Brevet FR2556503A1 — publié le 19850614

La présente invention concerne, de façon générale, un substrat pour composants électroniques; il peut s'agir de supporter un composant unitaire (par exemple une puce de circuit intégré), ou bien un ensemble de composants discrets, actifs ou passifs, réunis sur un même substrat (carte de circuit ou circuit hybride). Ce substrat est du type formé d'un empilement de feuilles de matériau diélectrique dont certaines au moins portent des motifs conducteurs, avec en surface des émergences conductrices (pistes ou simples pastilles) qui seront par la suite reliées aux bornes du composant; il est également prévu, dans ce substrat, au moins une couche interne pourvue de pistes conductrices assurant l'interconnexion de couche à couche (entre couches internes ou entre une couche interne et la couche supérieure) et avec les émergences, selon un schéma préétabli. Un tel substrat a déjà été réalisé de longue date par la technique des circuits imprimés multicouches. Cette technique consiste à empiler une pluralité de feuilles pourvues de dessins conducteurs, et à assurer les inter- connexions au moyen de trous métallisés traversant l'empile- ment. Ces circuits imprimés multicouches sont généralement réalisés en une résine époxy ou polyimide. Il a par ailleurs été proposé de réaliser des substrats en alumine, dont les propriétés diélectriques avantageuses sont bien connues. Mais ce matériau nécessite la plupart du temps une cuisson à haute température (c'est- à-dire une température de l'ordre de 1400 environ), et il est nécessaire d'effectuer cette cuisson en atmosphère réductrice pour éviter l'oxydation des conducteurs, qui sont à base de molybdène, de tungstène ou de manganèse. Ces métaux sont tous des métaux oxydables, et le substrat ainsi réalisé ne peut supporter une recuisson à haute température en atmosphère oxydante (c'est-à-dire une cuisson dans un appareil de type classique, sans atmosphère contr8ôlée). L'invention propose de pallier cet inconvénient, en proposant une composition qui permette le frittage à la fois en atmosphère oxydante et à haute températures tout en conservant une excellente conductivité thermique et de bonnes propriétés diélectriques. Pour cela, la composition du matériau diélec- trique comprend 92 à 98 % d'alumine, de préférence environ 96 %, et les motifs conducteurs sont réalisés en un métal non oxydable à haute température, ou un alliage de tels métaux. De préférence, la composition du matériau dié- lectrique comprend en outre un agent fondant diélectrique à base de titanate de magnésie, dont la composition est comprise entre TiO2, 0,5 MgO et TiO2, 6 MgO. En ce qui concerne les motifs conducteurs, ceux-ci sont réalisés avantageusement en un myétal ou un alliage des métaux appartenant au groupe comprenant l'argent, le palladium et l'or. Avantageusement, les interconnexions de couche à couche et avec les émergences sont réalisées au moyen de trous métallisés dont le revêtement est également formé d'un métal non oxydable à haute température ou d'un alliage de tels métaux. L'invention ainsi envisagée concerne un substrat d'interconnexion réalisé à la manière des circuits imprimés multicouches, c'est-à-dire avec une surface supérieure plane portant éventuellement des pistes conductrices super- ficielles. Mais l'invention concerne également les substrats connus dans la technique sous le nom "CHIP CARRIER" (supports de puce), c'est-à-dire dont la surface supérieure est étagée sur au moins deux niveaux. Le plus souvent, ces subs- trats possèdent trois niveaux: l'étage inférieur, central, sert de support à la puce, généralement une puce de circuit intégré à haute échelle d'intégration; un étage intermédiaire périphérique (quelquefois la périphérie de l'étage.infé- rieur lui-même) est pourvu d'émergences à relier aux bornes de la puce, tandis que l'étage supérieur forme entretoise périphérique pour sceller un couvercle qui enfermera complète- ment le composant, en dissimulant en outre la surface supé- rieure, étagée, du substrat. Les liaisons vers l'extérieur sont alors réali- sées par des émergences latérales du substrat, ou encore par des trous métallisés débouchant à la surface de l'étage supérieur. Dans tous les cas, outre les interconnexions in situ, les excellentes propriétés diélectriques du substrat permettent de prévoir des motifs conducteurs internes faisant fonction de plan de masse, d'armatures pour des condensateurs de découplage ou de filtrage, de lignes d'alimentation, ou encore d'inductances intégrées, voire de drains thermiques. Ainsi, seuls les élénents résis- tifs auront besoin d'être reportés en surface. L'invention concerne également un procédé de fabrication de tels substrats, qui prévoit les étapes de: empilement de feuilles individuelles de matériau dié- lectrique, dont certaines portent des motifs conducteurs sérigraphies; agglomération du bloc à chaud et sous pression 25. frittage par cuisson à haute température en atmosphère oxydante. Dans le cas o les interconnexions sont réalisées au moyen de trous métallisés, on prévoit, avant cuisson, les étapes de: - perçage en cru des trous par un foret entraîné à grande vitesse, - dépôt sur la surface intérieure de ceux-ci d'une encre de métallisation. Avantageusement, dans ce cas, le dépôt de l'encre de métallisation est obtenu par aspiration des feuilles sur un socle, avec interposition d'une couche de papier poreux entre la feuille inférieure et le socle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'un substrat plan selon l'invention, selon la ligne I-I de la figure 2, la figure 2 est une vue en plan de ce même substrat, la figure 3 est une vue en coupe, homologue de la figure 1, pour un support de puce à plusieurs niveaux, 15. la figure 4 est une vue perspective du support de la figure 3 pris isolément (sans la puce ni le couvercle), les figures 5 et 6 sont des variantes de la figure 4, dans le cas o les connexions extérieures sont réalisées au moyen de trous métallisés et non d'émergences latérales. Sur la figure 1, on a représenté en coupe un substrat 10 (vu en plan figure 2) destiné à supporter un composant électronique 1. Bien qu'on ait représenté un substrat pour un composant unique, il est possible d'envi- sager des substrats de plus grandes dimensions pour suppor- ter et interconnecter un ensemble de plusieurs composants actifs et passifs places en surface de ce substrat. Ce substrat 10 est pourvu d'émergences conduc- trices telles que 31 et 32 destinées à être reliées aux bornes du composant. Ces émergences peuvent être de simples pastilles auxquelles seront soudés des fils de connexion; elles peuvent être également, comme représenté, des pistes conductrices s'étendant en surface du substrat et reliées soit à des organes extérieurs, soit à d'autres composants disposes sur le même substrat. Le substrat 10 est formé d'une pluralité de couches supportant différents dessins conducteurs réfé- rencés 21 à 24 et interconnectés entre eux: on a par exemple illustré une électrode 21 formant plan de masse, une armature 22 de condensateur formant, avec le plan de masse 21, un élément de découplage d'alimentation, ainsi que des liaisons 23 et 24 permettant l'interconnexion entre différentes bornes du même composant ou entre des bornes de plusieurs composants disposés sur le même substrat (le dessin de ces interconnexions est par exemple illustré figure 2 en tiretés). Les interconnexions entre les différentes couches et avec les émergences en surface du substrat sont réalisées de préférence au moyen de trous métallisés tels que 41 et 42, traversant les différentes couches à inter- connecter (ces trous ont été représentés traversant le substrat de part en part, mais ils peuvent également être borgnes). Le procédé de fabrication d'un tel substrat est le suivant: on encolle tout d'abord sur un cadre les feuilles indi- viduelles d'alumine, ou bien des ensembles de plusieurs feuilles (par exemple 4 à 6) déjà comprimées et qui formeront les couches du substrat. les motifs conducteurs internes sont ensuite sérigraphiés sur chacune de ces feuilles, de manière classique. 30. on procède ensuite au perçage en cru des trous destinés à assurer les interconnexions. Ce perçage est réalisé de préférence au moyen d'un foret au carbure entraîné à grande vitesse (plus de 30.000 t/mn) et guidé par une machine de reconnaissance de forme pilotée par ordinateur. À les trous sont ensuite métallisés. Pour cela, on dépose une goutte d'encre de métallisation, qui coule par gra- vite dans le trou; on peut également effectuer ce dépôt de l'encre au moyen d'un goupillon introduit dans le trou. les différentes feuilles ainsi préparées sont ensuite superposées pour former l'empilement. Avantageusement, les feuilles sont maintenues sur un socle par aspiration sous vide, de manière classique, et on interpose une feuille de papier poreux (tel qu'un papier filtre) pour que, au moment du dépôt 4e l'encre de métallisation, celle-ci se répartisse uniforté-ent à l'intérieur du trou du fait de l'aspiration; le papier poreux permet en outre de recueillir le surplus d'encre, ce qui évite de souiller la face inférieure de l'empilement. l'empilement est ensuite aggloméré à chaud et sous pression en un bloc homogène. 20. on procède ensuite à la cuisson de l'ensemble. Cette cuisson est une cuisson à haute température (1400 ) sous atmosphère oxydante; elle est par exemple réalisée dans un four à passage pendant une durée totale dedix heures (pour permettre l'évacuation des liants), avec un palier de deux heures à la température maximale. éventuellement, on reporte en surface des pistes conduc- trices par sérigraphie de conducteurs à base d'argent ou d'argentpalladium avec un fondant permettant d'obtenir une résistance adaptée pour un circuit hybride. Le matériau de ces conducteurs en surface peut être également l'or, ce qui permet un report direct des puces semi- conductrices. Un tel substrat d'interconnexion présente d'excellentes propriétés diélectriques et mécaniques. Par exemple, pour une composition comprenant 96 % d'alumine et un élément fondant diélectrique à base de titanate de magnésie de formule TiO2, MgO, on obtient les caracté- ristiques suivantes: - - caractéristique diélectrique relative par rapport à l'air: 9,1, - rigidité diélectrique: 70 V/gm, - tangente de l'angle de pertes inférieure à 1.104 à 1 MHz, - résistance d'isolement supérieure à 1000 GQ, pratiquement invariable avec la température. En ce qui concerne les caractéristiques mécani- ques, on obtient, directement par cuisson, une excellente rugosité. Du point de vue thermique, on notera que la conductivité thermique de l'alumine est grandement améliorée par la présence des pistes conductrices, qui jouent le rôle de drains thermiques. Les motifs conducteurs réalisés en couche de 3 Dm offrent une résistance électrique de l'ordre de0,01 P au carré. Cette valeur peut être abaissée en augmentant l'épaisseur de la couche métallique (par exemple en donnant à celle-ci une valeur de 6 Dm) ou encore en prévoyant plu- sieurs conducteurs connectés en parallèle et répartis sur plusieurs couches du substrat. L'invention s'applique également à la réalisation de supports pour puces de circuit intégré en forme de boîtiers à plusieurs niveaux, comme représenté figures 3 à 5: sur -la figure 3, on peut voir, outre un substrat ayant la même structure que celui de la figure 1 (donc avec des liaisons d'interconnexion, êventuellemnt des élêments capacitifs,...), un étage intermédiaire sur lequel sont reportées des connexions 70 permettant la liaison aux bornes du composant, est muni de sorties latérales 71, visibles notamment figure 4. Un étage supplémentaire est formé par une couche 50 formant entretoise, qui permet de sceller un couvercle 60 par-dessus l'ensemble du support, pour isoler le composant et ses connexions apparentes. La figure 5 représente une variante dans laquelle les sorties latérales 71 de la figure 4 sont remplacées par des trous métallisés 72 débouchant en surface supérieure. Une autre variante est donnée figure 6 o les sorties sont constituées par des broches fixées mécanique- ment et électriquement dans les trous précédemment men- tionnés par soudure ou brasure. La forme extérieure de tels boîtiers est généralement normalisée, par exemple selon les recommanda- tions JEDEC. Le procédé de fabrication de ces supports est le même que celui précédemment exposé pour la fabrication des substrats plans, avec cependant des dimensions d'en- semble plus faibles (la dimension d'un support normalisé est de 1/2" (1,3 cm) alors que les substrats peuvent attein- dre 3,5" x 7" (9 x 18 cm environ). Pour réaliser les différents niveaux en surface supérieure, on se contente d'ajouter à l'empilement une ou plusieurs feuilles d'aluminecrue pourvues d'une fenêtre centrale aux dimensions de la couche inférieure devant rester apparente. L'ensemble est finalement matricé au moyen d'un poinçon ayant le profil complémentaire du profil désiré. De la même façon que dans le cas du substrat plan, il est possible de prévoir, outre les interconnexions, des éléments capacitifs de découplage et de filtrage, un plan de masse, des inductances intégrées,.... REVENDICATIONS 1. Un substrat d'interconnexion pour composants électroniques, formé d'un empilement de feuilles de matériau diélectrique (10) dont certaines au moins portent des motifs conducteurs (21-24), ce substrat présentant des émergences conductrices (31,32) pour assurer la liaison aux bornes du (des) composant(s) (1), avec au moins une couche interne pourvue de pistes conductrices (24) assurant l'inter- connexion de couche à couche et avec ces émergences selon un schéma préétabli, caractérisé en ce que la composition du matériau diélectrique comprend 92 à 98 % d'alumine, et en ce que les motifs conducteurs sont réalisés en un métal non oxydable à haute température ou un alliage de tels métaux. 2. Un substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition du matériau diélec- trique comprend en outre un agent fondant diélectrique à base de titanate de magnésie. 3. Un substrat selon la revendication 2, caractérisé en ce que la composition du titanate de magnésie est comprise entre TiO2, 0,5 MgO et TiO2, 6 MgO. 4. Un substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion d'alumine est comprise entre 95 et 97 %. 5. Un substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs conducteurs sont réalisés en un métal ou un alliage des métaux appartenant au groupe comprenant l'argent, le palladium et l'or. 6. Un substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les interconnexions de couche à couche et avec les émergences sont réalisées au moyen de trous métallisés (41, 42) dont le revêtement est également formé d'un métal non oxydable à haute température ou d'un alliage de tels métaux. 7. Un substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa surface supérieure est étagée sur au moins deux niveaux, le niveau supérieur résultant de l'addition à l'empilement d'au moins une feuille (50) pourvue d'une fenêtre centrale. 8. Procédé de fabrication d'un substrat selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: 10. empilement de feuilles individuelles de matériau diélec- trique, dont certaines portent des motifs conducteurs sérigraphies; agglomération du bloc à chaud et sous pression; frittage par cuisson à haute température en'atmosphère oxydante. 9. Procédé selon la revendication 1, pour la fabrication d'un substrat dans lequel les interconnexions de couche à couche et avec les émergences sont réalisées au moyen de trous métallisés, caractérisé en ce qu'il comprend, avant empilement, les étapes de: - perçage en cru des trous par un foret entraîné à grande vitesse, - dépôt sur la surface intérieure de ceux-ci d'une encre de métallisation. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dépôt de l'encre de métallisation est obtenu par aspiration des feuilles sur un socle, avec interposi- tion d'une couche de papier poreux entre la feuille infé- rieure et le socle.