Brevet FR2382101A1 — publié le 19780922

L'invention concerne un dispositif à semi-conducteur colportant au moins un élément semi-conducteur, muni de bornes de sortie, et des rubans métalliques disposes sur un fila polyt- mide souple. Par élément semi-conducteur, il faut entendre les éléments obtenus par de' coupe des tranches de matériau semi-conducteur, sur lesquelles ont été réalisés des circuits intégrés ces éléments sont plus couramment désignés par l'homme de l'art par le terme de "puces". L'un des grands thèmes actuels de recherche en matière de circuits intégrés concerne l'automatisation du montage des puces semi-conductrices et l'un des problèmes les plus déli- catis consiste à réaliser de manière automatique, des connexions fiables entre les bornes de sortie des puces semi-conductrices et les bornes d'entre des circuits associes. L'article paru dans "Electronics", du 25 décembre 1975, intitul "Spécial Report = film carriers star in high volume I.C. production" par Jerry Liman, décrit en particulier le montage provisoire de puces semi-conductrices, sur des fil souples. D'ue part, ces filas souples sont à deux couches, une première couche de polyimide et une seconde couche de cuivre, avec quelquefois une couche intermédiaire d'adhésif Des rubans métalliques conducteurs sont donc réalisés sur une face du fila, et dans un orifice g4néralement de forme carrée, situé au milieu du fila, on va venir souder les extrémités de ces rubans métalli- ques avec les bornes de sortie de la puce semi-conductrice. Ce procéda de montage, dénommé en langue anglaise "Tape-automated bending", permet de doter la puce semi-conductrice de pattes métalliques, cet ensemble étant alors séparé du reste du fila po lyimide, pour être par exemple placé dans un circuit hybride0 D'autre part donc, le film polyimide souple joue le rôle d'un support provisoire, et ne se retrouve pas dans le produit fini, tout du moins ne trouve pas sa place entre la puce semi-conductrice et les rubans métalliques. Un tel procédé de montage nécessite pour ce faire, la réalisation préalable, sur les bornes de sortie de la puce semi-conductrice, de surépaisseurs métalliques, dénommées en langue anglaise "bumps", de manière à ce que les pattes métalli qu s qu'on vient souder, ne puissent provoquer des jonctions pa rasites sur les bords de ladite puce. La réalisation de telles surépaisseurs nécessite le dépit de couches intermédiaires métal liques, afin d'augmenter 1'adhérence et de créer une barrière de diffusion.Généralement les bornes de sortie, réalisées sur des puces de silicium, sont en aluminium, sur lesquelles on rient déposer, par évaporation ou pulvérisation cathodique, une couche d'adhésion, par exemple en chrome, puis une barrière de diffusion, par exemple en cuivre, afin, par procédé électrolytique, une surépaisseur en or Une telle surépaisseur a une hauteur comprise entre 10 et 25 microns, et permet ainsi de diminuer le risque de jonctions par d tes Mais il est évident qu'un tel procédé est long et coûteux, tout du moins dans la réalisation des surépaisseurs métalliques. Afin de pallier les inconvénients précités, la Demanderesse a étudié notamment la possibilité de percer et métalliser, sur ses deux faces et à l'intérieur des trous, un fila polyimide souple, ce procédé étant décrit dans la demande de brevet française, de numéro 75/24.882 déposée le 8 Août 1975, et plus récemment la possibilité d'utiliser ledit film polyimide souple, ainsi traité, pour réaliser une connexion originale, cette utilisation étant décrite dans la présente demande. Pour ce faire, selon la présente invention, le dispositif à semi-conducteur est caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur- est soudé directement sur une face du film polyimide souple, alors que les rubans métalliques sont disposés sur l'autre face de ce même film, et en ce que la connexion entre les bornes de sortie de l'élément semi-conducteur et lesdits rubans métalliques s'effectue par l'intermédiaire de trous préalablement métallisés dans ledit film polyimide. De cette manière, les rubans métalliques sont donc élaborés sur le film polyimide, de manière automatique, et sont séparés constamment de la puce semi-conductrice, par une matière isolante ; de plus, la connexion réalisée par l'intermédiaire de trous préalablement métallisés, dans ledit fila polyimide, permet de supprimer la réalisation de surépaisseur sur les bornes de sortie de la puce semi-conductrice. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, permettra de mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure l représente une vue en coupe du dispositif semi-conducteur selon l'invention. La figure 2 est une vue en plan de ce même dis- positif. La figure 3 est un schéma montrant les diverses utilisations possibles en hyperfréquences. La figure 4 est une vue en plan d'un film po lyimide souple, sur lequel est réalisé un circuit d'interconnexion. La figure 5 est une vue en coupe de ce même fila, selon l'axe A- Le dispositif semi-conducteur comporte au moins, disposé par exemple sur un substrat solide (plus généralement un radiateur thermique3, par exemple en alumine, tel que représenté en référence i, à la figure l, un élément semi-conducteur a, par exemple une puce en silicium, sur laquelle est réalisé un circuit intégré, et qui dispose de bornes de sortie 3, par exemple en aluminium, recouveru d'une couche mince soudable, et des rubans mé talliques 4 disposés sur un film polyimide souple 5, afin de connecter les bornes de sortie 3 de l'élément semi-conducteur a, avec des bornes d'entrée 7 d'un circuit extérieur. La figure 2 est une vue en plan de ce même dispositif, les éléments identiques étant représentés avec la même référence. Sur cette figure, il n'est représenté qu'un ruban métallique de connexion alors qu'en fait, le dispositif sèmi-conduc- teur est muni d'une pluralité de pattes" métalliques, telles que celles de référence 4. Selon l'invention, l'élément semi-conducteur a est disposé directement sur une face du film polyimide souple 5, alors que les rubans métalliques 4 sont disposés sur l'autre face, et que la connexion entre les bornes de sortie 3 de l'élément semiconducteur 2 et les rubans métalliques 4, s'effectue par l'inter médiaire de trous métallisés 6, réalisés préalablement à cette opération de soudage, dans le film polyimide souple 2. Le perçage et la métallisation de ce film polyimide souple sont décrits dans la demande de brevet française n 75/24 882, déposée le 8 Août 1975, au nom de la demanderesse. Ce procédé, permet d'obtenir, par un perçage chimique préalablement a l'opération de métallisation, une densité de trous aussi grande que 8 trous/mm. Ceci permet d'obtenir notamment une disposition des trous dans le film polyimide, aux emplacements désirés, correspondant plus particulièrement aux emplacements des bornes de sortie de la puce semi-conductrice. Le procédé de soudage des rubans métalliques et des bornes de sortie d'un élément semi-conducteur est classique en ce sens qu'il suffit de disposer d'un moyen de chauffage en face d'un trou métallisé (gaz chaud, flux IRW panne métallique..), pour réaliser la connexion avec les bornes de sortie de l'élément disposé de l'autre côté Ce soudage s'effectue d'une manière simultanée, pour les divers trous correspondant à une même puce semi-conductrice. De cette manière, les rubans métalliques ainsi soudés, appeles alors pattes de la puce semi-conductrice sont séparés de ladite puce par une matière isolante et ne peuvent protoquer de jonctions parasites. La réalisation des rubans métalliques, sur le film polyimide, puis le montage des puces semi-conductrices peuvent être alors des opérations entièrement automatisées, et le taux de rejet des dispositifs défaillants sensiblement diminué. L'utilisation d'un tel circuit, dans le domaine des hyperfréquences, permet d'effectuer les tests préalables des composants en régime dynamique. Les méthodes classiques de connexion faisant appel par exemple à la technique des fils d'or soudés par thermocompression, ne conviennent pas puisqu'un fil d'or, de section ~ 25 microns, et de longueur l millimètre présente déjà pour sa seule part, à 10 GHt, une impédance série de 50 ohms. L'utilisation du circuit selon la présente invention dans le domaine des hyperfréquences permet de conserver les impédances électriques optimales jusqu'au niveau de l'élément actif, tout en permettant une adaptation des dimensions géométriques du circuit en fonction de sa place dans la chaine d'utilisation.A titre d'exemple, des essais en laboratoire ont donné, pour une ligne microstrip 50 fl , de 5 cm de longueur, réalisée sur un film polyimide de 100 microns d'épaisseur, des pertes de 0,3 dB à à 800 MHt , et 3 dB à i6 GHm La possibilité de métalliser double face le film polyimide souple, permet notamment de réaliser des circuits, tant en technologie coplanaire qu'en celle dite microstrip. Suivant la figure 3, il est représenté un schéma du dispositif selon l'in vention, comportant, dans sa partie droite, un trou métallisé 6, un ruban métallique 4 et un plan de masse 8 situé de l'autre cêté du film polyimide, selon la technique bien connue dite "microstrips, et dans la partie gauche, un plan de masse 9, situé du même coté du fila polyimide, selon la technique bien connue dito coplanaire. Selon un mode de réalisation, la demanderesse a conçu un circuit sur polyimide souple, tel que représenté a la figure 4, en vue plane, et à la figure 5 en coupe. La partie centrale du film polyimide 12, et la partie extérieure, furent percés chacune de quatorze trous 13, puis le film fut métallisé sur ses deux faces et à l'intérieur des trous. Le perçage des trous s'effectua à l'aide d'une solu- tion équimolaire de potasse et d'alcool, par exemple du propanediol 1 - 2, à travers un masque photosensible, de manière à obtenir la répartition de trous souhaités. Après métallisation totale du film polyimide, on effectua à nouveau un masquage des surfaces à l'aide d'une laque photosensible, de manière à obtenir une disposition des rubans métalliques 14, conforme au schéma de la figure 4, ainsi que des plages de soudage 15. Cette disposition permet notamment la con nexion des bornes de sortie d'une puce semi-conductrice dans la partie centrale, ainsi que le montage ultérieur do cet ensemble (film polyimide et puce conductriceX sur un substrat, ou plus généralement un radiateur thermique Une telle technique permet également d'éviter de monter ces dispositifs dans des boîtiers, la protection chimique et mécanique de ces dispositifs étant asurée par le fil polyimide. Le schéma de la figure 5, qui est une vue en coupe suivant l'axe a - ss de la figure précédente, permet de mieux cos- prendre la disposition des rubans métalliques 14 et des plages de soudage 15. On a schématisé au-dessus l'approche d'une puce semi-conductrice. Les éléments identiques portent la même référence qu'a la figure précédente. Un tel circuit peut entre réalisé en continu sur un fila polyimide et monté par exemple sur une bobine de 8 ou 16 -, d'une manière connue en soi. Ainsi, après montage des puces sur le film, celles-ci peuvent être testées automatiquement, afin de supprimer les éléments défaillants. Selon une première variante de l'invention,il est possible de réaliser l'interconnexion de plusieurs puces semiconductrices, montées sur un même film polyimide, et reliées ou non à un substrat unique (ou plus généralement un radiateur ther mique), ce qui offre notamment l'avantage, par suite d'une plus grande densité, de réduire les temps de propagation De plus, la constante diélectrique du polyimide étant faible, il en est de même pour la perturbation apportée par les croisements de conducteurs métalliques de part et d'autre du film polyimide. Ceci permet notamment de réduire l'épaisseur du substrat, et la largeur des conducteurs, donc d'augmenter la densité des composants. Selon une deuxième variante de l'invention, il est également envisageable de réaliser la superposition de plusieurs films polyimide, de manière a' obtenir un réseau d'interconnexion à plusieurs niveaux. il est bien évident que l'homme do l'art peut envisager de multiples réalisations de circuits sur le fil polyimide sans pour cela sortir du cadre de la présente invention RIVINDICATIONS l. Dispositif à semi-conducteur, comportant au moins un lément somi-conducteur, muni de bornes de sortie et de rubans métalliques disposés sur un film polyimide souple, caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur est soudé directement sur une face du film polyimide souple, alors que les rubans métalliques sont disposés sur l'autre face de ce même film, et en ce que la connexion entre les bornes de sortie de l'élément semi-conducteur et lesdits rubans métalliques s'effectue par l'intermédiaire de trous préalablement métallisés dans ledit film polyimide, 2. Dispositif à semi-conducteur, selon la revendication l, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments semi-conducteurs montés sur un même film polyimide souple. 3. Dispositif à semi-conducteur, selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rubans métalliques disposés sur le film polyimide souple réalisent l'interconnexion d'éléments semi-conducteurs, 4. Dispositif à semi-conducteur, selon l'une des re vendications 1, 2 ou 3, caractérisé on ce qu'il comporte plusieurs filas polyimido souples superposés, des connexions pouvant être réalisées entre des éléments semi-conducteurs montés sur dos films différents.