Brevet FR2368125A1 — publié le 19780512

La présente invention concerne une bande métallique composite destinée à réaliser des cadres de connexion, et son procddé de fabrication. Les cadres de connexion sont des petites pièces métalliques qui sont utilisées pour connecter des circuits intégrés à des dispositifs dans lesquels ils sont utilisés. Une fonction essentielle dlun cadre de connexion consiste à supporter le circuit intégré. Ce dernier peut etre fixé sur le cadre de connexion au moyen d'un -eutectique silicium-or ou d'une résine d'époxy chargée d'argent. Le circuit intégré est généralement enrobé dans une enveloppe de céramique ou de matière plastique. En plus de supporter le circuit intégré, le cadre de connexion assure le passage des connexions à travers l'enveloppe. Ces connexions sont utilisées pour fixer le circuit intégré sur le dispositif dans lequel il fonctionne.Le circuit intégré est connecté électriquement au cadre de connexion, généralement en soudant par thermocompression ou par ultrasons de très petits fils d'or ou d'aluminium éntreles points de connexion du circuit intégré et les points de connexion du cadre de connexions A titre d'exemple* des fils d'or d'un diamètre de 0,025 mm peuvent convenir et ils peuvent être connectés au cadre de connexion par soudage par thermocompression. Après avoir été connecté électriquement au cadre de connexion, le circuit intégré est enrobé de manière que les conducteurs du cadre soient fixés, mais sortent de la capsule de céramique ou de matière plastique. Pour remplir ces nombreuses fonctions, le cadre de connexion doit entre réalisé en une matière possédant des propriétés particulières, parmi lesquelles il faut citer les suivantes. Un cadre de connexion doit être fait en une matière de bonne con ductibilité électrique ce qui est nécessaire pour transmettre des impulsions électriques depuis et vers le circuit intégré. Il est également nécessaire qu'un cadre de connexion soit fait en une matière de bonne conductibilité thermique car la conductien de la chaleur par le cadre constitue le m#oyen essentiel d'éliminer la chaleur développée dans le circuit intégré. Il est heureusement possible de satisfaire ces deux conditions car la conductibilité thermique est liée directement à la conductibilité électrique, selon la loi de Wiedmann-Franz. Une bonne conductibilité thermique est nécessaire pour tous les cadres de conne xion, mais elle est particulièrement essentielle pour les cadres de connexion destinés à connecter des circuits intégrés de grande puissance à leur environnement. Les cadres de connexion doivent posséder de bonnes propriétés mécaniques car ils ont à supporter le circuit intégré, et leurs propriétés doivent être suffisamment bonnes pour le maintenir dans le dispositif où il est utilisé.Les cadres de connexion doivent etre suffisamment ductiles pour accepter une mise en forme de précision ce qui implique la possibilité d'un laminage à une épaisseur très exacte, avec des tolérances serrées. En outre, les cadres de connexion doivent pouvoir être poinçonnés ou attaqués à des formes de dimensions exactes. Les cadres de connexion doivent aussi être réalisés en une matière de bonne résistance à la corrosion afin d'éviter qu'ils ne soient corrodés pendant les phases de fabrication d'un circuit intégré. La technologie actuelle de la fabrication impose que la matière d'un cadre de connexion soit facile à plaquer d'or ou d'argent. Par exemple, des parties limitées de ces cadres sont plaquées d'or ou d'ar- gent afin d'établir des connexions électriques adéquates.Etant donné que le plaquage d'or ou d'argent n'est appliqué qu'à des parties limitées et que les conducteurs extérieurs peuvent rester non plaqués, ces cadres doivent etre réalisés en une matière qui soit elle#meAme facile à souder afin que les circuits intégrés puissent etre facilement connectés à d'autres dispositifs. Les cadres doivent être également réalisés en une matière formant un bon joint avec la matière d'enrobage. Ainsi, la surface d'un cadre de connexion doit pouvoir etre mouilléepar la matière plastique ou la céramique qui enrobe le circuit intégré. Si une céramique est utilisée pour réaliser une capsule hermétique, il est également essentiel que la dilatation thermique du cadre de connexion soit réduite, afin que les contraintes thermiques en fabrication ou en utilisation ultérieure ne détruisent le joint hermétique entre le cadre métallique et len- robage. Le cadre de connexion doit aussi être réalisé en une matière d'un prix raisonnable afin de permettre son utilisation générale dans des composants peu motteux. Il est difficile de trouver une matière possédant toutes ces propriétés et par conséquent, des compromis sont acceptés. L'une des matières qui rencontrent le plus grand succès en ce qui concerne ces propriétés, est le nickel pur. Nais le laminage de précision du nickel pur pour produire des bandes très minces avec des dimensions précises est très motteux en raison des pertes élevées par déchets, d'une matière intrinsèquement coûteuse. En outre, le nickel pur possède quelques propriétés indésirables pour les cadres de connexion ; en particulier, son coefficient de dilatation thermique est élevé. Un alliage de 42% de nickel et le reste de fer est fréquemment utilisé pour la fabrication des cadres de connexion.Les inconvénients de cet alliage à 42% de nickel sont son prix élevé et une conductibilité thermique relativement basse qui impose une épaisseur suffisante de placage coûteux d'or ou d'argent pour élever la conductibilité thermique à un niveau qui convient. En raison de la dureté de cet alliage, il est impossible de souder par thermocompression les fils dtinterconnexion du circuit intigré. Du cuivre ou des alliages de cuivre sont également utilisés, mais leur résistance à la corrosion est inférieure et interdit leur usage dans certains cas. L'invention concerne donc un procédé de réalisation d'une bande métallique qui convient pour la production de cadres de connexion possédant toutes les propriétés mentionnées cidessus. Ce procédé consiste à préparer de l'acier inoxydable ferritique, par exemple un alliage de fer et de chrome, sous la forme d'une mince bande nettement plus épaisse que le produit final, de préférence environ le double de l'épaisseur du produit final. Cette bande reçoit ensuite un voile de nickel afin de- conditionner sa surface pour qu'elle accepte les reva- tements suivants. Un voile de nickel est une très mince couche de nickel qui est plaquée sur l'acier inoxydable ferritique dans des con ditions telles que le revêtement protecteur d'oxyde de chrome soit absent de la surface de l'acier. L'acier inoxydable ferritique avec un voile de nickel-sur sa surface est ensuite soumis à un dépôt électrolytique de cuivre. Une couche de cuivre est déposée électrolytiquement sur le voile de nickel, jusqu'8 une épaisseur imposée par le désir de conserver un minimum de 1 micron de cuivre sur la surface après la réduction à froid jusqu'à l'épaisseur finale. De préférence, l'épaisseur de la couche de cuivre, après le laminage à froid, est comprise entre environ 8 et 15 microns. L'acier inoxydable ferritique revêtu de cuivre reçoit ensuite une couche continue de nickel ou d'étain d'une épaisseur suffisante pour qu'après le laminage final, l'épaisseur de la couche extérieure soit au moins d'un micron. La bande dd'acier inoxydable ferritique avec tous ces revê- tements est ensuite laminée à froid avec précision de manière à réduire son épaisseur et obtenir les propriétés mécaniques voulues, ainsi qu'une surface brillante et régulière Selon un mode de réalisation, une réduction à froid d'au moins 50% donne une bande polie avec des dimensions exactes, portant extérieurement une couche continue et intacte de nickel ou d'étain. Cette bande peut être découpée ou gravée avec précision à la forme voulue du cadre de connexion. Le support d'acier inoxydable ferritique constitue une base mécaniquement solide pour le cadre de connexion. Le coefficient de dilatation thermique de l'acier inoxydable ferritique est inférieur à celui du nickel, du cuivre et de ses alliages. Il est beaucoup moins cher que le nickel par, les alliages de niceel, le cuivre ou les alliages de cuivre. Sous la forme dtun composite avec une couche de cuivre, il constitue un conducteur efficace de la chaleur. La dilatation thermique des couches extérieures de cuivre et de nickel est limitée par le support d'acier inoxydable ferritique qui maintient sa faible dilatation thermique.Le composite avec une couche extérieure de nickel possède une bonne conductibilité thermique, une bonne conductibilité électrique, une surface similaire à celle des cadres de connexion en nickel pur et il peut être plaqué facilement d'or ou d'argent. Avec ses placages de métaux précieux, il est facile à souder par thermocompression, par ultrasons ou à l'étain. Le composite avec une mince couche d'étain possède toutes les proprites ci-dessus, sans le placage d'argent ou d'or, et il semble qu'il soit facile d'y souder des fils d'interconnexion par thermocompression au par ultrasons.Dans les deux cas, les bonnes caractéristiques de l'acier inoxydable fer#ritique, à savoir sa grande résistance mécanique et son faible coefficient de dilatation thermique sont préservées et la matière composite possède une meilleure conductibilité électrique et thermique gracie à l'utilisation de la couche intermédiaire de cuivre. La bande composite avec une couche extérieure d'étain possède également toutes les propriétés souhaitables de l'acier inoxydable ferritique, la conductibilité électrique et thermi que du cuivre et les bonnes caractéristiques superficielles de l'étain. Le cuivre résiste mal à la corrosion et ne peut être exposé dans un cadre de connexion. Par exemple, le cuivre doit être séparé d'un circuit intégré déposé sur une pastille de silicium monocristallin, car il diffuse dans le silicium et en modifie les propriétés. Par conséquent, selon l'invention, le cuivre doit toujours se trouver au-dessous d'une couche continue et intacte de nickel ou d'étain.Ceci élimine ltune des caractéristiques indésirables du cuivre, en ce que le nickel ou l'étain donne une surface plus stable, et résistant à la corrosion, et qui peut être soudée plus facilement sur d'autres matières. L'invention concerne également le produit obtenu selon le procédé décrit ci-dessus. Ce produit consiste en une bande de matière comprenant un support d'acier inoxydable ferritique, une couche intermédiaire de cuivre et une couche extérieure continue de nickel ou d'étain; la bande composite est laminée à froid, de préférence entre 40% et 60%, jusqu'à son épaisseur finale qui est inférieure à 0,4 mm. Comme cela a été mentionné ci-dessus, le produit selon l'invention possède des propriétés telles qu'il peut etre facilement mis en forme d'un cadre de connexion possédant toutes propriétés thermiques, électriques et mécaniques précitées. Le procédé selon l'invention conduit à un produit qui possède des propriétés égales ou meilleures que des matières plus coûteuses.Une quantité très réduite de matières coûteuses est utilisée, et ces-dernières dont utilisées en un point de la fabrication où les déchets sont très réduits. Le produit final possède des propriétés mécaniques excellentes et contr#lables et une surface dense, polie, régulière et brillante qui convient physiquement et chimiquement pour réaliser les cadres de connexion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ap -parattront au cours de la description qui va suivre de quel ques exemples de réalisation. Exemple 1 Un alliage ferritique de fer et de chrome, contenant 13 à 14% de chrome, et généralement connu sous le nom d'acier inoxydable type 404, est laminé en une bande d'épaisseur intermédiaire (o,6 mm) et recuit. La bande reçoit un voile de nickel en l'immergeant dans une solution aqueuse contenant 240 grammes par litre de chlorure de nickel hexahydraté et 71 millilitres d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique à 37%. L'acier inoxydable est connecté en cathode et une anode de nickel pur est utilisée. Le bain est maintenu à 270C et un courant de 80mA par cm2 de surface de cathode circule dans le bain pendant 30 secondes. Un voile de nickel d'une épaisseur inférieure à 0,5 microns est ainsi déposé sur la cathode. Les échantillons portant un voile de nickel sur leur surface sont ensuite plongés dans une solution aqueuse contenant 240 grammes par litre de sulfate de cuivre et 33 millilitres par litre d'acide sulfurique à 90%. L'acier inoxydable est connecté en cathode, et une anode de cuivre pur est utilisée. Le bain est maintenu à 240C et un courant de 25 mA par cm2 de surface de cathode circule dans le bain pendant 6,4 minutes. Une couche de cuivre d'une épaisseur de 7,5 microns est ainsi déposée. Les échantillons sont sortis du bain de cuivre, soigneusement lavés et plongés dans un bain qui contient 38,4 grammes par litre de chlorure de nickel hexahydraté , 273,5 grammes par litre de sulfate de nickel hexahydraté et 26 grammes par litre d'acide borique. Les échantillons sont connectés en cathodes et une anode de nickel pur est utilisée. Le dépôt électrolytique de nickel est effectué en maintenant le bain à 24 C et en faisant passer un courant de 40 mA par cm2 de surface de cathode pendant 6,4 minutes. Dans ces conditions, une couche de nickel d'une épaisseur de 6 microns est déposée. Les échantillons présentent un fini poli lorsqu'ils sont sortis du bain et sont nettoyés. Ces écnantilSons sont ensuite laminés à froid avec précision jusqu'à une épaisseur de 0,25 millimètres, après quoi ils présentent un fini de miroir. L'examen visuel et microscopique montre que le fini consiste en une pellicule continue de nickel ne contenant aucune crevasse, rupture ou écaille. Le tableau I ci-après indique les propriétés physiques de la matière produite, comparées avec l'acier inoxydable du type 404. TARLEAU I Matière Epaisseur du placage Conductibilité électrique # # # 1 #/cm Inox 404 0,0198 404+Cu+Ni lKlcu + 28Ni 0,0257 Il ressort de façon évidente de ce tableau que la couche de cuivre et la couche de nickel qui sont déposées sur l'acier inoxydable du type 404 améliorent nettement la conductibilité électrique de l'échantillon. La couche de nickel possède toutes les caractéristiques du nickel pur en ce qui concerne son affinité pour ltor, l'argent, la soudure, les matières plastiques, et les céramiques. La bande composite possède pratiquement les mêmes caractéristiques de dilatation thermique que l'acier inoxydable 404, ctest-à-dire que sa dilatation thermique est nettement inférieure à celle du nickel. Quand la bande est poinçonnée et gravée au moyen des appareils et des techniques classiques, avec les matières d'attaque habituelles, les cadres de connexion qui sont réalisés sont très corrects en ce qui concerne ltadKérence du placage et leurs dimensions sont exactes, de même que les cadres réalisés selon les mêmes procédés, avec les matières habituelles. Exemple 2 L'acier inoxydable du type 404 est laminé et préparé avec un voile de nickel et une couche de cuivre, comme dans ltexem- ple 1. L'acier inoxydable revêtu de cuivre est ensuite plongé dans un bain qui contient 183,6 grammes par litre de Sn(BF4)2, 74 grammes par litre d'étain métallique, 68,5 grammes par litre de HBF4, 22,6 grammes par litre de H3B03 et 5,5 grammes par litre de gélatine. L'étain métallique est en forme d'une poudre. L'acier inoxydable revêtu de cuivre est connecté en cathode et une anode d'étain pur est utilisée. Le bain est maintenu à 24 C et un courant de 17 mA par cm2 de surface de cathode circule dans le bain pendant 10 minutes, ce qui produit une couche d'étain d'une épaisseur de 2,7 microns. Le placage d'étain adhère bien. La bande composite est laminée à froid sous une épaisseur de 0,27 mm et après laminage, une couche continue d'étain d'une épaisseur de 2,7 microns constitue la couche extérieure de la bande. La bande composite possède les propriétés superficielles de étain, particulièrement une excellente soudabilité et une excellente résistance à la-corrosion. Quand la bande composite est poinçonnée et gravée avec les matières et selon les procédés classiques, les cadres de connexion produits possèdent d'excellentes propriétés et des dimensions exactes. Le: procédé selon l'invention peut être amélioré en ajoutant des additifs de brillantage et de nivellement dans les bain de placage de cuivre . Ces additifs donnent une couche de cuivre d'épaisseur uniforme et évitent ainsi la pénétration du cuivre dans le revêtement final de nickel ou d'étain pendant l'opération de laminage à froid. L'utilisation de ces additifs est particulièrement indiquée quand des couches de cuivre plus épaisses sont déposées. Les propriétés mécaniques de la bande composite peuvent être déterminées par l'importance du laminage à froid. De pré- férence, ce laminage réduit l'épaisseur d'environ 30%, mais des réductions d'épaisseur entre 40% et 60% donnent une matière qui convient. Avec une réduction d'épaisseur de cet ordre, les~ couches extérieures de nickel ou d'étain ont une épaisseur d'au moins 1 micron, après le laminage à froid. La couche de cuivre doit être suffisamment épaisse-pour augmenter la conduc tibilité électrique et la conductibilité thermique du composite jusqu'à la valeur voulue. L'épaisseur du cuivre doit entre au moins 1 micron et de préférence entre 8 et 12 microns dans le produit final. Bien entendu, diverses modifications peuvent entre apportées Far l'homme de l'art au procédé qui vient entre décrit à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de l'inventlon. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'une matière en bande qui convient pour réaliser des cadres de connexion, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à produire une bande d'acier inoxydable ferritique dont l'épaisseur n'est pas supérieure à 1,25 mm, à recouvrir toutes les faces de ladite bande avec une couche de cuivre suffisamment épaisse pour qu'il en résulte une couche de cuivre d'une épaisseur d'au moins un micron après laminage à froid, à recouvrir toutes les faces dudit revêtement de cuivre avec une couche d'un métal choisi entre le nickel et étain, sous une épaisseur suffisante pour qutil en résulte une couche d'une épaisseur d'au moins 1 micron après laminage à froid, et à laminer à froid la bande composite résultante de manière à réduire son épaisseur au-dessous de 0,75 mm. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal est du nickel. 3 ~ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal est de l'étain. 4 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite couche de cuivre est suffisamment épaisse pour qu'il en résulte une couche de cuivre d'une épaisseur comprise entre 8 et 15 microns après laminage à froid. 5 - Bande de métal composite, caractérisée en ce qu'elle comporte un support d'acier inoxydable ferritique, une couche intérieure continue de cuivre en contact avec ledit support d'acier inoxydable ferritique, une couche continue d'un métal choisi entre le nickel et l'étain, en contact avec ladite couche de cuivre, ladite bande composite possédant des propriétés r4- sultant d'une réduction d'épaisseur à froid de 40% à 60%, Jus qutà une épaisseur d'au plus 0,75 mm, avec une surface extérieure dense, polie et continue d'un métal choisi entre le nickel et l'étain. 6 - Bande composite selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite couche extérieure est une couche de nickel d'une épaisseur d'au moins 1 micron. 7 - Bande composite selon la revendication 5, caractéri ée en ce que ladite couche extérieure est une couche d'étain d'une épaisseur d'au moins t micron. 8 - Bande composite selon la revendication 52 caractéri- sée en ce que l'épaisseur de ladite couche intérieure est au moins 1 micron. 9 - Bande composite selon la revendication 8, caractéri sée en ce que l'épaisseur de ladite couche intérieure est comprise entre environ 8 microns et environ 15 microns.