Brevet FR2555812A1 — publié le 19850531

1. La présente invention concerne un bloc de puces de circuits intégrés comportant une pluralité de puces de circuits intégrés. Un bloc de puces de circuits intégrés classi- que comportant de multiples puces montées sur un subs- trat est décrit dans la figure 1 du brevet des Etats- Unis d'Amérique n 4 396 936. Dans le bloc 10 ainsi dé- crit, la chaleur dégagée par les puces de circuits in- tégrés 16 est effectivement conduite vers un radiateur 42 par l'intermédiaire d'une pré-forme 14 qui est consti- tuée de fibres de verre et d'un matériau plastique ther- modurcissable, d'oi la dissipation de la chaleur vers l'ambiance. Les conditions de refroidissement de la puce 16 dans une telle structure de l'art antérieursont fonc- tion des propriétés de conduction de la chaleur du matériau plastique. Un problème soulevé par les maté- riaux plastiques thermodurcissables est que leur con- ductibilité thermique est supérieure à une valeur de l'ordre de 0,005 W/pouce.degré centigrade,qui est in- férieure à celle des matériaux minéraux, ce qui ne permet 255581Z 2. pas le montage dans un bloc classique d'un nombre de pu- ces de circuits intégrés produisant une chaleur considé- rable. Par conséquent, la présente invention a pour objet un bloc de puces de circuits intégrés ne souf- frant pas des inconvénients du bloc de l'art antérieur venant d'être mentionnés. Selon un aspect de la présente invention, un bloc de puces de circuits intégrés comprend: un subs- trat, une pluralité de puces de circuits intégrés, cha- que puce étant munie d'une pluralité de fils flexibles sur son corps et connectée électriquement et mécanique- ment au substrat via les fils; une pluralité de plaques rayonnant la chaleur qui sont composées de bons conduc- teurs sur le plan thermique et reliés rigidement aux puces de circuits intégrés suivant un rapport un-sur-un par un premier matériau adhésif présentant une impedan- ce thermique relativement faible; une coiffe rayonnant la chaleur qui est constituée d'un bon conducteur thermi- que afin de recouvrir une surface du substrat servant au montage de puces et maintenue en contact avec les pla- ques rayonnant la chaleur par l'intermédiaire d'un se- cond matériau adhésif ayant une i'pédance thermique rela- tivement faible; un radiateur monté rigidement sur la coiffe rayonnant la chaleurset une pluralité de bor- nes sur une surface du substrat ne servant pas au monta- ge des puces pour l'entrée de signaux dans les puces et la sortie des signaux à partir de celles-ci et la four- niture d'une tension aux puces par une source d'alimen- tation. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins suivants dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'un mode de réalisation de la présente invention; La figure 2 est une vue en perspective, 3. partiellement à grande échelle,d'une section des couches en céramique de verre; La figure 3 est une vue partielle en coupe d'un substrat du mode de réalisation de l'invention; Les figures 4 et 5 sont, respectivement, une vue en plan et une vue en coupe d'une puce à circuits intégrés; et Les figures 6 à 8 sont des vues partielles en coupe qui illustrent une série d'étapes de montage de la puce du présent mode de réalisation. Dans les figures, les mêmes éléments structurels comportent les mêmes numéros de référence. En liaison avec la figure 1, un mode de réalisa- tion de la présente invention comprend un substrat multi- couches 1, une pluralité de puces 2 de circuits intégrés du type à liaison automatique par bande, une colle conduc- trice 3 ayant une faible impédance thermique, une coiffe 4 ayant une faible impédance thermique, un radiateur 5, une pluralité de fils flexibles 6, une pluralité de lamelles de liaison 7, une pluralité de bornes d'entrée et de sortie 8 pour l'entrée et la sortie de signaux visà-vis des puces 2, et la fourniture d'une tension aux puces par une sour- ce d'alimentation (non représentée),une pluralité de pla- ques 9 de rayonnement de la chaleur ayant une faible impé- dance thermique et une colle 10. En liaison avec les figures 2 et 3, le substrat 1 utilisé dans le mode de réalisation est constitué d'une section 100 formée d'une couche de céramique à base de verre et d'une section 200 formée d'une couche de cablage pour signaux.La section 100 comprend une, deux et trois feuilles brutes 101-103, une première et une seconde couche de câblage de distribution de puissance 104 et 105 qui sont déposées respectivement sur les feuilles 101 et 102, et un premier, second et troisième câblage à trous traversants 106-108 formés respectivement dans les feuilles 101-103. En général, les céramiques de verre peuvent être frittées 4. dans l'air à des températures inférieures à 1400OC. Les premiers câblages 106 à trous traversants assurent la connexion électrique entre les bornes 8 et la couche de câblage 104,les câblages 107 la connexion électrique entre la couche de câblage 104 et la couche de câblage 105, et les câblages 108 la connexion électrique entre la couche de câblage 105 et la section 200, qui sera décrite ultérieurement. En figure 2, on a représenté la section dans l'état o elle se trouve avant l'application de la section 200 formant la couche de câblage de signal, une extrémité 111 de chaque câblage 108 étant exposée sur une surface 110 de la section 100. La section 200 comprend une première couche iso- lante minérale 201 déposée sur la surface 110 de la sec- tion 100,une première couche 202 de câblage de signal for- mée sur la couche 201 par une technique des couches minoes,une seconde couche d'isolation minérale 204 formée sur la cou- che 202, et une seconde couche de câblage de signal 205 formée sur la couche 204 par une technique des couches minoes.La couche de câblage 202 et les extrémités 111 des câblages 108 sont interconnectées électriquement à des endroits appropriés par des premiers câblages à trous d'interconnexion 203. De même,les couches de câblage 202 et 205 sont intercon- nectées électriquement à des endroits appropriés par des seconds câblages à trous d'interconnexion 206. On décrira ci-après un procédé de fabrication de la section 100 qui constitue une partie du substrat 1. On prépare des feuilles brutes 101-103 en céra- mique de verre, non cuite, chaque feuille comprenant une composition dans laquelle,en termes d'oxydes et de quan- tité totale (100 %), l'oxyde d'aluminium est choisi dans la gamme comprise entre 40 et 60 % en poids, l'oxyde de plomb dans la gamme comprise entre 1 et 40 % en poids, l'oxyde de bore dans la gamme comprise entre 1 et 30 %-en poids, le bioxyde de silicium dans la gamme comprise entre 2 et 40 % en poids,un oxyde d'un élément du groupe II dans 5. la gamme comprise entre 0,01 et 25 % en poids, et un oxyde d'un élément du groupe IV (autre que le carbone, le silicium et le plomb) dans la gamme comprise entre 0,01 et 10 % en poids. On perfore les feuilles respecti- ves 101-103 afin de former des trous traversants. Puis, par impression, on comprime une pâte conductrice dont le composant principal est du palladium avec de l'or oude l'argent, pour qu'elle s'introduise dans les trous tra- versants des feuilles respectives 101-103. On imprime la couche de câblage 104 sur la surface supérieure de la feuille 101. Imprimée sur la surface supérieure de la feuille 102 se trouve la couche de câblage 105. Ensuite, on empile en les alignant les feuil- les 101-103, puis on les fait adhérer par compression. L'empilage feuilleté est alors cuit à l'air à une tempé- rature entre 700 C et 900 C. Il en résulte que les feuil- les 101-103 forment une même pièce pour constituer la sec- tion 100 de la couche en céramique à base de verre. En- suite, on forme des lamelles 112 pour la fixation des bor- nes 8 sur la face inférieure de la section 100 en pulvéri- sant séquentiellement du titane et du palladium. La pâte conductrice respective qui a été cuite fournit les cou- ches de câblage 104 et 105 et les câblages 106-108 des trous traversants. On obtient les connexions électriques souhaitées entre les bornes 8, les couches de câblage 104 et 105, et les câblages 106-108. Comme décrit précédemment, dans le mode de réalisation donné à titre d'exemple, la céramique à base de verre qui peut être cuite à des températures relative- ment lasses (inférieures à 1400 C) sert à former la section de la couche en céramique, Cela permet à son tour de réaliser des couches de câblage pour la distribution de puissance en métal de faible résistance, bas point de fusion,dont le composant majeur, par exemple,est l'or- palladium ou l'argent-palladium, ce qui permet de réduire beaucoup la chute de tension dans les câblages de 6. distribution de puissance. En outre, comme les couches de câblage de la distribution de puissance sont consti- tuées d'un métal qui ne s'oxyde pas facilement et est prin- cipalement constitué d'or-palladium ou d'argent-palladium, on peut cuire les couches isolantes minérales dans l'air lors de la fabrication de la section de la couche de câblage de signal, qui sera maintenant décrite. La procédure de formation de la section 200 sur la section 100 commence avec l'impression par po- lo choir sur la surface 110 de la section 100 d'une pâte isolante, à base de verre d'alumine, qui peut être cui- te dans l'air à une température comprise entre 700 et 900 C. De plus, on imprime la pâte conductrice sur les parties de la surface 110 qui fourniront les câblages d'interconnexion par trou 203. Dans cet état, l'ensem- ble est cuit à des températures comprises entre 700 C et 900 C de manière à former la couche isolante 201 qui incorpore les câblages 203. Alors, la couche de câblage 202 est appliquée sur la couche isolante 201 en faisant appel à une technique à couche mince. Plus spécifiquerment, on forme la couche 202 en pulvérisant du titane et du palladium pour déposer un film métallique de masse, puis en formant des câblages en or par photolithographie en faisant appel à une technique de revêtement. Une telle procédure associée à la couche de câblage 202 s'applique également à la couche de câblage 205; c'est-à-dire que la couche isolante 204 comportant les câblages 206 à trou d'interconnexion est déposée par impression d'une pâte isolante, à base de verre d'alumine, et de la pâte conductrice, puis cuisson de tout l'ensemble, que l'on fait suivre du dépôt de la couche de câblage 205 en fai- sant appel à une technique couche mince. Bien que le nombre de couches de câblage pour la distribution de puissance et de couches de câblage de signal dans le mode de réalisation soit élevé, chacune de ces couches peut être unique. Le nombre 7. de chacune de ces couches peut être choisi de manière à mettre en oeuvre toute condition particulière. L'ét&pe suivante consiste à appliquer un maté- riau de brasage or-étain aux lamelles 112 sur la surface inférieure de la section 100. Ensuite, les bornes d'entrée ou de sortie 8 sont comprimées contre le matériau de bra- sage et,simultanémenton chauffe tout l'ensemble à une température de 200 à 300 C afin de faire fondre le maté- riau de brasage, d'o il résulte l'adhérence des bornes 8 aux lamelles 112. S'agissant de la procédure précédente, le maté- riau de brasage or-étain est avantageux par rapport aux au- tres matériaux de brasage, car son point de fusion est faible par inhérence,étant de l'ordre de 200 à 300 C, et que sa résistance de liaison est suffisante par rapport à celle des matériaux de soudage tels que le plomb-étain. De plus,comme la température de fusion du matériau de brasage peut être inférieure à 300 C,il ne peut y avoir endommagement thermique de la section 200 sur la section 100. Comme mentionné ci-dessus, étant donné que les bornes 8 sont fixées par adhérence aux lamelles 112 lors de l'éta- pe finale de la procédure, les fines couches de câblage de signal peuvent être facilement formées sans qu'on soit gêné par les bornes 8. En liaison de nouveau avec la figure 1, chaque puce 2 de circuits intégrés est liée à sa plaque associée 9 par la colle 10. La plaque 9 adhère à son tour à la sur- face intérieure de la coiffe 4 grace à la colle 3. Dans cette structure, la chaleur dégagée par les puces 2 est efficacement transférée à la coiffe 4 au moyen des colles , des plaques 9 et des colles 3, Les colles 10 et 3 peu- vent être une colle époxyde contenant une charge à l'ar- gent et une soudure plomb-étain eutectique, toutes deux étant de bons conducteurs de la chaleur. S'agissant des plaques 9, il est nécessaire que leur conductibilité ther- mique soit excellente et que leur coefficient de dilatation 8. thermique soit équivalent à celui des puces 2, compte tenu du fait que les puces 2 et les plaques 9 sont rigidement interconnectées par les colles 10. Dans le cas o le coef- ficient de dilatation des plaques 9 serait très différent de celui des puces 2, les contraintes mécaniques pro- venant de la différence de température auraient un effet sur les puces 2 et,dans le pire des cas, il y aurait rupture des puces. A cet égard, on peut réaliser des pla- ques 9, dont les surfaces opposées sont revêtues de fines pellicules métalliques, en matériau à base de béryllium bien connu. Le béryllium a un coefficient de dilatation de 7,5 x 10 6/ C, qui est sensiblement apparié au coef- ficient de dilatationégal à 3,5 - 4,2 x 10-6/ Cdu sili- cium, lequel est le matériau de base des puces 2. Le radiateur 5, qui est monté rigidement sur la coiffe 4, comporte des ailettes de sorte que de l'air peut être introduit par pompage parmi les ailettes de ma- nière à refroidir le bloc. Il en résulte que la chaleur dé- gagée par les puces peut être effectivement transférée au radiateur 5, ce qui a pour effet de favoriser un refroidis- sement effectif. En liaison avec la figure 4, chaque puce 2 comporte une pluralité de fils flexibles 6 en forme de bande. Comme représenté en figures 1 et 5, la puce 2 est liée par fil au substrat 1 après cambrage des fils 6 de manière à éviter que les fils ne soient cisaillés par le déplacement vertical ou horizontal de la puce 2. Par consequent, on peut choisir le matériau de la coiffe 4 en ayant plus particulièrement comme critère de choix la conductibilité thermique au lieu du coefficient de dilata- tion thermique. On décrira, en liaison avec les figures 6-8, un procédé de fixation des puces 2 sur le substrat 1 et la coiffe 4. Tout d'abord, comme représenté en figure 6, les fils 6 associés à la puce 2, sont rigidement connectés par liaison aux lamelles 7; puis, on applique la colle 10 à la surface supérieure de la puce 2. Ensuite, comme représenté en figure 7, on place un gabarit 11 de maintien de la plaque 9 de manière à ce qu'il soit opposé au substrat 1, puis on le positionne pour amener la pla- que 9 en contact avec la colle 10 sur la puce 2, opéra- tion qu'on fait suivre de l'application de la chaleur nécessaire pour provoquer la solidification de la colle 10. Apres liaison de la plaque 9 et de la puce 2, on enlève le gabarit 11. Ensuite, comme représenté en figure 8, on place la coiffe 4 avec la colle 3 appliquée à sa surfa- ce intérieure, de manière à ce qu'elle soit en-regard du substrat 1 et,dans cet état, on applique séquentielle- ment les températures nécessaires à la fusion puis à la solidification de la colle 3, de manière à connecter rigidement la plaque 9 et la coiffe 4. Pour la solidifica- tion de la colle 10, on choisit la température qui est supé- rieure à la température appliquée à la colle 3 de manière que la fusion et la solidification de la colle 3 n'aient pas d'effet sur la colle 10. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de va- riantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 10. REVEND ICATIONS 1 - Bloc de puces de circuits intégrés, comprenant: - un substrat (1); une pluralité de puces (2) de circuits inté- grés, chaque puce comportant une pluralité de fils fle- xibles (6) sur son corps et étant connectée électrique- ment et mécaniquement au substrat via ces fils; - une pluralité de plaques rayonnant la cha- leur (9), constituées chacune d'un bon conducteur ther- mique et reliées rigidement aux puces de circuits inté- grés dans une relation un-à-un, par une première colle (10) ayant une impédance thermique relativement faible; - une coiffe (4) rayonnant la chaleur, cons- tituée d'un bon conducteur de la chaleur pour recouvrir une surface de montage de puce du substrat et mainte- nue en contact avec les plaques rayonnant la chaleur par l'intermédiaire d'une seconde colle (3) ayant une impédance thermique relativement plus faible; - un radiateur de chaleur (5) monté rigide- ment sur la coiffe; et - une pluralité de bornes (8) fixées à une surface de non-montage de puce du substrat pour l'en- trée et la sortie de signaux vis-à-vis des puces et la fourniture d'une tension aux puces à partir d'une source d'alimentation. 2 - Bloc de puces selon la revendication 1, dans lequel le substrat (1) comprend: une section (100) d'une couche de céramique à base de verre, constituée d'une pluralité de câblages à trous traversants (106-108), et d'au moins une couche de c&blage pour la répartition de la puissance (104-105) qui est réalisée en matériau conducteur dont le composant principal est l'orpalladium ou l'argent-palladium, et une section d'une couche de câblage de signal (200) constituée d'au moins une couche isolante minérale (201) et d'une couche de câblage de signal 11. (202) formée sur ladite couche isolante et connec- tée électriquement aux câblages à trous traversants. 3 - Bloc de puces selon la revendication 1, dans lequel le substrat est obtenu en suivant les éta- pes de fabrication suivantes: une première étape de formation des trous traversants dans au moins une feuil- le brute, non cuite; une seconde étape de remplissage des trous traversants avec une pâte conductrice dont le compo- sant principal est l'or-palladium ou l'argent-palladium; une troisième étape d'impression de la pâte conductrice sur la feuille brute de manière à former la couche de câblage de distribution de puissance; une quatrième étape de formation de la section de la couche en céramique à base de verre par cuisson de l'ensemble obtenu après les première, seconde et troisième étapes; une cinquième étape de polissage d'au moins une surface de la section de la couche en céramique à base de verre; une sixième étape d'impression d'un matériau diélectrique à couche épaisse sur la surface de la section de la couche en cé- ramique à base de verre à l'exception d'une extrémité des trous traversants qui est exposée à la surface de la sec- tion de la couche en céramique à base de verre, et l'im- pression de la pâte conductrice afin de former des câbla- ges par trous d'interconnexion sur cette extrémité des trous traversants; une septième étape de cuisson de l'ensemble complet afin de former une couche isolante minérale après les quatrième, cinquième et sixième étapes;et une huitiè- me étape de formation d'une couche de câblage de signal sur la couche isolante par une technique à couche mince. 4 - Bloc de puces selon la revendication 1, dans lequel on fait adhérer les bornes (8) au passage (1) par collage au moyen d'une colle métallique capable de se solidifier dans l'air à une température inférieure à la température à laquelle on cuit le substrat.