Brevet FR2670322A1 — publié le 19920612

MODULES DE MEMOIRE A ETAT SOLIDE ET DISPOSITIFS DE MEMOIRE COMPORTANT DE TELS MODULES L'invention concerne le domaine des dispositifs de mémoire utilisés dans les systèmes informatiques et notam- ment les mémoires à grande capacité. Les besoins en capacité de mémoire des systèmes in- formatiques ne cessent d'augmenter Dans beaucoup de cas, l'espace disponible doit être aussi réduit que possible. Ces besoins ont conduit à développer des composants unitai- res de plus en plus intégrés: les composants de mémoire vive atteignent en 1990 des capacités de 1 Mbit en stati- que, 4 Mbits en dynamique Ils ont également conduit à -dé- velopper des procédés d'interconnexion permettant de fortes densités de montage des puces Pour augmenter encore la ca- pacité dans un volume donné, on a proposé des modules de mémoire comprenant, sur un substrat d'interconnexion, un empilement constitué de plusieurs puces superposées On réalise ainsi une répartition dans l'espace et non plus simplement dans le plan Mais on se heurte à des problèmes d'interconnexion qui conduisent à des processus itératifs onéreux et longs Il faut en effet, du fait que les puces sont exactement superposées, effectuer les liaisons sur la puce la plus basse, placer un intercalaire, coller la puce qui est au-dessus, câbler cette nouvelle puce et ainsi de suite. La présente invention vise à augmenter les densités d'implantation couramment utilisées à l'heure actuelle, par une répartition en volume et non plus en plan, sans pour autant rencontrer les problèmes d' interconnexion auxquels se heurtent les solutions déjà envisagées Elle utilise dans ce but la constatation que la plupart des puces de mémoires à grande capacité existantes ont une forme rectan- gulaire très allongée et que les connexions de sortie de ces puces sont souvent localisées aux deux extrémités A titre d'exemple, la puce HC 628-128 de mémoire 1 Mbit a uîne longueur L et une largeur 1 qui sont respectivement de 14,4 et de 5,7 mm, avec seize plages de raccordement à chaque extrémité Conformément à un aspect de l'invention, un mo- dule de mémoire comprenant, sur un substrat d'intercon- nexion, plusieurs puces de mémoire à semi-conducteurs de forme allongée dont les sorties sont localisées aux extré- mités est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux puces empilées et croisées. Grâce à ce croisement, les connexions à partir des deux extrémités des puces s'effectuent sans aucune diffi- culté, puisque les liaisons à partir de la puce supérièure ne sont pas gênées par la puce inférieure En apparence; le montage en croix de deux puces ne fait pas gagner d'espace. Mais en fait il est toujours nécessaire d'associer aux mé- moires des composants annexes de plus petite dimension, tels que des condensateurs et/ou des circuits logiques in- tégrés Ces composants de petite taille peuvent être placés entre les branches de la croix. Lorsque les puces sont suffisamment allongées, trois puces peuvent être croisées à 60 les unes des autres. Qu'on utilise deux puces ou trois puces croisées, il est souhaitable de placer des cales sous les extrémités des puces, afin d'éviter un porte-à-faux lors de l'appui de l'organe de soudure des fils d'aluminium ou d'or aux plages terminales. Sur deux puces empilées et croisées peuvent être superposés d'autres jeux de deux puces, chaque fois en pla- çant des cales destinées à éviter les portes-à-faux. Dans un mode avantageux de réalisation de l'inven- tion, applicable lorsque chaque puce a une longueur supé- rieure à deux fois sa largeur, un couple de deux puces pa- rallèles et identiques est croisé à angle droit avec un autre couple de deux puces également parallèles, identiques aux premières Cette disposition permet d'augmenter consi- dérablement la compacité. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe en éléva- tion montrant un micro-module constitué de deux puces de mémoire sur un substrat; la figure 2 est une vue en élévation montrant la juxtaposition de deux couples de puces, les deux puces de chaque couple ayant la disposition montrée en figure 1 i la figure 3 montre schématiquement un module comprenant trois puces croisées à 600; la figure 4, similaire à la figure 1, montre un mode particulièrement avantageux de mise en oeuvre de l'invention; la figure 5 montre un dispositif de mémoire com- portant quatre micro-modules du genre montré en figure 4; la figure 5 A est un schéma en perspective mon- trant comment les plages des puces d'un micro-module du genre montré en figure 5 peuvent être raccordées à un bus prévu sur un support; la figure 6 montre un dispositif comportant un support double face; la figure 7, similaire à la figure 6, montre un mode possible de montage en bottier hermétique; les figures 8 et 9, similaires à la figure 6, montrent des variantes de réalisation; la figure 10 est un schéma de principe montrant un mode possible de montage de micro-modules avec raccorde- ment avec une carte mère. Le micro-module montré schématiquement sur la figu- re 1 comporte un substrat porteur 12 et deux puces de mémoire 14 et 16, de forme allongée La puce 14 est direc- tement collée sur le substrat 12, qui est par exemple un substrat en céramique portant un circuit hybride Les plots de sortie 18 de la puce 14 sont raccordés à des pistes formées sur le substrat porteur 12 par des fils -19, généralement en aluminium ou en or, fixés par soudage thermosonique ou par thermocompression La puce 16 est collée en croix sur la puce 14 et ses plots de sortie sont également reliés aux pistes du substrat porteur 12 par des fils 19, qui auront une longueur plus grande que les fils de raccordement des plages 18 Un tel collage à l'aide de résine isolante époxyde ou silicone est possible sans aucune corrosion des puces, dont la surface est passivée dans la zone encollée Pour éviter un porte-à-faux intempestif lors de l'application de la sonde de soudage, des cales 20 de même épaisseur que la puce 14, donc très minces (en général moins de 0,3 mm) sont intercalées sous les parties terminales de la puce 16 On utilisera généralement des cales en silicium, qui pourront être des fragments de puces mises au rebut. La mise en place de la puce 14 et des cales 20, puis de la puce 16, peut s'effectuer par une machine auto- matique à l'heure actuelle disponible. Dans les zones mortes qui subsistent entre les branches de la croix formée par les puces 14 et 16 peuvent être disposés des composants de petite taille, tels qu'un condensateur 22 et des logiques associés 24, tels que registres tampon, circuits de couplage, etc Comme le montre la figure 2, on peut empiler deux jeux de puces du genre montré en figure 1, ce qui permet un gain de place supplémentaire La puce 14 a placée au- dessus de la puce 14 en est séparée par la puce 16 et par des ca- les 34, qui doivent laisser alors subsister un léger porte- à-faux pour laisser de la place aux soudures des fils 19 et ne pas écraser ces fils Il en est de même des cales 36 in- terposées entre les puces 16 a et 16. Le nombre de jeux de deux puces que l'on peut ainsi empiler est limité notamment par les modes habituels de montage automatique: les machines à soudage thermosonique n'acceptent qu'une dénivelée limitée entre les soudures d'extrémité d'un même fil On voit sur la figure 2 que la dénivelée entre les soudures terminales d'un fil 19 a est déjà nettement supérieure à la dénivelée entre les soudures d'un fil 19. Une autre limitation du nombre de jeux est liée au caractère itératif du processus de montage: alors que dans la figure 1 une seule séquence de soudage suffit, deux sé- quences sont nécessaires dans le cas de la figure 2, puisqu'il faut successivement placer le premier jeu et fai- re les soudures, puis coller les puces du second étage avant d'effectuer une nouvelle opération de soudage. Lorsque les puces de mémoire ont un rapport lon- gueur (L) largeur ( 1) suffisant, il est possible de croiser plus de deux puces, pour permettre de câbler en une seule opération un nombre plus élevé de puces disposées en étoi- le On a notamment utilisé trois puces à 60 l'une de l'autre On peut également placer en étoile quatre puces 14, 16, 26 et 28, comme le montre la figure 3 Dans ce cas, des cales de dimension et d'épaisseur différentes 20, 30 et 32 doivent être prévues Les puces et les cales sont d'abord assemblées par collage, puis le câblage est effec- tué comme dans le cas de la figure 1. La figure 4 montre un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux par le gain de pla- ce qu'il procure et l'absence de porte-à-faux Le micro- module montré en figure 4 comporte une paire de puces infé- rieure 38 et une paire de puces supérieures 40 Les deux puces de chaque paire sont disposées parallèlement l'une à l'autre et croisées avec les deux puces de l'autre paire. Les puces 38 sont collées directement sur le substrat et leur écartement est tel que les parties terminales des pu- ces 40 s'appliquent sur elles, évitant un porte-à-faux Des cales 42 peuvent être placées entre les puces 38 pour ga- rantir une mise en place relative précise L'écartement dès puces 40 est tel qu'elles libèrent les parties terminales des puces 38 et notamment les plots de raccordement des fils 19 Ce montage autorise également l'emploi de puces présentant des plots de sortie 44 dans leur zone médiane. Dans le dispositif montré en figure 4, la densité d'intégration est pratiquement doublée par rapport à celle d'un montage normal. Il est possible de constituer un micro-module indé- pendant, testable individuellement, interchangeable avec un autre micromodule, en utilisant un substrat 12 de petit format, toutes les connexions d'interface du micro-module étant ramenées d'un seul côté du module, sur des plots de sortie 46, par des pistes imprimées. Plusieurs micro-modules du genre montré en figure 4 peuvent être montés sur une seule face ou sur les deux fa- ces d'un support de plus grande taille, de type co-cuit, ou portant des circuits en couche épaisse La figure 5 montre quatre micro-modules ayant chacun un substrat 12, fixés sur un support 45 portant des circuits d'interconnexion réali- sés par exemple en technologie à couche épaisse Le support peut porter également des composants annexes 48. Dans un module du genre montré en figure 5, les connexions peuvent être rendues particulièrement simples en prévoyant sur le support 45 un bus passant sous les sub- strats 12 Les plages de connexion des substrats sont alors reliées aux fils de bus par des trous métallisés des sub- strats Les liaisons avec les conducteurs de bus 50 peuvent également être effectuées à l'aide de tronçons de fils sou- dés 52, comme indiqué schématiquement sur la figure 5 A. Un support 45 peut être muni de micro-modules sur ses deux faces, comme indiqué sur la figure 6 On peut ain- si constituer des modules portant quatre micro-modules sur chaque face et correspondant à une mémoire organisée en octets. Un tel module peut être placé dans un bottier métallique comportant un cadre 54 et des couvercles scellés 56, comme indiqué sur la figure 7 Le support peut être un des sub- strats bi-face dits "multi-chip modules" en cours de com- mercialisation dont les deux faces sont reliables par -des liaisons à l'intérieur du support. Dans une autre disposition possible, illustrée sur la figure 8 deux micro-modules ayant chacun la constitution montrée en figure 5 sont superposés sur un support 58, Les deux micro-modules sont alors identiques, mais une cale in- tercalaire 60 doit être prévue entre pour eux pour éviter de coucher les fils de connexion du micro-module inférieur. Une autre solution, schématisée en figure 9, consiste à utiliser un micro-module supérieur dont le substrat support 12 a a une taille en plan supérieure à celle du substrat support 12 du micro-module inférieur de façon qu'il puisse reposer sur une cale 60 en forme de cadre La cale 60 a alors une épaisseur réservant un jeu de passage des fils entre le micro-module inférieur et le substrat 12 a. Dans le cas illustré en figure 9, un substrat por- teur pourra être orienté à 1800 de l'autre et prévu pour que sa rangée de plots de connexion externe 46 corresponde aux emplacements d'un bus rectiligne sur le support 58. Plusieurs modules du genre montré en figure 6 peu- vent être juxtaposés parallèlement dans un cadre ou bottier métallique portant une carte mère pour constituer un dispo- sitif de mémoire La figure 6 montre les flancs 62 d'un tel cadre, munis de rainures dans lesquelles s'engagent les supports 45 L'écoulement de la chaleur générée par les circuits est assuré par appui des bords des supports 45 contre la paroi des rainures par des ressorts 64 La carte mère, non représentée, est prévue au fond du cadre. La figure 10 montre un dispositif qui constitue une variante de celui de la figure 6 Le fond 66 du cadre porte la carte mère 68, équipée éventuellement sur sa face arriè- re de composants tels que des mémoires ou jeux de bascules tampons, des condensateurs, etc 70 Les supports 45, portant chacun un jeu de quatre puces sur chaque face, sont encore guidés par des rainures non représentées Des res- sorts en épingle 72, emprisonnés dans des logements du cadre, pressent les bords des supports contre la paroi-des rainures et garantissent un bon contact thermique Les sup- ports 45 sont munis de rangées de pattes de sortie 74 de même longueur fixées aux supports, par exemple par soudage à haute température ou soudage électrique à pression Les pattes de sortie 74 viennent en contact avec la carte mère 68, constituée généralement en circuit couche épaisse ou en co-cuit céramique du type couramment désigné par l'abrévia- tion anglo-saxonne "multi-chip module" Cette carte est préalablement étamée localement, aux emplacements d'appui des sorties 74 Les pattes de sortie 45 peuvent ensuite être solidarisées des zones étamées en une seule opération de refusion, par exemple en phase vapeur. L'ensemble ainsi constitué peut être enfermé her- métiquement dans un bottier équipé de sorties parallèles prolongeant la carte mère. Le montage de la figure 10 permet de disposer des micro-modules à un intervalle de 3 mm les uns des autres, ce qui permet de monter 16 micromodules comportant des puces de 4 Mbits pour constituer un module mémoire de 0,5 Gbits dans un volume ne dépassant pas 35 x 65 x 34 mm. L'invention ne se limite nullement aux modes particuliers de réalisation qui ont été donnés à titre d'exemples Elle s'étend à toute variante entrant dans le cadre des équivalences et à toute combinaison entre elles des différentes dispositions décrites. REVENDICATIONS 1 Module de mémoire comprenant, sur un substrat ( 12) d'interconnexion, plusieurs puces de mémoire à semi- conducteurs de forme allongée dont les sorties sont locali- sées aux extrémités, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux puces ( 14,16; 38,40) empilées et croisées. 2 Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que des composants annexes ( 22,24) tels que des conden- sateurs ou des circuits logiques intégrés, sont placés entre les branches de la croix constituée par deux puces ( 14,16) à 900. 3 Module selon la revenication 1, caractérisé en ce qu'il comporte trois puces croisées à 600 les unes des autres à quatre puces ( 14,16,26,28) à 45 . 4 Module selon la revendication 1, 2 ou 3, carac- térisé en ce que des cales ( 20,30,32) sont placées sous les extrémités des puces en porte-à-faux. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que, chaque puce ( 38,40) ayant une longueur supérieure à deux fois sa largeur, un couple de deux puces parallèles et identiques ( 38) est croisé à angle droit avec un autre cou- ple de deux puces également parallèles et identiques ( 40). 6 Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, sur un jeu d'au moins deux puces empilées et croisées est superposé un autre jeu d'au moins deux puces, des cales étant prévues pour éviter les portes-à-faux. 7 Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat ( 12) porte au moins un jeu de deux puces sur chaque face. 8 Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un support ( 45) muni d'un bus ( 50) passant sous plusieurs substrats ( 12) et en ce que les substrats sont munis de moyens de liaison avec le bus. 9 Module selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque substrat porte des plots de sortie des puces sur un seul bord et en ce que lesdits plots de sortie sont reliés aux fils de bus par des fils soudés. 10 Dispositif de mémoire comprenant plusieurs mo- dules suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les substrats des modules sont placés parallèlement les uns aux autres dans un cadre et munis, sur un bord, de pattes de sortie soudables à des zones de raccordement d'une carte mère placée au fond du cadre.