dispositifs. Cependant, bien qu'un nombre plus important d'éléments soit placé sur le dispositif pour assurer des fonctions différentes, il apparut que le nombre d'entrées et de sorties du dispositif pouvait être réellement réduit. Ceci était possible en raison du fait que les connexions conductrices entre les divers circuits assurant des fonctions différentes pouvaient être réalisées au niveau du dispositif dans la métallurgie d'interconnexion. Ce développement est évident lorsque l'on considère la combinaison des circuits et des structures de deux dispositifs à circuits intégrés à fonction associées dans un dispositif symétrique.La connexion électrique nécessaire à l'association des fonctions des dispositifs, lorsqu'ils sont séparés, doit relier par un patin de contact de connexion un premier dispositif à un module de support, puis, au-delà du module la connexion doit être prévue vers l'emplacement du deuxième dispositif,#puis raccordée à ce deuxième dispositif par l'intermédiaire d'un patin de contact approprié. Cependant, lorsque les deux dispositifs sont combinés, la connexion indiquée ci-dessus peut être assurée par une ou plusieurs lames de métallurgie particulières. De plus, il est également évident qu'une seule série de patins de contact peut être utilisée pour alimenter le dispositif, indépendamment de la taille de celui-ci. Cependant, l'installation d'un plus grand nombre de structures et de circuits sur une microplaquette particulière entraîne des problèmes d'assemblage du dispositif. L'un de ces problèmes est le problème du rendement. A mesure que le dispositif et l'ensemble deviennent plus complexes, les possibilités de défauts augmentent, et le rejet des ensembles défectueux revient de plus en plus cher étant donné le coût de ces ensembles. Un autre problème rencontré plus particulièrement lors de l'utilisation d'interconnexions rigides des bornes du dispositif au substrat, concerne l'aptitude de l'unité à supporter un cycle thermique. Lorsque le dispositif et le substrat sont réalisés dans des matériaux différents, on rencontre généralement des coefficients de dilatation différents. Pendant les opérations de réchauffement et de refroidissement nécessaire lors de la fabrication de l'ensemble, des contraintes sont introduites dans celui-ci et peuvent provoquer la rupture des interconnexions du dispositif. Plus le dispositif est important, plus important est le problème. Une solution à ce problème pourrait consister dans l'utilisation du même matériau, à savoir du silicium monocristallin, pour la fabrication du dispositif et du substrat.Cette solution a été suggérée dans le brevet des E.U.A n0 3 517 278. Dans la demande du brevet n0 75 21476 déposée en France par la demanderesse le 3 juillet 1975, on suggère l'utilisation d'un substrat de nitrure de silicium pour l'installation d'un dispositif de silicium important. Les coefficients de dilatation du silicium et du Si3N4 sont très proches l'un de l'autre et les contraintes générées pendant le cycle thermique sont réduites au minimum. Dans la revue"IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 16 No 3, Août 1973, page 758, on suggère l'interconnexion renforcée d'un dispositif de silicium à une plaque d'invar ou de kovar, et également l'interconnexion de la plaque au substrat, par une soudure à faible température de fusion.L'objectif est d'utiliser la plaque comme élément intermédiaire entre le dispositif de silicium et le substrat. Une autre approche pour éliminer les contraintes exercées dans les interconnexions de bornes rigides au cours de l'assemblage de dispositifs semiconducteurs de grandes dimensions sur un substrat, consiste à rendre les interconnexions plus flexibles. Le brevet n0 1 483 565 déposé en France par la demanderesse le 13 juin 1966, traite du reflux de soudure. Dans la demande de brevet n0 75 18144 déposée en France par la demanderesse le 3 juin 1975, on présente une amélioration des brevets cités ci-dessus, à savoir une nouvelle technique d'allongement des interconnexions par soudure, ce qui augmente la résistance des points de connexion aux contraintes de cisaillement. Une autre approche plus générale utilisée pour diminuer ces contraintes, consiste à monter le dispositif et/ou les porte-microplaquettes soit un par un, soit empilés mais séparés les uns des autres sur des doigts utilisés comme conducteurs électriques. Cette conception générale est présentée dans la revue "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 17 No 3, Août 1974, pages 654 et 655. Bien que l'idée de base de connecter des dispositifs à des substrats par des doigts pouvant supporter les contraintes générées dans les dispositifs et les substrats apparaisse comme une idée réalisable, il est nécessaire d'améliorer les techniques de fixation et de raccordement des doigts aux divers types de substrats. En général, les techniques de raccordement et de jonction actuellement connues ne peuvent pas être adaptées à la fabrication de dispositifs de très petites dimensions ou ne sont pas appropriées pour la production de masse qui exige un rendement élevé. Un objet de la présente invention est de fournir un ensemble semiconducteur amélioré. Un autre objet de la présente invention est de fournir une technique de fabrication d'un ensemble semiconducteur amélioré, pouvant être adaptée pour la fabrication de dispositifs semiconducteurs intégrés de grandes dimensions. Un autre objet de la présente invention est de fournir une technique de jonction par broches, ensembles de dispositifs semiconducteurs empilés. Un autre objet de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication d'un ensemble semiconducteur à degré élevé d'intégration, utilisant des broches pour supporter les dispositifs et pour assurer les connexions électriques entre ceux-ci. D'après les objets indiqués ci-dessus, on voit que la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un ensemble électronique comprenant plusieurs substrats porte-dispositifs à circuits intégrés empilés et interconnectés électriquement, ledit procédé comprenant les étapes de percement de trous d'un diamètre donné dans un premier substrat plan, d'application d'une métallisation sur le substrat présentant des contacts se terminant aux trous percés précédemment, d'introduction de broches en métal conducteur, ayant un diamètre plus petit que le diamètre donné des trous, dans les trous dudit substrat de l'installation d'éléments de soudure préformés annulaires sur les broches de l'installation d'entretoises sur le premier substrat, d'introduction des broches dans les trous ménagés dans un deuxième substrat plan présentant une configuration de trous correspondant à la configuration de trous du premier substrat, de l'installation d'éléments de soudure préformés annulaires sur les broches, du réchauffement de l'ensemble résultant à une température suffisante pour fondre les éléments de soudure dans les trous et les espaces compris entre le substrat et les broches, assurant ainsi l'établissement du contact électrique entre les broches et la métallisation. Un autre aspect de la présente invention permet de réaliser un ensemble porteur pour dispositifs semiconducteurs à circuits intégrés comprenant un substrat porteur à connexion électrique extérieure, plusieurs broches, ou doigts orientés vers le haut, un moyen d'interconnexion connectant les connexions électriques et les doigts ou broches, des dispositifs à circuits intégrés comportant des trous de raccordement, une configuration de métallurgie sur au moins une surface des dispositifs présentant des sections se terminant en des points adjacents aux trous et en contact avec des éléments actifs et passifs des dispositifs, les trous étant en correspondance avec lesdits doigts, des entretoises disposées entre le substrat et le dispositif et des soudures assurant le contact électrique entre les doigts et la configuration de métallurgie du dispositif. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte qui représentent des modes de réalisation préférés de celle-ci. La figure 1 est une vue en coupe de l'ensemble électronique de la présente invention. La figure 2 est une vue de dessus de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe détaillée d'une structure préférée de la connexion entre un doigt et un substrat semiconducteur. La figure 4 est une vue en coupe éclatée montrant la fabrication de la structure de la présente invention. En se reportant maintenant aux dessins, et plus particulièrement aux figures 1 et 2, on y voit représenté une réalisation particulière préférée de la structure de l'ensemble de la présente invention. L'ensemble porteur 10 comporte un substrat 12 supportant un moyen d'interconnexion approprié assurant la connexion électrique entre les doigts verticaux 14 et un raccordement électrique extérieur approprié, par exemple le goujon 16. Le substrat 12 est de préférence en matériau céramique. Les moyens d'interconnexion peuvent être une configuration de lignes conductrices formées sur la surface supérieure dans une ou plusieurs couches, ou alternativement, pourraient être un réseau noyé de lignes conductrices, comme par exemple le substrat céramique multicouches de type-présenté dans le brevet des E.U.A n0 3 852 877.La connexion extérieure 16 pourrait être alternativement des doigts, des fils ou autres éléments similaires, assurant la connexion électrique entre le moyen d'interconnexion du substrat et un support extérieur, une carte ou tout autre dispositif. Les doigts 14 peuvent être connectés au substrat porteur et à son circuit d'interconnexion associé de n'importe quelle manière appropriée, par exemple par un godet de soudure 18 comme celui représenté dans la figure 1 ou par une brasure, une soudure ou autre opération similaire. Les doigts 14 supportent une ou plusieurs pastilles de silicium monocritallin 20. Les pastilles 20 peuvent être utilisées pour porter des dispositifs à circuits intégrés individuels 22 comme on le voit dans les figures 1 et 2.De préférence on trouve incorporés dans la pastille 20, des éléments semiconducteurs actifs et passifs qui sont connectés par un système de métallurgie d'interconnexion approprié. La pastille 20 est essentiellement un dispositif à circuits intégrés de grandes dimensions comportant de préférence des patins pour assurer la connexion aux dispositifs à circuits intégrés 22, utilisant de préférence des connexions par soudure, telle celle présentée dans le brevet n0 1 483 565 cité précédemment et dans le brevet des E.U.A n0 3 495 133, pour assurer la connexion nécessaire. Le système de métallurgie d'interconnexion des pastilles 20 comprend des bandes qui se terminent en des points adjacents aux doigts 14.De plus, les pastilles 20 comportent des éléments actifs et passifs et une métallurgie est appliquée à la fois aux surfaces supérieure et inférieure si on le désire. Les pastilles 20 présentent des trous ménagés par l'application d'une technique quelconque appropriée, par exemple, par décapage, perçage par laser, décapage par faisceau électronique ou par une anodisation sélective suivie d'un décapage comme présenté dans la demande de brevet des E.U.A n0 567 656. L'axe 14 est fixé à la pastille 20 par la soudure 24 comme on le voit en détail dans la figure 3. La structure préférée consiste en une couche d'oxyde de silicium 26 déposée sur la pastille 20, une bande de métallurgie 28 recouvrant la couche 26, y compris à l'intérieur des trous de la pastille 20.Le patin conducteur 28 est formé d'un matériau pouvant être soudé, par exemple il peut consister en une couche composée de chrome, de cuivre-et d'or. La soudure 24 assure le contact électrique entre la bande conductrice 28 et l'axe 14. Entre les pastilles 20 sont situées plusieurs entretoises 30 qui permettent de séparer la pastille 20 du substrat 12. De préférence, les entretoises 30 sont des éléments annulaires qui peuvent être disposés autour des axes 14. Les entretoises 30 peuvent être disposées sélectivement en divers points de l'ensemble et il n'est pas nécessaires qu'elles soient disposées autour de chaque axe. Le procédé de fabrication de l'ensemble électronique de la présente invention est plus clairement représenté sur la figure 4. Au cours de l'exécution du procédé de fabrication de l'ensemble 10, des trous 32 sont percés dans les pastilles de silicium 20 comme indiqué précédemment. Le diamètre des trous 32 est légèrement plus important que le diamètre des axes 14. De préférence, les trous 32 seront chanfreinés en 33 comme représenté dans la figure 4, le chanfrein pouvant être exécuté par décapage chimique en utilisant un masque et une solution de décapage appropriée. Lors de l'assemblage des éléments de l'ensemble, lesdits axes 14 peuvent être disposés dans un support 34 comportant des ouvertures pour recevoir les axes disposés selon la configuration correspondant aux trous ménagés dans les pastilles 20.Puis les éléments de soudure préformés annulaires 36 sont déposés sur les axes et sur les entretoises 30 prévues sur les axes sélectionnés. La pastille 20 est alors déposée sur les extrémités des axes 14 et une deuxième série d'éléments de soudure préformés et d'entretoises sont déposés sur les extrémités des axes. Puis, des pastilles supplémentaires 20 sont également déposées sur les extrémités des axes jusqu'à ce que le nombre désiré de pastilles empilées ait été assemblé L'ensemble résultant est alors réchauffé à une température suffisante pour fondre les soudures 36 dans les espaces compris entre les axes et le substrat 20. Le porte-axe 34 peut alors être retiré et l'ensemble d'axes et de pastilles empilées peut être collé à un substrat soit par l'utilisation de godets de soudure, par brasure ou par soudure. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à des modes de réalisation préférés de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toute modification de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortie du cadre de ladite invention. Revendications 1.- Ensemble pour dispositifs semiconducteurs à circuits intégrés caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat porteur présentant un système de connexion électrique pour permettre une connexion électrique extérieure, plusieurs doigts, ou broches, verticaux, une première configuration métallique disposée sur ledit substrat porteur afin de relier électriquement ledit système de connexion électrique et lesdits doigts, des substrats semiconducteurs monocristallins comportant des trous de raccordement et une seconde configuration métallique située sur la surface et comportant des sections se terminant en des emplacements adjacents auxdits trous, lesdits trous étant en correspondance avec lesdits doigts, des entretoises situées entre lesdits substrats, et des masses de soudure formant contact électrique entre lesdits doigts et ladite seconde configuration métallique située sur ledit dispositif. 2.- Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits substrats semiconducteurs comportent des éléments semiconducteurs actifs et passifs enterrés et en ce que ladite seconde configuration métallique connecte lesdits éléments en circuits électriques de fonctionnement. 3.- Ensemble selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des dispositifs semiconducteurs à circuits intégrés montés sur lesdits substrats semiconducteurs, ces dispositifs étant connectés à ladite seconde configuration métallique. 4.- Ensemble selon' la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits substrats semiconducteurs comportent en outre des éléments semiconducteurs actifs et passifs situés sur leurs surfaces supérieure et inférieure ainsi que des configurations métalliques qui connectent les éléments respectifs en circuits électriques de fonctionnement. 5.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit substrat porteur est un substrat de céramique comportant en outre une troisième configuration métallique qui est enterrée. 6- Ensemble selon la revendication 5 caractérisé en ce que lesdits doigts sont relies a ladite première ou troisième configuration métallique par des godets de soudure. 7.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chacun desdits trous ménagés dans lesdits substrats monocristallins sont chanfreinés. 8.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites entretoises sont constituées de plusieurs éléments annulaires de matériau diélectrique disposés autour desdits doigts. 9.- Procédé de fabrication d'un ensemble électronique comportant un substrat monocristallin connecté électriquement à une configuration métallique disposée sur un substrat porteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: la formation de trous dans un premier substrat semiconducteur monocristallin plan, l'application d'une première configuration métallique sur ledit substrat, cette configuration comportant des contacts se terminant auxdits trous, l'introduction de doigts, ou broches, en métal conducteur dans les trous ménagés dans ledit substrat, l'installation d'éléments de soudure préformés annulaires sur lesdits doigts, le réchauffement de l'ensemble résultant à une température suffisante pour assurer la fusion des éléments de soudure dans les trous et le remplissage des espaces compris entre le substrat et lesdits doigts, et l'établissement du contact électrique entre les doigts et la première configuration de métallisation, l'installation d'un substrat porteur comportant une seconde configuration de métallisation présentant des patins de connexion agencés suivant une configuration correspondant à la configuration des trous dudit substrat semiconducteur, et w la jonction des extrémités desdits doigts auxdits patins. 10.- Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que des entretoises sont disposées sur ledit premier substrat semiconducteur, en ce que lesdits doigts sont introduits dans les trous d'un deuxième substrat semiconducteur comportant une troisième configuration de métallisation présentant des contacts se terminant dans des positions adjacentes auxdits trous, en ce que des éléments de soudure préformés annulaires sont placés sur les doigts, et en ce que l'ensemble résultant est chauffé pour relier les doigts et la troisième configuration de métallisation par soudure. 11.- Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce que les extrémités desdits doigts sont reliées auxdits patins par brasure. 12.- Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce que lesdits patins du substrat porteur comprennent des godets de soudure et en ce que les extrémités desdits doigts sont introduites dans lesdits godets de soudure et réchauffées afin de former des soudures de connexion. 13.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12 caractérisé en ce que ledit substrat porteur est formé par lamination de couches de matériau céramique, chaque couche présentant une configuration conductrice et des trous de connexion et par frittage des couches pour former un ensemble céramique multicouches à configuration de métallisation noyée.