Brevet FR2461361A1 — publié le 19810130

1. La présente invention concerne un bloc de puces de circuits intégrés pour circuits logiques destiné à être uti- lisé dans un système de traitement de l'information et dans un système de télécommunication. On s'est penché avec beaucoup d'intérêt sur la mi- se au point de blocs de puces de circuits intégrés pour cir- cuits logiques de façon à obtenir des dispositifs plus rapi- des pouvant être utilisés dans de nombreux domaines, en par- ticulier, dans les systèmes de traitement de l'information. Il en est résulté la mise en service d'un bloc de puces de circuits intégrés comportant une pluralité de puces de cir- cuits intégrés qui sont placées sur un substrat à structure multicouche. A titre d'exemple d'un tel bloc de puces de cir- cuits intégrés, on peut se reporter à un article de Anthony Durniak paru dans Electronics (Référence 1) et ayant pour titre: "IBM has a message: the 4300" on pp. 85 - 86,N0 du 15 février 1979, ainsi qu'à la figure 3 de la demande de brevet japonais n0 8096/1980 (correspondant à la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 920.914 du 30 juin 1978 (Référence 2). Chacun de ces blocs de puces de circuits inté- grés classiques comprend une pluralité de puces qui sont mon- tées sur un substrat à structure multicouche et une plurali- té de bornes d'entrée/sortie destinées à être raccordées ex- térieurement et qui sont prévues à l'arrière du substrat. Ce- 2. pendant, dans un tel bloc, une pluralité de lignes de si- gnaux doivent pénétrer le substrat pour pouvoir être raccor- dées aux puces et aux bornes, ce qui se traduit par une structure compliquée et une méthode de fabrication comple- xe. De plus, comme il est difficile d'adopter une structure qui permette à la chaleur dégagée par les puces d'être dis- sipée vers l'arrière du substrat du bloc, un mécanisme de refroidissement doit être monté pour dissiper la chaleur provenant de la surface supérieure du substrat. Il en.ré- sulte qu'une dissipation suffisante de chaleur ne peut être obtenue dans les blocs classiques de circuits intégrés. Un objet de la présente invention est de prévoir un bloc de circuits intégrés qui soit exempt des inconvé- nients exposés ci-dessus. Selon l'un des aspects de la présente invention, on prévoit un bloc de circuits intégrés comprenant: un subs- trat; une pluralité de puces de circuits intégrés, chaque puce comportant une pluralité de bornes sur sa surface supé- rieure, et cela sur la surface du substrat; au moins un couvercle sur la surface du substrat, ayant une section en forme de crothet-carré de façon à recouvrir au moins l'une des puces; une pluralité de bornes extérieures formées sur la surface supérieure du couvercle; une pluralité de premières lignes de signaux connectées électriquement à cha- cune des bornes extérieures et placées indépendamment sur la surface supérieure et les côtés du couvercle; et une plu- ralité de secondes lignes de signaux pour connecter électri- quement chaque borne de la pluralité de bornes prévues sur chacune des surfaces supérieures des puces à chacune des premières lignes de signaux. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lesquels La figure 1 représente un bloc classique de circuits intégrés décrit dans les articles ayant pour références 1 et 2; Les figures 2A à 2G représentent un mode particulier 3. de réalisation de la présente invention; et La figure 3 représente un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans les figures, les mêmes numéros de référence représentent les mêmes éléments de structure. En liaison avec la figure 1, un bloc classique de circuits intégrés comprend une pluralité de puces 14 qui sont montées sur un substrat en céramique 11, une structu- re multicouche et une pluralité de broches de connexion 13 étant prévues sur la surface arrière du substrat. Le subs- trat 11 avec la structure multicouche comprend deux couches isolantes et une couche conductrice insérée entre les cou- ches isolantes. Toutes les broches 13 sont placées à l'in- térieur d'une surface de 10 x 10 cm égale à la totalité de la surface arrière du substrat et suivant des interval- les de 2,54 mm, de sorte qu'un total de 40 x 40 = 1.600 bro- ches peut être obtenu à l'arrière du bloc. Cependant, ce bloc présente une structure de câblage. nécessitant une mé- thode de fabrication très compliquée. En liaison avec la figure 2A, un mode particulier de réalisation de la présente invention comprend un substrat en alumine-céramique 21 avec une structure multicouche sem- blable à celle du substrat 11 de la figure 1; une plurali- té de puces 24 montées sur le substrat 21, chaque puce ayant une surface comprise entre 3 x 3 mm2 et 5 x 5 mm 2 une pluralité de couvercles en alumine-céramique 22, ayant chacun une surface de 13 x 13 mm, et une pluralité de bro- ches extérieures de connexion 23 formées dans le couvercle et constituées de nickel, cobalt et fer. Les broches 23 sont connectées électriquement aux lignes de signaux 26 (figure 2E) formées dans le substrat 21 par l'intermédiaire de lignes de signaux 25 (voir figure 2D) formées sur la surface supérieure de chaque couvercle 22. Vingt-quatre broches 23 sont prévues sur chacun des couver- cles 22. Le nombre de couvercles 22 peut ne pas dépasser un. La figure 2B représente une vue en coupe prise le long de la ligne A-A' de la figure 2A. Comme représenté,les 4. broches 23 de chacun des couvercles 22 peuvent être placées de manière sensiblement uniforme sur la surface du substrat 21. La chaleur dégagée par chacune des puces 24 peut être dissipée vers l'arrière du substrat 21 en utilisant des ra- diateurs en aluminium ou en cuivre 40 pour refroidir l'air. En liaison avec la figure 2C, un autre moyen de refroidissement comporte un ensemble échangeur de chaleur-en aluminium ou en cuivre pour refroidir un liquide, de façon à permettre au liquide refroidi de circuler dans le sens des flèches. Le liquide circule à l'intérieur de l'ensemble, ce qui permet de dissiper la chaleur-provenant des puces 24 vers l'arrière du substrat 21. En liaison maintenant avec la figure 2D, les li- gnes de signaux 25 de chaque couvercle 22 comprennent du molybdène ou du tungstène, et sont formées en utilisant une technique d'impression. Chaque ligne 25 est connectée élec- triquement aux broches 23 et aux lignes de signaux 26. Chaque couvercle 22 est monté sur le substrat 21 par soudage ou par placage, de sorte que peuvent être ef- fectuées la connexion des lignes de signaux 25 et des lignes 26, ainsi que la.protection des puces. En liaison avec les figures 2E et 2F, s'agissant de la connexion électrique du couvercle 22 et du substrat 21, la broche 23A du couvercle 22 est connectée à la puce 24 par l'intermédiaire de la ligne de signaux 25 du cou- vercle 22 et de la ligne de signaux 26. La puce 24 est d'autre part reliée à la broche de connexion extérieure 23B de l'autre couvercle 22 par des lignes de signaux 42 du substrat 21. Les broches restantes du couvercle 22 sont connectées également aux puces (non représentées) recou- vertes par l'autre couvercle 22. Le schéma de câblage du substrat 21 est formé par intégration d'un film isolant épais et d'un film métallique fin en faisant appel à la technique de la pulvérisation,du placage ou de la méthode par atta- que chimique. En liaison avec la figure 2G, un autre exemple de couvercle 22 comporte un trou 27 sur sa surface supérieure. 5. Le couvercle 22 peut être lavé par le trou 27 après montage sur le substrat 21.De plus, un matériau, tel qu'une résine, peut être bourré dans le trou de façon à protéger la puce. En général, le nombre de broches est fonction du nombre de circuits réellement prévus sur le substrat. Comme décrit dans un article intitulé: "On a Pin Versus Block Relationship For Partitions of Logic Graphs", IEEE TRANSAC- TIONS ON COMPUTERS, Vol. C-20, no 12, pp. 1469-1479, Decem- ber issue, 1971 (Reference 3), la relation précédente est considérée comme suivant sensiblement la règle empirique appelée Règle de Rent P = KBr (1) o P est le nombre de broches requises, K une constante, B le nombre de circuits prévus sur le substrat, r une constante, représentant généralement une valeur comprise entre 0,57 et 0,75. Si on suppose maintenant que le nombre de broches et de circuits utilisés pour chaque puce est le même, on a la formule (2) suivante: K(nNB)r P IC T N nKB r ___ __ (2) (nN) I-r o PT est le nombre de broches requis par couvercle, PIC le nombre de broches prévues sur une puce, BIC le nombre de circuits par puce, n le nombre de puces recouvertes par un couvercle, et N le nombre de couvercles prévus sur le subs- trat. D'autre part, le nombre total PAT de broches pré- vues sur des puces devant être recouvertes par un couvercle est donné par la formule suivante nP =nKB r (3) Ic Ic Par conséquent, le nombre PT de broches par couver- cle est égal à l/(nN)I-r fois le nombre PAT* 6. C'est-à-dire que l/(nN)Ir = 1/36'4 = 1/4,2 o n = 4, N = 9, r = 0,6. Ce qui indique que le nombre de broches nécessai- res est très faible dans la présente invention. En liaison maintenant avec la figure 3, le second mode de réalisation de la présente invention comprend un sub- strat alumine-céramique 31 avec une structure multicouche semblable à celle du substrat 21 de la figure 2, une plurali- té de puces 34 montées sur le substrat 31, et une pluralité de cosses de borne 33 qui sont prévues sur une surface des couvercles plans 32. Les cosses 33 sont électriquement in- terconnectées avec les circuits prévus sur le substrat 31, et cela sans utilisation des quatre côtés du couvercle comme dans le cas du premier mode de réalisation, mais sur les deux côtés de chaque cosse 33. En d'autres termes, les cosses 33 sont connectées au substrat 31 par l'intermédiaire des con- ducteurs 37 prévus précédemment en ces endroits. Les substrats 21 et 31 utilisés dans les modes de réalisation de la présente invention peuvent être constitués d'une seule couche conductrice. Comme indiqué précédemment, un bloc de puces de circuits intégrés selon la présente invention permet une dis- sipation importante de chaleur sans diminution de la surface d'intégration des puces sur le substrat et avec formation de nombreuses bornes extérieures reliées aux puces par un câbla- ge de courte longueur. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples 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. 7. REVENDICATIONS 1 - Bloc de puces de circuits intégrés pour cir- cuits logiques, caractérisé en ce qu'il comprend - un substrat (21, 31); une pluralité de puces (24, 34) de circuits in- tégrés montées sur la surface du substrat; - au moins un couvercle (22, 32) prévu sur la sur- face du substrat et ayant une section finale en forme de crochet carré de façon à recouvrir au moins l'une de ces lo puces; - une pluralité de bornes extérieures (23, 33) formées sur la surface supérieure du couvercle; - une pluralité de premières lignes de signaux (25) connectées électriquement à chacune des bornes extérieures et positionnées de façon indépendante sur le couvercle; et - une pluralité de secondes lignes de signaux (26) pour connecter électriquement la pluralité de bornes pré- vues sur chacune des surfaces supérieures des puces avec chaque ligne des premières lignes de signaux. 2 - Bloc de puces de circuits intégrés pour cir- cuits logiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des radiateurs (40) pour le refroi- dissement d'air qui sont prévus à l'arrière du substrat. 3 - Bloc de puces de circuits intégrés pour cir- cuits logiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un échangeur de chaleur-(41) per- mettant le refroidissement d'un liquide, qui est prévu à l'arrière du substrat. 4 - Bloc de puces de circuits intégrés pour cir- cuits logiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (21, 31) comporte une structure multicouche qui est composée de deux couches isolantes et d'une couche conductrice insérée entre les couches isolantes, les couches conductrices formant les secondes lignes de signaux. 5 - Bloc de puces de circuits intégrés pour cir- cuits logiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un trou (27) percé dans la surface 8. supérieure du couvercle. 6 - Bloc de puces de circuits intégrés pour cir- cuits logiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bornes extérieures sont du type à broche (23). 7 - Bloc de puces de circuits intégrés pour cir- cuits logiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bornes extérieures sont du type à cosse (33).