Brevet FR2527036A1 — publié le 19831118

"PROCEDE POUR CONNECTER UN SEMICONDUCTEUR A DES ELEMENTS D'UN SUPPORT, NOTAMMENT D'UNE CARTE PORTATIVE" L'invention concerne un procédé pour réaliser une connexion électrique entre des métalisations d'une pastille de circuit à semiconducteur et des pistes conductrices, éven- tuellement métalliques, portées par une face d'un support mince, selon lequel on réalise dans le support mince des trous avec une configuration correspondant à celle des métallisa- tions sur la pastille. Le procédé selon l'invention s'applique avantageuse- ment à la réalisation d'une carte portative contenant un cir- cuit à semiconducteur, notamment une carte de paiement ou une carte d'identité, offrant des éléments conducteurs plats, constitués d'une pâte conductrice, reliés aux bornes du cir- cuit à semiconducteur pour permettre une connexion électrique avec un organe extérieur, et dans le matériau de laquelle on inclut directement le circuit à semiconducteur sous forme d'une pastille semiconductrice dont les bornes sont consti- tuées par des métallisations. Les supports minces utilisés dans l'invention sont employés dans l'industrie électronique pour reporter une pastille de semiconducteur sur un circuit électronique com- plexe, en assurant la tenue mécanique en même temps que l'in- terconnexion électrique de la pastille. Par les mots "pastille de circuit à semiconducteur" ou sous forme abrégée "pastille semiconductrice", on entend ici un des éléments obtenus par découpe des tranches de matériau semiconducteur, sur lesquelles ont été réalisés des circuits intégrés (ces éléments sont couramment désignés dans le jargon de l'homme du métier sous l'appellation de "puces")% Un article paru dans "Electronics" du 25 décembre 1975, intitulé 'Special Report = film carriers star in -2- high-volume IC production" décrit en particulier le mon- tage provisoire de pastilles sur des films souples Des rubans métalliques conducteurs sont d'abord réalisés sur ces films; ces rubans s'avancent en porte à faux dans une ouverture du film, et sont connectés avec les métallisations d'entrée-sortie des pastilles Ce procédé de montage, dé- nommé en anglais "tape automated bonding" permet de doter la pastille de pattes métalliques, cet ensemble étant séparé du film pour être monté sur le circuit électronique Ce procédé nécessite la réalisation préalable de surépaisseurs métalliques sur les métallisations de la pastille, afin d'éviter des court-circuits entre les pattes métalliques et les bords de la pastille La réalisation de ces sur- épaisseurs nécessite des étapes additionnelles coûteuses lors de la réalisation des tranches de circuits intégrés. Une solution pour éviter l'emploi de ces suripaisseurs consiste à utiliser un film que l'on conserve dans le pro- duit fini, et qui procure un isolement vis-à-vis des bords de la pastille de par sa situation entre le ruban ou piste conductrice situé sur une des faces, et la pastille située de l'autre côté Une telle solution est décrite par la demande de brevet français N O 2382 101, et est particulière- ment éclairée par sa figure 3 Elle utilise un support mince ( 5) dont les pistes conductrices ( 4) sont connectées par des trousmétallisés ( 6) à d'autres pistes conductrices situées sur l'autre face, elles mêmes soudées aux métallisations ( 3) de la pastille ( 2) - Cette solution, excellente au demeurant sur le plan technique, est toutefois coûteuse à cause de l'utilisation de deux faces métallisées, nécessitant deux étape de gravure, et la réalisation de trous métallisés. Le but essentiel de la présente invention est de pro- curer un procédé selon lequel des dispositifs de qualité peuventêtre obtenus pour un prix de revient extrêmement bas. Du fait de ce bas prix de revient, le procédé peut être -3- appliqué à la réalisation de dispositifs à grande diffusion tels que des cartes portatives, du genre carte de paiement ou carte d'identité Il peut aussi être appliqué à des sup- ports de montage de circuits intégrés utilisables dans des ensembles économiques, et plus particulièrement quand un en- combrement réduit est requis, comme par exemple dans les montres ou les calculatrices de poche. Le concept inventif général de l'invention résulte de l'idée qu'il est possible d'établir un contact électrique entre une métallisation de la pastille et une piste conduc- trice située sur l'autre face du support mince, en remplis- sant le trou avec une pête conductrice qui déborde sur la piste conductrice Du côté de la pastille, au contraire, la pâte ne peut déborder du trou puisque la pastille est appli- quée contre le support Ceci est un des avantages notables de l'invention par rapport à certaines solutions classiques, telles que le report de pastilles "face en dessous", avec contacts collés Ainsi un procédé selon l'invention est no- tamment remarquable en ce que les pistes conductrices étant disposés, defaçon à comporter des portions en bordure des dits trous, et la seconde face du support mince opposée à celle qui porte les métallisations étant entièrement isolan- te, on place la pastille sur cette seconde face avec ses métallisations tournées vers cette seconde face et en cor- respondance avec lesdits trous, et en ce qu'on dépose, à partir de la première face, une matière conductrice dans les trous en la faisant déborder latéralement sur les pistes con- ductrices. L'avantage de cette solution est qu'elle part d'un sup- port qui ne comporte des métallisations que d'un côté, et qui est donc courant et bon marché, en permettant pourtant une isolation entre les pistes conductrices et le bord de la pas- tille, et sans nécessiter-la formation de surépaisseurs. En allant plus loin dans cette voie, on peut en outre réaliser lesdites pistes conductrices avec la même matière 2527036 i -4- conductrice que celle déposée dans les trous, et en une seule opération. Ainsi dans une variante encore plus économique, le pro- cédé selon l'invention est notamment remarquable en ce que partant d'un support entièrement isolant,on place la pastille sur une face du support avec ses métallisations tournées vers cette face et en correspondance avec lesdits trous, et en ce qu'on constitue alors les pistes sur l'autre face au moyen d'une p&te conductrice, en leur donnant une configuration telle que des portions de pistes recouvrent les trous afin que la pâte y pénètre, venant ainsi en contact avec les mé- tallisations de la pastille. Ce procédé est d'une simplicité idéale, et peut s'ap- pliquer à un support non métallisé au préalable Il est donc particulièrement économique. Il est connu de réaliser une carte électronique en y incorporant un petit sous-ensemble plat muni de pistes con- ductrices et assurant la tenue et les connexions électriques d'une pastille de semiconducteur; ledit sous-ensemble étant muni en outre d'éléments conducteurs plats connectés auxdites pistes, on laisse apparaitre ces éléments conducteurs plats, servant de plages de contact, par des orifices de la carte. Le petit sous-ensemble en question est alors avanta- geusement réalisé selon le procédé de l'invention. Le procédé selon l'invention est utilisé d'une manière également avantageuse pour réaliser une carte portative offrant des éléments conducteurs plats reliés aux bornes d'un circuit à semiconducteur inclus directement sous forme de pastille dans le matériau de la carte, et est alors notamment remarquable en ce qu'on place ladite pastille très près d'une face de la carte avec ses métallisations tournées vers ladite face, -en constituant ainsi une paroi mince en face de la pas- tille, en ce qu'on ménage des trous dans cette paroi mince, en regard des métallisations de la pastille, et en ce qu'en- fin, en même temps que l'on constitue les susdits éléments -5- conducteurs plats, on fait s'étendre la pâte conductrice depuis chaque élément conducteur jusquà la métalisation affé- rente de la pastille, en la faisant pénétrer dans les trous. Avec ce procédé, la carte constitue par elle même le susdit "support mince", ce qui procure une simplicité de cons- truction remarquable et un prix de revient particulièrement bas. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés décrivant des exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente une coupe d'un support mince, sous lequel on a placé une pastille de circuit à semiconduc- teur, avant le dépôt de matière conductrice. La figure 2 représente une coupe du même dispositif que la figure 1, mais après le dépôt de matière conductrice. La figure 3 représente deux fragments de pastille se- miconductrice portant chacun une portion de fil métallique. La figure 4 représente en coupe un dispositif analo- gue à celui de la figure 2, obtenu par une variante du pro- cédé selon l'invention. La figure 5 représente en coupe une carte portative obtenue par le procédé selon l'invention. Les figures 6 et 7 représentent en perspective des exemples de dispositifs obtenus par le procédé selon l'in- vention. La figure 1 représente une pastille de circuit à se- miconducteur 5, munie de métallisations 3,et un support mince 2 muni de pistes conductrices métalliques 1 portées par une première face 8 de ce support mince Dans ce support sont réalisés des trous 4 avec une configuration correspondant à celle des métallisation 3 sur la pastille. Les trous dans le support sont disposés de telle façon qu'en appliquant la pastille contre le support avec un posi- tionnement adéquat, on ait un trou du support en face de chaque métallisation de la pastille. 2527036 1 -6- les pistes conductrices 1 sont disposées de façon à com- porter des portions en bordure des trous De préférence ces portions en bordure des trous sont constitués par des anneaux entourant les trous, appelés habituellemnt lunules. Le support et les pistes sont constitués avantageusement par un classique circuit imprimé mince, dit "simple face", sur lequel on monte un grand nombre de pastilles, et que l'on découpe en petits morceaux contenant chacun soit une pasti'- le, soit plusieurs pastilles interconnectées. Le support peut également être constitué par un film en forme de ruban éventuellement muni de trous de position- nement, et portant des pistes métalliques déposées sur une de ses faces Ce film, muni de pastilles par le procédé de l'invention, et enroulé sur une bobine, est utilisé dans une machine qui le découpe et reporte sur des circuits électro- niques des portions de film munies chacune d'une pastille. Afin d'assurer une mise en oeuvre efficace du procédé selon l'invention, il importe que certaines proportions dimensionnelles soient respectées En particulier il convient que l'épaisseur H du support soit relativement faible devant la dimension des trous, celle ci étant du même ordre de gran- deur que celle des métallisations, et de préférence plus faible. En utilisant une technologie classique de circuit im- primé pour réaliser le support 2, par exemple en verre époxy, on est capable, d'une façon courante, de réaliser des trous ronds de diamètre B = 0,4 mm L'épaisseur H étant égale, par exemple, à 0,1 mm, on a ainsi un trou quatre fois plus large que sa profondeur. Les métallisations 3 de la pastille sont de préférence un peu plus grandes Par exemple elles pourront avoir une largeur A de 0,5 mm Ceci est une dimension notablement plus grande qu'il est d'usage en matière de circuits intégrés Il faut bien voir que l'invention s'applique de préférence à des circuits intégrés présentant une grande complexité mais com- -7- portant malgré cela un nombre réduit de métallisations d'en- trée/sortié C'est le cas par exemple des circuits utlisés pour les cartes de paiement, qui offrent des fonctions logi- ques multiples et complexes, et ne comportent que huit, ou même seulement six bornes Supposons par exemple qu'une pas- tille portant un tel circuit ait une surface de 15 mm 2, avec six métallisations de 0,1 mm x 0,1 mm Si on porte à Es 0,5 x 0,5 mm la dimension de ses métallisations, on accroit de 1,44 mm 2 la surface, soit à peine 10 % de la surface totale de la pastille On accroit d'à pou près autant le prix d'une pastille, mais le gain réalisé grâce à la simplification du montage est supérieur à l'augmentation de prix de la pastille, et finalement le produit revient moins cher. Il est possible également de réaliser des trous plus petits, grâce à l'emploi d'un laser Pour garder cependant une tolérance de positionnement raisonnable, ainsi qu'un rap- port B/H suffisant, il est toujours avantageux, là encore, d'utiliser des métallisations un peu plus grandes qu'il est d'usage On pourra par exemple réaliser des trous B = 0,2 mm, et utiliser des métallisations avec A = 0,3 mm, l'épaisseur H étant toujours de 0,1 mm Dans l'exemple ci-dessus, cela cor- respondrait à une augmentation de surface de la pastille de seulement 3,2 %. A partir d'un tel support et d'une telle pastille, et la seconde face 7 du support mince, opposée à celle 8 qui porte les métallisations, étant entièrement isolante, on pla- ce la pastille 5 sur cette seconde face 7 avec ses métallisa- tions 3 tournées vers cette seconde face et en correspondance avec les trous 4, et,ainsi que le représente la figure 2, on dépose à partir de la première face 8, une matière conductrice 6 dans les trous en la faisant déborder latéralement sur les pistes conductrices 1. Cette matière conductrice l est avantageusement une soudure tendre que l'on met en place par immersion du support dans un bain de soudure en fusion, ou par passage sur une vague de soudure en fusion. 8- L'avantage de cette méthode est dans la simplicité de sa mise en oeuvre, et dans la solidité du produit obtenu. La pastille 5 a été préalablement fixée à sa place par exemple par une goutte de colle isolante déposée entre la face 7 et la pastille, en dehors des métallisations Ces dernières sont de préférence recouvertes d'une couche de nickel ou d'une couche d'or afin d'assurer la soudabilité avec la soudure tendre Bien entendu on y aura préalablement déposé éventuellement d'autres couches intermédiaires d'ac- crochage selon les règles de l'art connu. La susdite matière conductrice peut aussi être une pâ- te conductrice polymérisable du commerce. L'avantage d'une telle solution est qu'elle met en oeuvre des températures plus faibles que celles utilisées pour une soudure Certaines colles a deux composants peuvent même polymériser à froid Ceci autorise le choix, pour le support 2, de matériaux que l'usage de soudure interdirait. Cette pâte est alors amenée de préférence en utilisant un écran ou un pochoir et une raclette L'écran est par exem- ple constitué d'un tissu recouvert d'un enduit photogravé, dans un procédé bien connu appelle sérigraphie Dans ce cas la pastille et le support sont maintenus en place pendant le dépôt de la pâte par un moyen mécanique connu, par exemple une plaque munie de trous et une aspiration, à la suite de quoi 2 & la viscosité et l'adhérence de la pâte sont suffisants pour maintenir la pastille pendant les manipulations subséquentes, jusqu'à ce qu'on ait assuré la polymérisation de la pâte, par exemple par chauffage dans un four. Dans ce cas, les métallisations de la pastille sont de préférence constituées d'un empilage titane/platine/or qui donne de bons résultats avec la plupart des pâtes conductri- ces du commerce. Dans les deux cas, à savoir l'usage de soudure ou l'usage de pâte, la pastille peut aussi être maintenue grâce à une caled'épaisseur égale à, ou légèrement plus faible que celle de la pastille 5. -9- Une paroi non représentée est fixée à la face intérieure du dispositif et maintient la pastille en place, au moins pendant le dépôt et éventuellement la polymérisation de la matière conductrice 6 Cette paroi peut par exemple être faite d'un ruban adhésif. Le positionnement relatif de la pastille 5 par rapport aux trous du support 2 ne réclame pas autant de précision que pour un cablage classique par fil sur machine automatique, ceci pour deux raisons: d'une part la dimension plus grande des métallisations et d'autre part le fait qu'un décalage latéral est tolérable même si les trous 4 débouchent un peu à côté des métallisations 3, car les pastilles sont habituel- lement recouvertes d'une couche isolante de passivation qui empêche la matière conductrice 6 de faire contact avec d'au- tres conducteurs que les métallisations 3 Si au moins une partie du trou est en face d'au moins une partie de métalli- sation, cela est suffisant Bien entendu, il faut que les métallisations soient assez éloignées l'une de l'autre pour que le décalage ne risque pas de porter une partie de trou au dessus d'une métallisation qui ne lui correspond pas l La cale 7 peut être collée sur le support 2, par exem- ple selon un procédé connu de pressage des circuits imprimés multicouches. Au lieu d'un support mince plat 2 et d'une cale 7 on peut aussi utiliser, ainsi que le représente la figure 4, un support d'un seul tenant 2 dans lequel on creuse un évi- dement pour loger la pastille 5 Cet évidement ne débouche pas et laisse une paroi 20, constituant le support mince pro- prement dit Ce support est meilleur marché que celui de la figure 2 car il n'utilise su'une seule feuille et on évite un pressage. En perfectionnant encore l'idée de l'invention, on utilise un support entièrement isolant, tel que représenté en 2 sur la figure 4, on place la pastille 5 sur une face 7 de ce support, avec ses métallisations 3 tournées vers cette face et en correspondance avec les trous 4, et en constitue - alors les pistes 9 sur l'autre face au moyen d'une pâte con- ductrice, en leur donnant une configuration telle que des portions de pistes recouvrent les trous 4 afin que la pâte y pénètre, venant ainsi en contact avec les métallisations 3 de la pastille Ces pistes 9 sont de préférence déposées au moyen d'une sérigraphie. Bien entendu c'est tout à fait par hasard quel'on a représenté la piste 9 sur un support d'une seule pièce 2, alors que sur la figure 2 on a représenté une piste préexis- tante 1 sur un support 2, 7 constitué de deux feuilles super- posées Il va de soi que chacun des deux types de support peut être utilisé indifféremment avec chacun des types de pistes concuctrices. La figure 3 représente des portions de pastille 5 avec des métallisations 3 Sur chaque métallisation on a soudé, avant la découpe des tranches de matériau semiconducteur fournissant les pastilles, une portion de fil métallique A gauche de la figure, un fil 12 a ôté soudé en deux points voisins sur la mnéme métallisation en formant ainsi une sorte d'anse de panier qui airtéliore l'accrochage ultérieur de la soudure ou de la colle A droite de la figure un fil a été soudé en formant une boule,et ilmmédiatement coupé au ras de cette boule Ceci facilite aussi l'accrochage du matériau conducteur à la métallisation Il faut bien voir cependant, que ces dispositions seulement destinées à obtenir un meilleur rendement et une meilleure fiabilité, ne sont pas indispen- sable pour la mise en oeuvre de l'invention. Dans le cas ou le produit à réaliser est une carte élec- tronique portative,ainsi qu'il a été indiqué en préambuleon peut avantageusement, au lieu d'inclure un support dans la carte, réaliser celle ci de telle façon'qu'elle cohstitue elle même directement le support de la pastille de circuit intégré. Une telle carte offre des éléments conducteurs plats ( 10,ftgure 7) qui servent à établir des contacts électriques avec un appareil au moyen duquel-la carte est exploitée. 2527036 ' -11- Ces éléments conducteurs plats peuvent être réalisés au moyen d'une pâte conductrice, et doivent être réunis aux bornes du circuit à semiconducteur inclus directement dans la carte. La figure 5 représente des feuilles empilées 21, 22, 23, 24 Les feuilles centrales 22, 23 ont une épaisseur sen- siblement égale à celle de la pastille 5 Les deux couches externes 21 et 24 permettent d'enfermer la pastille 5 dans l'ensemble Une fois cet empilage pressé à -chaud avec la pas- tille 5 à l'intérieur, celle ci se trouve placée très près d'une face de la carte, ici la face supérieure,avec ses mé- tallisations 3 tournées vers ladite face On a donc cons- titué une paroi mince 20 en face de la pastille On a ménagé des trous 4 dans cette paroi mince, préalablement au pressa- ge de l'empilage, et placé la feuille 21 de telle façon que ces trous soient en regard des métallisations 3 de la pas- tille Les feuilles 21 à 24 constituant la carte peuvent être en chlorure de polyvinyle dit PVC, et pressées selon la tech- nique habituelle de fabrication des cartes portatives à pistes magnétiques Elles peuvent aussi être en laminé de fibre de verre et époxy, telles qu'on en utilise pour réaliser les circuits imprimés-multicouches, et pressées selon la techni- que connue de ces circuits On peut aussi réaliser l'ensem- ble correspondant aux feuilles 21,22,23 d'un seul tenant, par exemple en le moulant avec une des nombreuses matières sus- ceptibles d'être moulées par transfert Les trous 4 viendront alors de moulage La pastille 5 sera alors mise en place, par exemple collée sur la feuille 24, et celle ci à son tour collée sur l'ensemble 21, 22, 23. Une fois constitué l'ensemble avec la pastille à l'in- térieur, on constitue les susdits éléments conducteurs plats par ségraphie d'une p Ate conductrice à basse température de polymérisation, et en même temps que l'on constitue ces élé- ments, on fait s'étendre la pâte conductrice depuis chaque élément jusqu'à la métallisation afférente de la pastille, en la faisant pénétrer dans les trous: ainsi le dessin des con- ducteurs formés au moyen de sérigraphie est tel qu'un motif unique constitue un susdit élément conducteur plat et une -12- piste conductrice le reliant à la pastille de circuit inté- gré, et que chaque piste recouvre un trou de façon que sa matière y pénètre et fasse contact avec une métallisation de la pastille. Une feuille protectrice 11 peut enfin être collée sur l'empilage pour protéger les pistes 9 et les éléments conducteurs plats Bien entendu, des orifices sont prévus dans cette feuille il pour donner accès aux conducteurs plats. La figure 6 représente un support de circuit intégré réalisé selon le procédé de l'invention et destiné à être utilisé dans un sous-ensemble électronique, ou aussi à être inclus dans une carte portative. La figure 7 qui représente une carte portative cons- tituant directement le support d'une pastille de circuit intégré permet de bien se rendre compte de la configuration des conducteurs Les susdits éléments conducteurs plats sont représentés en 10, les pistes en 9 Cellesci se terminent par des plots arrondis au-dessus de chaque trou pour prendre contact avec la pastille "enterrée" dont la position est indiquée par la flèche 5. Il va de soi que le procédé selon l'invention gagne à être utilisé dans un processus de fabrication dit "en multi- ple", c'est-à-dire qu'on fabrique une plaque ou une bande contenant un grand nombre de dispositifs tels que ceux des figures 6 ou 7, et qu'on découpe tout à fait à la fin les plaques ou les bandes pour obtenir des dispositifs indivi- duels. -13- REVENDICATIONS - 1 Procédé pour réaliser une connexion électrique entre des métallisations ( 3) d'une pastille de circuit à semiconducteur ( 5) et des pistes conductrices métalliques ( 1) portées par une première face ( 8) d'un support mince ( 2) selon lequel on réalise dans le support des trous ( 4) avec une configuration correspondant à celle des métallisa- tions sur la pastille, les pistes conductrices étant dispo- sées de façon à comporter des portions en bordure desdits trous, caractérisé en ce que, la seconde face ( 7) du sup- port mince opposée à celle qui porte les pistes conductrices étant entièrement isolante, on place la pastille ( 5) sur cette seconde face avec ses métallisations tournées vers cette seconde face et en correspondance avec lesdits trous, et en ce qu'on dépose, à partir de la première face, une matière conductrice ( 6) dans les trous en la faisant débor- der latéralement sur les pistes conductrices. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme matière conductrice une soudure ten- dre que l'on met en place par immersion du support dans un bain de soudure en fusion, ou par passage sur une vague de soudure en fusion. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme matière conductrice une pâte conduc- trice polymérisable. 4 Procédé pour réaliser une connexion électrique entre des métallisations d'une pastille ( 5) de circuit à semiconducteur et des pistes conductrices ( 9) portées par une face ( 8) d'un support mince, selon lequel on réalise dans le support mince des trous ( 4) avec une configuration correspondant à celle des métallisations sur la pastille, caractérisé en ce que, partant d'un support entièrement iso- lant, on place la pastille sur une face ( 7) du support avec ses métallisations tournées vers cette face et en correspon- dance avec lesdits trous, et en ce qu'on constitue alors les 2 '; 27036 -14- pistes sur l'autre face ( 8) au moyen d'une pâte conductrice ( 9) en leur donnant une configuration telle que des portions de pistes recouvrent les trous afin que la pâte y pénètre, venant ainsi en contact avec les métallisations de la pas- tille ( 5). Procédé pour réaliser une carte portative conte- nant un circuit à semiconducteur, notamment une carte de paiement ou une carte d'identité, offrant des éléments con- ducteurs plats f 10), constitués d'une pâte conductrice, reliés aux bornes du circuit à semiconducteur pour permettre une connexion électrique avec un organe extérieur, selon lequel-on inclut directement le circuit à semiconducteur dans le matériau de la carte sous forme d'une pastille ( 5) semiconductrice dont les bornes sont constituées par des métallisations, caractérisé en ce qu'on place ladite pastille très près d'une face de la carte avec ses métallisations ( 3) tournées vers ladite face, en constituant ainsi une paroi mince ( 20) en face de la pastille, en ce qu'on ménage des trous dans cette paroi mince, en regard des métallisations de la pastille, et en ce qu'enfin, en même temps que l'on constitue les susdits éléments conducteurs plats, on fait s'étendre la pâte conductrice ( 9) depuis chaque élément con- ducteur jusqu'à la métallisation afférente de la pastille, en en la faisant pénétrer dans les trous. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on soude préalablement sur chaque métallisation de la pastille une portion ( 12, 13) de fil métallique.