Brevet FR2586510A1 — publié le 19870227

1. La présente invention concerne un module à semiconducteurs ayant une grande aptitude au refroidisse- ment ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. Selon la pratique antérieure normale, on a pro- posé diverses techniques de refroidissement pour module à semiconducteurs, plus particulièrement pour les modules à semiconducteurs du type LSI (Large Scale Integration = in- tégration à grande échelle). Par exemple, une technique de ce genre est décrite dans un article intitulé "New Internal And External Cooling Enhancements For The Air Cooled IBM - 4381 Module" (Nouvelles améliorations du refroidissement interne et externe pour le module IBM 4381 refroidi à l'air) dans les compte-rendus du Congrès intitulé Il IEEE Interna- tional Conference on Computer Design", 1983. Dans ce genre de technique, il y a un petit intervalle entre une puce à semiconducteurs (qui sera désignée par la suite par le terme "puce") montée sur un substrat et un capuchon placé en re- gard de la puce. L'aptitude au refroidissement du capuchon pour la puce dépend dans une large mesure des dimensions du petit intervalle. Plus précisément, lorsque le petit intervalle est réduit, la résistance thermique diminue ce qui améliore l'aptitude au refroidissement. Dans l'article susmentionné, on a rapporté que, lorsque la valeur du petit intervalle est maintenue à 0,2 mm et que l'on emplit le capuchon d'un composé thermoconducteur ou d'une pâte ther- 2. mnique, la résistance thermique entre la puce et le capuchon était de 9 C/W. Toutefois, dans un tel module à semiconducteurs du type LSI, le substrat, la puce, le capuchon et les autres parties constitutives du module à semiconducteurs compren- nent des tolérances de dimensions dont le total, ajouté à celui des tolérances d'assemblages s'élève à une valeur de à 200 ym. Si le petit intervalle est conçu pour être inférieur à la valeur de tolérance de dimensionstotale, la puce est mise en contact, de manière indésirable, avec le capuchon et elle peut être endommagée. En conséquence, dans le module à semiconducteurs de type usuel, il est difficile de réduire le petit intervalle à une valeur inférieure aux tolérances de dimensions totales de façon à réduire la résistance thermique et, en conséquence, le module présente une faible aptitude au refroidissement pour la puce. La présente invention a pour objet de fournir un procédé de fabrication d'un module à semiconducteurs exempt des inconvénients susmentionnés des modules de type usuel et permettant de réduire l'intervalle à une valeur inférieure aux tolérances de dimensions totales des organes-. constitutifs du module à semiconducteurs, ainsi qu'un module à semiconducteurs produit par ce procédé. A cet effet, le procédé de fabrication d'un mo- dule à semiconducteurs selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend es-opérations consistant à: fixer un substrat, sur une surface inférieure duquel sont montés une pluralité de puces à semiconducteurs, sur un organe support de substrat pour maintenir ce substrat à sa périphérie; introduire un bain liquide d'une matière thermoconductrice dans une chambre en forme de cuvette ayant une surface pé- riphérique extérieure supérieure, placée en regard de la surface inférieure dudit organe support de substrat; as- sembler ledit substrat et ladite chambre de façon telle que la surface inférieure dudit organe support de substrat soit mise en contact avec la surface périphérique extérieure, 3. supérieure, de cette chambre, en plongeant ainsi une partie inférieure de chacune des puces à semiconducteurs dans la matière thermoconductrice; solidifier le bain de matière thermoconductrice, de façon à le contracter en formant un petit intervalle entre la surface de la matière thermo- conductrice et la surface inférieure de chacune desdites pu- ces à semiconducteurs; séparer de ladite chambre un ensem- ble constitué dudit organe support de substrat et dudit substrat et insérer une pièce d'espacement ayant une épais- seur prédéterminée entre la surface inférieure dudit organe support de substrat et la surface périphérique extérieure, supérieure, de ladite chambre; et assembler ledit ensemble et ladite chambre par l'intermédiaire de cette pièce d'espa- cement. Le module à semiconducteurs selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat sur une surface inférieure duquel sont montés une pluralité de puces à semiconducteurs; un organe support de substrat fixé sur la périphérie de ce substrat, une chambre, en forme de cu- vette, ayant une surface périphérique placée en regard de cet organe support de substrat; une matière thermoconduc- trice contractée par refroidissement et solidification, cette matière thermoconductrice étant initialement à l'état fondu dans cette chambre, ledit organe support de substrat et ladite chambre étant assemblés de façon telle que la surface inférieure de cet organe support de substrat et la surface périphérique extérieure, supérieure de cette chambre soient mises en contact l'une avec l'autre, en plongeant ainsi la partie inférieure de chacune des puces à semiconducteurs dans ladite matière thermoconductrice fondue, et ladite matière thermoconductrice étant refroidie de façon à être solidifiée et contractée en formant un in- tervalle (h1) entre la surface de chacune des puces à semi- conducteurs et la surface de la matière thermoconductrice 2586S10 4. solidifiée; et une pièce d'espacement ayant une épaisseur (t), insérée entre la surface inférieure dudit organe sup- port de substrat et la surface périphérique extérieure, su- périeure de ladite chambre, ce module à semiconducteurs étant assemblé de façon à avoir, finalement, un intervalle de (h1 + t) entre les surfaces inférieures desdites puces à semiconducteurs et la surface supérieure de ladite ma- tière thermoconductrice. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description détaillée qui va suivre d'un exemple, non limitatif, de mise en oeuvre de l'invention, en se référant au dessin annexé dans lequel: Les figures 1 à 5, sont des vues latérales en coupe explicitant les opérations du procédé de fabrication d'un module à semiconducteurs, conformément à un exemple de mise en oeuvre de l'invention; et La figure 6 est une vue latérale en coupe d'un module à semiconducteurs conformément à une forme d'exécution particulière du module à semiconducteurs selon l'invention. On va maintenant décrire le procédé de fabri- cation du module à semiconducteurs selon l'invention en se référant au: dessin. Les figures 1 à 5 sont des vues latérales en coupe illustrant de manière séquentielle les opérations successives de fabrication du module à semiconducteurs. Comme on le voit à la figure 1, un cadre de substrat 5, ayant, en coupe, une forme générale en L, est fixé sur la périphérie extérieure d'un substrat 4. Une pluralité de puces à semiconducteurs LSI 3 sont montées sur la surface inférieure du substrat 4.Lecadre-desubstrat et le substrat 4 sur lequel sont montées les puces à semiconducteurs 3 peuvent ainsi être déplacés. d'un seul tenant. Une matière thermoconductrice 2 (constituée 5. dans la forme d'exécution décrite, par de la matière de soudure) qui est mise en fusion par chauffage et solidifiée et contractée au refroidissement, est mise en fusion par chauffage et introduite, en quantité prédéterminée (comme décrit ci-dessous) dans:3 une chambre 1 en forme de cuvette ayant une périphérie extérieure placée en regard d'une surface inférieure Sa du cadre de substrat 5. Comme représenté à la figure 3, le cadre de substrat 5 est monté sur la chambre de refroidissement 1 et fixé sur celle-ci, de sorte qu'une surface inférieure a du cadre 5 vient buter sur une surface périphérique extérieure, supérieure, la de la chambre 1. La quantité de soudure fondue 2 est prédéterminée de sorte que les surfaces des puces 3 sont suffisamment mises en contact avec la surface de la soudure fondue 2 lorsque le cadre de substrat vient buter contre la chambre de refroidissement 1. Avant la réalisation de l'assemblage qui vient d'être mentionné, chacune des puces 3 est soumise à un procédé permettant d'empêcher le mouillage par la soudure. Toutefois, si chaque puce 3 est logée dans un bottier en matière céra- mique, le procédé destiné à empêcher le mouillage par la soudure n'est pas nécessaire. Le chauffage de la soudure fondue 2 est inter- rompu dans l'état illustré à la figure 3. Apres inter- ruption du chauffage, la température de la soudure fondue 2 décrott progressivement et la soudure fondue est solidifiée tout en se contractant par suite de la diminution de la température. Du fait que chaque puce 3 est soumise à un procédé permettant d'éviter le mouillage par la soudure, un petit intervalle 10 ayant une valeur h est formé entre la surface de la soudure solidifiée 2 et les puces 3, par suite de-la contraction de la soudure fondue 2, comme re- présenté à la figure 4. Le cadre de substrat 5 est temporairement séparé de la chambre de refroidissement 1, ce qui provoque la séparation des puces 3 de la soudure 2. Du fait que la sou- 6. dure 2 s'est solidifiée elle conserve la forme en coupe représentée à la figure 4. Les partie supérieure et inférieure séparées sont lavées pour enlever les matières étrangères, par exemple le fondant. Apres lavage, une pièce d'espacement ou entretoise 6, ayant une épaisseur t est insérée entre la surface inférieure 5a du cadre de substrat 5 et la surface périphérique extérieure, supérieure, la de la chambre de refroidissement 1 et la structure résultante est ensuite assemblée. Un intervalle ayant la valeur h = h + t est obtenu entre la surface de la soudure 2 et les surfaces inférieures des puces 3. L'épaisseur de la pièce d'espace- ment 6 peut être choisie arbitrairement. Dans cette forme d'exécution, la soudure fondue est introduite dans la chambre de refroidissement 1. Toutefois, une quantité prédéterminée de soudure peut être fixée à l'avance sur la chambre de refroidissement 1, et l'on peut chauffer la soudure ainsi fixée, de manière à la mettre en fusion. Dans cette forme d'exécution, on utilise la soudure 2. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de matière de soudure et l'on peut utiliser d'autres matières, à savoir des matières thermoconductrices qui se contractent par solidification. On peut même utiliser non seulement des matières qui sont mises en fusion par chauffage et solidifées au refroidissement, mais également des matières telles que la pate EPO-TEK H 35-175 (fabri- quée par la société Epoxy Technology Inc.) qui est à l'état fluide à la température ambiante mais se solidifie et se contracte à une température supérieure à 1800C. La figure 6 est une vue latérale en coupe d'une forme d'exécution d'un module à semiconducteurs fabriqué par le procédé qui vient d'être décrit. A la figure 6, les parties identiques à celles qui sont représentées aux figures 1 à 5 sont désignées par les mêmes chiffres de référence. Le chiffre de référence 7 désigne une vis d'assemblage qui s'étend à travers le cadre de substrat 5, la 7. pièce d'espacement 6 et la chambre de refroidissement 1. Le chiffre de référence 8 désigne une chemise refroidie & l'eau qui est fixée sur la chambre de refroidissement 1 et présente une partie creuse 8a dans laquelle circule de l'eau afin de réaliser un refroidissement par eau. Dans le cas o un composé thermoconducteur peut être introduit dans un petit intervalle 9, on peut obtenir des caractéristiques de refroidissement encore améliorées. La forme d'exécution qui vient d*tre décrite fait appel à un dispositif de refroidissement à l'eau mais elle pourrait également utiliser un dispositif de refroidis- sement à l'air, au moyen d'une ailette montée sur la chambre de refroidissement 1. Selon le procédé de fabrication d'un module à semiconducteurs conforme à l'invention, tel que décrit ci-dessus, après formation d'un petit intervalle h1 entre les puces et une surface d'une matière thermoconductrice solidifiée par refroidissement et solidification d'une ma- tière thermoconductrice fondue, une pièce d'espacement ayant une épaisseur prédéterminée t est insérée entre une chambre de refroidissement et un organe support de substrat et la structure résultante est assemblée. En conséquence, si l'on choisit convenablement l'épaisseur t de la pièce d'espacement, on peut obtenir un petit intervalle (h1 + t) de valeur optimale entre les puces et la surface de la matière thermoconductrice. Ce petit intervalle peut être réduit à une valeur inférieure au total des tolérances de dimensions et des tolérances d'assemblage des parties constitutives du module,ce qui réduit considérablement la résistance thermique en comparaison avec le cas d'un module à semiconducteurs de type usuel. En outre, on peut améliorer de façon notable l'aptitude au refroidissement. 8. 2586510 REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un module à semi- conducteurs caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à: fixer un substrat (4), sur une surface infé- rieure duquel sont montés une pluralité de puces à semi- conducteurs (3), sur un organe support de substrat (5), pour maintenir ce substrat à sa périphérie; introduire un bain liquide d'une matière thermoconductrice (2) dans une chambre en forme de cuvette (1) ayant une surface périphérique exté- rieure supérieure (la), placée en regard de la surface infé- rieure (Sa) dudit organe support de substrat (5); assembler ledit substrat et ladite chambre de façon telle que la sur- face inférieure dudit organe support de substrat (5) soit mise en contract avec la surface périphérique extérieure, supérieure (la), de cette chambre (1), en plongeant ainsi une partie inférieure de chacune des puces à semiconducteurs (3) dans la matière thermoconductrice (2); solidifier le bain de matière thermoconductrice, de façon à le-contracter en formant un petit intervalle (10) entre la surface de la matière ther- moconductrice (2) et la surface inférieure de chacune desdites puces à semiconducteurs (3); séparer de ladite chambre un ensemble constitué dudit organe support de substrat (5) et dudit substrat (4) et insérer une pièce d'espacement (6) ayant une épaisseur prédéterminée (t) entre la surface infé- rieure (5a) dudit organe support de substrat (5) et la sur- face périphérique extérieure, supérieure (la), de ladite chambre (1); et assembler ledit ensemble et ladite chambre par l'intermédiaire de cette pièce d'espacement. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce qu'il comprend, en outre, l'opération consistant à laver ledit organe support de substrat (5) et ladite chambre (1) après leur séparation. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que ladite matière thermoconductrice (2) est mise en fusion par chauffage et solidifiée par refroidissement, 25865 10 9. ladite opération d'introduction du bain liquide comprenant la mise en fusion de la matière thermoconductrice (2) dans ladite chambre (1) et ladite opération de solidification comprenant le refroidissement du bain. 4 - Procédé selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le refroidissement de ladite matière thermo- conductrice (2) est réalisé par arrêt de chauffage. - Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite matière thermoconductrice (2) est fluide à la température ambiante et solidifiée par chauffage, ladite opération d'introduction de bain liquide comprenant le déversement de la matière thermoconductrice (2), à la température ambiante, dans ladite chambre (1) et ladite opé- ration de solidification comprenant le chauffage de la ma- tière (1). 6 - Module à semiconducteurs caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat (4) sur une surface inférieure duquel sont montés une pluralité de puces à semiconducteurs (3); un organe support de substrat (5) fixé sur la périphé- rie de ce substrat (4), une chambre (1), en forme de cuvette, ayant une surface périphérique (la) placée en regard de cet organe support de substrat (5); une matière thermoconductri- ce (2) contractée par refroidissement et solidification, cette matière thermoconductrice (2) étant initialement à l'état fondu dans cette chambre (1), ledit organe support de substrat (5) et ladite chambre (1) étant assemblés de façon telle que la surface inférieure (5a) de cet organe support de substrat (5) et la surface périphérique extérieu- re, supérieure (la), de cette chambre (1) soient mises en contact l'une avec l'autre, en plongeant ainsi la partie inférieure de chacune des puces à semiconducteurs (3) dans ladite matière thermoconductrice (2) fondue, et ladite ma- tière thermoconductrice étant refroidie de façon à être solidifiée et contractée en formant un intervalle (h1) entre la surface de chacune des puces à semiconducteurs (3) et la surface de la matière thermoconductrice (2) solidifiée; et 10. 2586510 une pièce d'espacement (6), ayant une épaisseur (t), insé- rée entre la surface inférieure (5a) dudit organe support de substrat (5) et la surface périphérique extérieure, supé- rieure, de ladite chambre (1), ce module à semiconducteurs étant assemblé de façon à avoir, finalement, un intervalle de (hl + t) entre les surfaces inférieures desdites puces à semiconducteurs (3) et la surface supérieure de ladite ma- tière thermoconductrice (2). 7 - Module selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que ladite matière thermoconductrice (2) contient de la soudure. 8 - Module selon la revendication 6, caractéri- sé en ce qu'une vis (7) s'étend à travers ledit organe support de substrat (5), ladite pièce d'espacement (6) et la périphérie extérieure (la) de ladite chambre (1), de fa- çon à les assembler. 9 - Module selon la revendication 6, caractéri- sé en ce qu'un dispositif d'évacuation de chaleur est monté sur la partie inférieure de ladite chambre (1). 10 - Module selon la revendication 9, caracté- risé en ce que ledit dispositif d'évacuation de chaleur présente une chemise (8) munie d'une conduite de circula- tion d'eau de refroidissement pour son refroidissement par eau. 11 - Module selon la revendication 9, caracté- risé en ce que ledit dispositif d'évacuation de chaleur présente une ailette pour son refroidissement à l'air.