Brevet FR2632454A1 — publié le 19891208

La présente invention concerne des structures de circuits intégrés hybrides contenant plusieurs puces et en- capsulées dans des bottiers en matière plastique, et elle porte plus particulièrement sur des structures de ce type qul conviennent pour combiner des puces de forte puissance et des puces de faible puissance. Depuis de nombreuses années, on fabrique de façon courante des circuits intégrés hybrides pour procurer, en. un seul bottier, des dispositifs électroniques qui sont trop complexes pour pouvoir être intégrés économiquement sur une seule puce de semiconducteur monolithique. Dans des circuits intégrés hybrides, on fixe sur un substrat en céramique di- vers éléments comprenant des puces de circuits intégrés mo- nolithiques, des condensateurs, des résistances à couches et d'autres composants, par des techniques telles que la fixa- tion de microplaquettes, le dép6t, etc. Le substrat en céra- mique porte un motif d'interconnexion métallique approprié, comprenant des zones qu'on appelle des "pavés" (sur les- quelles on fixe des puces de circuits intégrés et d'autres composants), et comprenant également des pistes d'intercon- nexion en métal ("interconnexions") auxquelles des plots de connexion des divers composants sont connectés électrique- ment par des techniques de connexion au moyen de fils. On a réalisé des circuits comportant des puces de circuits inté- grés multiples, en fixant ces dernières sur un motif de mé- tallisation sur une couche isolante mince faisant partie d'un substrat se présentant sous la forme d'un ruban flexi- ble qui est fixé à un cadre de montage classique. On a con- necté par des fils des plots de connexion des diverses puces de circuits intégrés et d'autres composants, à des pistes ou des interconnexions métalliques sur la couche isolante, et à des doigts du cadre de montage. On a encapsulé l'assemblage dans une matière plastique, par un processus de moulage par transfert employant une matière plastique. Cette technique est décrite dans la publication de brevet du Japon n 60- 41249, du 4 mars 1985 (NIPPON DENKI K.K.). La technologie qui est décrite dans le document précité présente une limi- tation qui consiste en ce que les puces de circuits intégrés qui se trouvent à l'intérieur de la structure ne doivent dissiper que des quantités de chaleur relativement faibles. Ceci est nécessaire du fait que des matériaux du type "ruban flexible", qui sont de bons isolants électriques, sont de relativement mauvais conducteurs thermiques. Du fait que la technologie du cuivre gravé exige des interconnexions for- mées par électrodéposition.d'or, il est nécessaire d'utili- ser largement des passages de liaison entre couches, et des connexions entre les passages de liaison et des interconne- xions intérieures isolées, pour connecter des interconne- xions isolées à un "bus d'électrodéposition". Ces passages de liaison et les connexions qui leur sont associées augmen- tent le codt et dégradent également les performances élec- triques. Un exemple d'un circuit intégré hybride qu'il se- rait très difficile de réaliser dans un bottier en matière plastique en utilisant la technologie antérieure décrite dans la publication de brevet du Japon n 60-41249,'consiste en un convertisseur numérique-analogique comprenant une puce de circuit intégré CMOS à puissance relativement faible, qui contient des circuits logiques numériques et des circuits de commutaticn, et une puce de circuit intégré bipolaire de puissance relativement élevée, contenant un amplificateur analogique et des circuits d'interrupteurs de courants de bits. Jusqu'à présent, on ne pouvait réaliser un tel conver- tisseur numérique-analogique en circuit intégré hybride en- capsulé dans un bottier en matière plastique, qu'en fixant à la fois la puce CMOS et la puce bipolaire, par une technique de fixation de microplaquette, sur un substrat consistant en un film de polymère multicouche fixé à un cadre de montage. L'invention a donc pour but de procurer un circuit intégré hybride économique, encapsulé dans un boîtier en ma- tière plastique, contenant des puces de semiconducteurs de forte puissance. Un autre but de l'invention est de procurer un circuit intégré hybride économique encapsulé dans un boîtier en matière plastique, contenant à la fois des puces de cii- cuits intégrés hybrides monolithiques de forte puissance et de faible puissance. Un autre but de l'invention est de procurer une technique pour fabriquer un circuit intégré hybride économi- que encapsulé dans un boîtier en matière plastique, conte- nant plusieurs puces avec des tensions arrière différentes. Sommairement, et conformément à l'un de ses modes de réalisation, l'invention procure un circuit intégré hy- bride comprenant une pellicule isolante fixée sur une pre- mière zone d'un pavé de cadre de montage, tandis qu'une se- conde zone du pavé de cadre de montage est à nu. Un ensemble de pistes métallisées ou d'interconnexions individuelles sont formées sur la pellicule isolante. Une première puce est directement fixée sur laseconde zone du pavé de cadre de montage. Des fils de connexion sont fixés de façon à connecter électriquement la première puce à diverses pistes métallisées. D'autres fils de connexion sont fixés de façon à connecter les pistes métallisées à divers doigts du cadre de montage. La première puce, les fils de connexion, le pavé du cadre de montage, les doigts du cadre de montage et la pellicule isolante sont tous encapsulés dans un bottier en matière plastique qui est formé par moulage par transfert. Dans un mode de réalisation de l'invention qui est décrit, une zone de pavé isolée est incluse dans le motif métallisé qui est formé sur la pellicule isolante. Une seconde puce est fixée sur-la zone de pavé métallisée et des plots de connexion de la seconde puce de circuit intégré sont con- nectés par des fils de connexion à diverses pistes métalli- sées, qui sont connectées par d'autres fils de connexion aux doigts du cadre de montage ou à divers plots de connexion de la première puce. Un bus d'électrodéposition est formé sur la pellicule isolante et est connecté aux pistes métallisées in- dividuelles et au pavé isolé. Initialement, un motif de cou- che métallique comprenant les pistes de connexions indivi- duelles et le pavé isolé, est constitué par un rev&tement consistant en une feuille de cuivre qui adhère à la pellicule isolante. On effectue une électrodéposition d'or sur le cui- vre, en appliquant une tension d'électrodéposition au bus d'électrodéposition. Le morceau de la pellicule qui doit être fixé sur la première zone du pavé de cadre de montage est poinçonné dans un plus grand morceau de la pellicule, de fa- çon qu'aucune partie du bus d'électrodéposition ne se trouve sur la pellicule qui est découpée par poinçonnage, mais que les pistes ou les interconnexions métallisées et la première zone de pavé se trouvent sur le morceau qui est découpé par poinçonnage. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en plan partielle du cir- cuit intégré hybride de la présente invention, avant l'en- capsulation dans un boitier en matière plastique; la figure 2 est une vue en plan d'un cadre de mon- tage qui est utilisé dans la fabrication du circuit intégré hybride représenté sur la figure 1; la figure 3 est une vue en plan partielle de la bande sous la forme d'un ruban isolant flexible, à partir de laquelle on poinçonnera ultérieurement un ensemble de substrats consistant en pellicules isolantes, sur lesquels sont formées des zones métalliques dorées séparées; la figure 4 est une coupe du dispositif de la fi- gure 1 après encapsulation dans un bottier en matière plas- tique; et la figure 5 est une vue partielle éclatée, en perspective, du circuit intégré hybride de la figure 1. En considérant maintenant les figures 1, 2, 4 et 5, on note qu'immédiatement avant l'encapsulation dans un bot- tier en matière plastique (par des opérations bien connues de moulage par transfert}, un circuit intégré hybride i comprend un cadre de montage qu'on désigne de façon générale par la référence 2, qui comporte un ensemble de doigts coplanaires, tels que les doigts 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 25, et 2-7. Chacun des doigts est connecté à un conducteur respectif 2A. Dans la structure finale, les barres temporaires 10 de court-circuit entre conducteurs (qu'on appelle des "barres de barrage"), sont sectionnées au moment o les cadres de montage indivi- duels sont poinçonnés pour être séparés de la structure de ruban de cadres de montage (figure 2), conformément à la pra- tique classique. Comme la figure 5 le montre le mieux, deux barres de liaison coplanaires 2-5 et 2-6 supportent un pavé de cadre de montage 3, oui est conducteur au point de vue thermique. Le pavé de cadre de montage 3 est espacé par rapport aux ex- trémités intérieures de tous les doigts de cadre de montage 2-1, 2-2, etc. Une connexion directe, telle que la connexion 2-8, entre un doigt de cadre de montage et le pavé de cadre de morntage 3, peut être établie pour appliquer une tension arrière, comme représenté sur les figures 1 et 5. Comme la figure 5 le montre le mieux, une couche mince d'un matériau consistant en une pellicule de verre/ époxy, de 140 pm d'épaisseur, définissant un substrat isolant en forme de L, 5, est directement fixée sur la surface supé- rieure du pavé de cadre de montage 3, au moyen d'une préforme en époxy pré-fixée, 15-3. La pellicule de verre/époxy peut être constituée par le matériau FR4, disponible avec, sur la surface supérieure, des pistes séparées formées par un revê- tement de cuivre doré, conformément aux spécifications de l'utilisateur, et ce matériau est fabriqué par IBIDEN Co.,Ltd., 300 AOYANAGI-CHO, OGAKI, GIFU 503, JAPON-et est commercialisé par IBIDEN USA CORP., 2727 Walch Avenue, no 203, Santa Clara, Californie. IBIDEN fournit également une structure dans la- quelle un matériau époxy (phase "B") est fixé sur une telle pellicule de verre/époxy, de façon qu'une préforme pré-fixée se trouve déjà sur le substrat 5 lorsqu'il est poinçonné pour être séparé de la pellicule de verre/époxy. Le motif doré, formé par des pistes métalliques sur le substrat isolant 5, comprend un ensemble d'interconnexions métalliques individuelles espacées, telles que les intercon- nexions 6-1, 6-2, 6-3, etc. Un "pavé isolé" 7, conducteur et doré, ayant une aire relativement grande, est connecté à une piste de connexion de fil 7-1, pour appliquer une tension arrière à une puce de circuit intégré se trouvant sur le pavé. Une puce de circuit intégré 8 est fixée sur la surface supérieure du pavé isolé 7, par des techniques de fixation de microplaquettes. La puce de circuit intégré 8 doit avoir une dissipation de puissance suffisamment faible pour que sa chaleur puisse être évacuée de façon appropriée de la puce 8 vers le pavé de cadre de montage 3, à travers le substrat 5 en verre/époxy. Divers plots de connexion sur la puce de circuit intégré 8 sont connectés par des fils de connexion en or à diverses interconnexions individuelles sur le substrat en verre/époxy 5, ou directement aux doigts du cadre de montage 2. A titre d'exemple, le plot de connexion 9-1 est connecté par le fil de connexion en or 16-5 à l'in- terconnexion dorée 6-1, qui est elle-même connectée par le fil en or 16-1 au doigt de cadre de montage 2-1. De fa-çon similaire, le plot de connexion 9-2 est connecté par un fil de connexion en or à l'interconnexion 6-2. L'interconnexion 6-2 est connectée par le fil de connexion en or 16-2 au doigt de cadre de montage 2-2. Conformément à l'invention, le substrat en verre/ époxy 5 comporte une ou plusieurs "découpures" rectangulai- res, qui mettent à nu une surface supérieure argentée du pavé de cadre de montage 3. Sur la figure 1, la découpure rectangulaire qui est limitée par des bords 15-1 et 15-2 du substrat en verre/époxy 5 met à nu une zone rectangulaire 3A du pavé de cadre de montage 3. Une autre puce de circuit intégré 13 cst directe- ment fixée, par des techniques de fixation de microplaquet- tes, sur la zone de surface à nu 3A du pavé de cadre de montage 3. Habituellement, la puce 13 peut dissiper beaucoup plus de puissance que la puce de circuit intégré 18, et elle nécessite donc un contact direct, à faible résistance ther- mique, avec le pavé de cadre de montage 3A, pour évacuer de façon suffisamment rapide la chaleur qui est dissipée, afin d'empêcher une élévation de température excessive dans la puce de circuit intégré 13. Divers plots de connexion 14-1, 14-3, etc., de la puce de circuit intégré 13 sont connectés à l'aide de fils de connexion en or, à diverses interconne- xions individuelles telles que celles portant les références 12-1 et 11-1. De plus, certains plots de connexion, tels que le plot 14-2 de la puce 13, sont directement connectés par des fils à des doigts de cadre de montage, tels que le dbigt 2-7. Sur la figure 1, qui est dessinée pratiquement à l'échelle, la puce 8 est une puce CMOS de très faible puis- sance, mesurant 2,0 mm x 3,6 mi, et la puce de circuit in- tégré 13 est une puce bipolaire de puissance relativement élevée, mesurant 2,2 mm sur 3,6 mm. On utilise des fils de connexion en or de 25 à 33 pm de diamètre. Les pistes con- ductrices dorées, telles que les pistes 6-1, 6--2, etc., et 11-1, et le pavé doré 7 consistent en cuivre de 35 %m doré (25 pmau minimum). La surface supérieure du pavé de cadre de montage 3 est argentée. Le cadre de montage mesure 0,25 mm d'épaisseur. Après que toutes les connexions par fils ont été effectuées, on forme l'encapsulation en matière plastique 22, représentée sur la figure 4, en utilisant un procédé de moulage par transfert classique. Les fils de connexion en or sont suffisamment ductiles et suffisamment courts pour ré- sister de façon fiable aux forces qu'exerce sur eux l'écou- lement de la matière plastique en fusion pendant l'opération de moulage par transfert. La matrice de cadres de montage qui est représen- tée sur la figure 2 est entièrement classique et ne nécessi- te pas une description supplémentaire. Sur la figure 3, la "bande" en verre/époxy flexible dans le ruban 20 comporte un ensemble de trous pour picots 20-1 le long des bords, de façon qu'on puisse former un rouleau avec la "bande" 20 et qu'on puisse la faire avancer au moyen d'une bobine dans un processus automatisé. La bande 20 est entièrement constituée par le matériau verre/époxy revêtu de cuivre mentionné pré- cédemment, et les substrats isolants en verre/époxy indivi- duels, 5, sont découpés dans la bande par poinçonnage. Bien que ceci ne soit pas représenté sur la figure 3, le motif de pistes dorées individuelles 6-1, 6-2, le pavé doré 7 et les pistes dorées 12-1, etc., est répété sur chacun des substrats Isolants 5. Le contour de chacun des substrats iso- lants 5 sur la figure 3 indique les lignes selon- lesquelles une machine à poinçonner classique sépare ces substrats iso- lants par rapport à la pellicule 20, en sectionnant les bar- res de court-circuit 17-1. Les références 20-2 désignent 3 "bus d'électrodé- positicn" dorés, qui sont verticaux et allongés. Un ensemble de lignes horizontales, telles que les lignes 20-3, inter- connectent les bus d'électrodéposition verticaux. Toutes les interconnexions sur la surface supérieure des substrats iso- lants 5 sont connectées par des barres de court-circuit 17-1 au bus d'électrodéposition constitué par les lignes 20-2 et les lignes 20-3 de la figure 3, jusqu'à ce que ces dernières soient sectionnées au moment o les substrats isolants indi- viduels sont séparés par poinçonnage de la bande de pellicu- le 20. Cette structure permet de connecter aisément le bus d'électrodéposition à un potentiel électrique approprié, pour effectuer une électrodéposition d'or sur la totalité du motif consistant en une feuille de cuivre, qui a été gravé initia- lement sur la surface de la pellicule de verre/époxy 20 qui est revêtue d'une feuille de cuivre. Bien que dans le mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus, le substrat isolant 5 ait une forme en L, les découpures peuvent être faites à l'intérieur du substrat isolant 5, comme il est représenté dans la section de pelli- cule 20 en haut de la figure 3, o plusieurs découpures rec- tangulaires 15A et 15B sont formées dans chacun des substrats isolants 5A devant être poinçonnés à partir de la pellicule 20. On pourrait également poinçonner des découpures rondes dans les substrats isolants, pour permettre la connexion par des fils au pavé de cadre de montage, si on le désire. Les découpures 15A et 15B mettent à nu des zones du pavé de cadre de montage 3 qui sont suffisamment grandes pour permettre de fixer directement sur la surface à nu du pavé de cadre de montage 3, des composants tels que des puces de circuits intégrés cu d'autres composants. Il faut noter que dans certains cas, lorsque des substrats de diverses puces de circuits intégrés peuvent devoir être maintenus à des tensions différentes, il peut être souhaitable de fixer les puces de faible puissance aux jpavés conducteurs tels que le pavé 7 sur les substrats iso- lants 5, et de fixer d'autres puces de faible puissance di- rectement sur les zones à nu du pavé de cadre de montage 3, ce qui évite l'opération difficile consistant à faire chemi- ner des bus d'alimentation sur la surface supérieure des substrats isolants 5. On peut former une métallisation multicouche sur le substrat en verre/époxy. Bien entendu, des puces discrè- tes et/ou intégrées de forte puissance ou de faible puissan- ce, fabriquées en utilisant diverses technologies, peuvent être fixées, par des techniques de fixation de microplaquet- tes, sur des pavés de métal tels que le pavé 7, sur la pelli- cule isolante', et/ou les zones à nu du pavé de cadre de mon- tage. Le cadre de montage peut être divisé en plusieurs paves de cadre de montage séparés, chacun d'eux étant connecté électriquement à un doigt différent du cadre de montage, pour permettre d'appliquer des tensions arrière différentes à des puces séparées qui sont respectivement fixées sur les pavés par des techniques de fixation de microplaquettes. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit intégré hybride, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: (a) un ensemble de doigts de cadre de montage (2-1, 2-2,...) et un pavé de cadre de montage (3) qui est entuuré par les doigts; (b) une pelli- cule isolante (5) fixée de façon adhésive sur une surface du pavé de cadre de montage (3), une découpure (15-1, 15-2) dans la pellicule mettant à nu une zone (3A) de la surface du pavé de cadre de montage, avec un. ensemble de zones mé- tallisées sur la pellicule isolante (5), comprenant un pre- mier pavé métallisé (7), et un ensemble de pistes de conne- xions métallisées individuelles (6-1, 6-2, 7-1, 11-1, 12-1); (c) une première puce de circuit intégré (8) fixée sur le premier pavé (7) par des techniques de fixation de micropla- quettes, et une seconde puce de circuit intégré (13) fixée sur la zone à nu (3A), par des techniques de fixation de microplaquettes; (d) un ensemble de fils de connexion (16-5), chacun d'eux étant connecté entre un plot de connexion (9-1, 9-2,...; 14-1, 14-2,...) sur l'une des première-et seconde puces de circuit intégré (8, 13) et l'une respective des pistes de connexion (6-1, 6-2, 7-1, 11-1, 12-1); (e) une encapsulation en matière plastique qui remplit un volume contenant les doigts (2-1, 2-2,...), le pavé de cadre de montage (3), les première et seconde puces de circuit inté- gré (8, 13), les zones métallisées (6-1, 6-2, 7- l, 11-1, 12-1) et les fils de connexion (16-5). 2. Circuit intégré hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde puce de circuit intégré (13) dissipe une puissance supérieure à celle qui pourrait être évacuée par conduction thermique à travers la pellicule (5), si la seconde puce de circuit intégré (13) était fixée sur cette pellicule par des techniques de fixation de micro- plaquettes. 3. Circuit intégré hybride selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pellicule (5) consiste en un matériau du type verre/époxy. 4. Circuit intégré hybride selon la revendication 2, caractérisé en ce que les zones métallisées (6-1, 6-2, 7-1, 11-1, 12-1) sont constituées par une feuille de cuivre dorée. 5. Circuit intégré hybride selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première puce de circuit intégré (8) est un circuit intégré MOS, et le second circuit intégré (13) est un circuit intégré bipolaire. 6. Circuit intégré hybride, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: (a) un ensemble de doigts de cadre de montage (2-1, 2-2) et un pavé de cadre de mon- tage (3) entouré par les doigts; (b) une pellicule isolante (5) fixée sur une première zone de la surface du pavé de cadre de montage (3), une seconde zone (3A) de la surface du pavé de cadre de montage étant à nu, avec un ensemble de zones métallisées (6-1, 6-2, 7-1, 11-1, 12-1) sur la pelli- cule isolante (5), comprenant un ensemble de pistes de con- nexion métallisées individuelles; (c) une puce (13) fixée sur la seconde zone (3A), par des techniques de fixation de microplaquettes; (d) un ensemble de fils de connexion, cha- cun d'eux étant connecté entre un plot de connexion (14-1, 14-2, 14-3) de la puce (13) et l'une respective des pistes de connexion (11-1, 12-1); (e) une encapsulation en matière plastique remplissant un volume qui contient les doigts (2-1, 2-2,...), le pavé de cadre de montage (3), la puce (13), les zones métallisées (6-1, 6-2, 7-1, 11-1, 12-1) et les fils de connexion.