Brevet FR2669500A1 — publié le 19920522

CIRCUIT HYBRIDE FORME DE DEUX CIRCUITS DONT LES PISTES SONT RELIEES PAR DES BILLES DE CONNEXION ELECTRIQUE DESCRIPTION L'invention se rapporte à un circuit hybride formé de deux circuits étectroniques comportant chacun des pistes sur une face de connexion, Les pistes des deux circuits électroniques étant reliées par des bilttes de connexion électrique. La connexion par bilttes de matériaux à bas point de fusion est largement utilisée pour relier deux circuits électroniques et former ainsi un circuit composé ou hybride It existe des bittlles destinées à une connexion purement mécanique des circuits et d'autres bittlles qui retient des pistes conductrices des deux circuits et fournissent avant tout une connexion électrique Cependant, en générat, Les bilttes assurent simuttanément Les deux fonctions de connexions électrique et mécanique comme ceta est décrit dans La demande de brevet WO 87/01509. Un certain nombre de circuits hybrides sont soumis à des amptitudes thermiques importantes au cours de leur fonctionnement Quand Les matériaux du substrat des deux circuits électroniques ont des coefficients de dilatation différents, les billes sont soumises à des contraintes de cisailttement qui finissent par tes briser, directement ou par un phéno- mène de fatigue Les contraintes sont normalement p Lus importantes à La périphérie des deux circuits électroniques car Les déplacements dus aux ditatations sont plus marqués Quand une bi L Ltte est brisée, ettle ne peut évidemment ptus connecter les deux circuits électroniques, dont te fonctionnement est compromis s'it s'agit d'une bil Le de connexion électrique. Une technique répandue pour prolonger La vie du circuit hybride consiste à agir sur La forme des bi L Lttes de connexion Quand La matière destinée à constituer une bitlle est fondue pour mouiller les circuits électroniques et former une soudure une fois qu'elte est so Lidifiée à nouveau, elle prend une forme qui dépend de son volume, de l'écartement des circuits électroniques et des surfaces moui L Lab Les des deux circuits auxquelles e L Ltte adhère et sur Lesquelt Les elle s'étale à L'état Liquide On peut ainsi corriger L'action des forces de tension superficie L Ltte, qui donneraient des billtes sphériques, pour obtenir des bi L Lttes en forme de colonnettes plus ou moins étancées, renflées ou au contraire rétrécies au centre, comme ceta est décrit dans La demande de brevet JP-A-62 15 0837 (Patents abstracts of Japan, vol. 11 n 384). Les bilttes en forme de colonnettes élancées et peu renf Lées, c'est-àdire éloignées de La forme sphérique, ne sont en effet sujettes qu'à des concen- trations de contraintes modérées On réduit ainsi les problèmes de fatigue mais sans Les éliminer compltè- tement. Une autre solution décrite dans l'article de Norio Matsui publié dans IEEE Transactions on Compo- nents, hybrids, and Manufacturing Technology (vol. CHMT 12, n 4, December 1987 p 566-570) consiste à juxtaposer verticalement des bi L Lttes pour obtenir des colonnes dans lesquelles les contraintes seraient réduites Dans ce cas, le résultat obtenu équivalent au précédent n'est pas satisfaisant et nécessite une technologie très lourde et des opérations nombreuses et délicates. Dans l'invention, on recourt au contraire à des bi L Lttes de connexion électrique aussi arrondies que possible, voire quasi sphériques Ces billes relient des pistes des circuits électroniques qui présentent des parties, à l'emptacement et autour des zones de connexion, qui n'adhèrent pas aux circuits électroniques. Ces parties ont de préférence une Longueur au moins égale au rayon des billtes Le circuit hybride peut comprendre des billes supplémentaires corres- pondant à cetles de L'art antérieur et assurant simul- tanément la tenue mécanique et La connexion électrique entre Les circuits électriques qui sont regroupées dans une région centrale du circuit hybride; en effet, dans La région centrale du circuit hybride, les dila- tations différentiettlles entre Les deux circuits étec- troniques formant te circuit hybride, sont faibles et négtigeables Les bil Les de connexion électrique conformes à L'invention se trouvent dans une région périphérique, les parties des pistes qui n'adhèrent pas aux circuits étant de preference perpendiculaires aux directions respectives qui mènent à La région centrale. On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures suivantes annexées à titre ilttustratif et non limitatif: Les figures 1, 2 et 3 représentent une bille selon L'invention et Les parties adjacentes des circuits électroniques suivant des vues de dessus, de côté et de face; la figure 4 i L Lttustre le fonctionnement de L'invention; et Les figures 5 et 6 représentent deux genres de circuits hybrides. On se reporte tout d'abord aux figures 1 à 3 Les circuits électroniques 1 et 2 comportent pour L'essentiet un substrat qui peut être en siticium pour l'un, en alumine ou en composés II-VI ou III-V pour L'autre, et qui possède une face de connexion, respectivement 3 et 4 Les faces de connexion 3 et 4 sont parattètes et portent des pistes 5 pour ta transmission de signaux électriques Chaque piste 5 est formée essentiettement par une bande 6 de maté- riau conducteur de L'étectricité, tet que L'or, déposé en une couche mince sur la face de connexion 3 ou 4 Toutefois, comme L'or n'adhère pas aux substrats usuets, une sous-couche 7 est déposée sur La face de connexion 3 ou 4 avant de déposer ta couche dont La gravure donne ensuite Les bandes conductrices 6. Ette est en un matériau, tet que te chrome ou te ti- tane, qui adhère à la fois aux matériaux du substrat et des bandes conductrices 6, qui sont ainsi cottées à ta face de connexion 3 ou 4. Génératement, une couche de passivation 8 est déposée sur Les bandes conductrices 6 pour Les protéger E Lle peut être en dioxyde de siticium ou en sutfure de zinc et présente des ouvertures sur des parties des couches conductrices 6 qui forment des zones de connexion 9 Des bittes 10 de connexion étectrique s'étendent entre des zones de connexion 9 de deux pistes 5 disposées respectivement sur tes faces de connexion 3 et 4 Les bittes 10 sont en un métat ou un attiage à bas point de fusion tet que t'indium, t'indium-étain ou L'étain-ptomb. Les bandes conductrices 6, La sous-couche 7 et ta couche de passivation 8 sont formées sur Les faces de connexion 3 ou 4 par tes techniques, usuettes dans ce domaine, de dépôt de couches uniformes et de gravure de ces couches par des masques appropriés, ce qui ne nécessite pas de commentaires particutiers. La matière devant constituer Les bittes 10 est ensuite déposée sur tes zones de connexion 9. Le circuit étectronique 2 est ators chauffé dans un milieu désoxydant jusqu'à ce que la matière devant constituer les bi L Les 10 fonde et se redresse sous l'effet des forces de tension superficielles. Cette matière est choisie de manière à mouiller La matière des bandes conductrices 6 mais pas ce L Le de la couche de passivation 8 Les bi L Les 10, obtenues après refroidissement et solidification, ont finalement une forme sphérique tronquée aux zones de connexion 9, o la matière des billes 10 s'étale sur les portions dénudées des bandes conductrices 6. Le second circuit éLectronique 1 est ensuite posé sur les bi L Les 10 qui sont soumises à une nouve L Le fusion sans laisser les circuits 1 et 2 se rapprocher. Les machines actuelles d'hybridation permettent de régler L'écartement des faces de connexion 3 et 4 avec une grande précision La matière des billes 10 s'étale sur Les zones de connexion 9 de L'autre face de connexion 3, pratiquement sans changement de la Torme des bi L Les 10, et La connexion entre les circuits électroniques I et 2 est établie dès que les bi L Les sont de nouveau solidifiées. Les zones de connexion 9 sont avantageusement petites pour obtenir des bi L Les aussi sphériques que possible. Selon L'invention, La sous-couche d'adhérence 7 n'existe pas sous des parties libres 11 des pistes qui s'étendent au-dessous des billes 10, et com- prennent en particulier Les zones de connexion 9 ainsi que des zones situées de part et d'autre de La zone de connexion 9 Les parties libres 11 n'adhèrent donc pas aux faces de connexion 3 et 4. Quand le circuit hybride formé des deux circuits électroniques 1 et 2 est soumis à un échauffe- ment ou un refroidissement important, Les différences de dilatations qui peuvent se produire se traduisent par un mouvement de glissement mutuel des deux circuits électroniques 1 et 2 parallètement à leurs plans. La figure 4 représente le résultat obtenu: les billes roulent sur les deux faces de connexion 3 et 4 sans pratiquement subir des efforts et les parties libres 11 sont décollées et soumises à des déformations de torsion Cependant, les contraintes qui en résultent sont faibles en pratique par rapport aux contraintes que la bille 10 devrait supporter si elle était rigide- ment reliée aux circuits 1 et 2 car les couches conduc- trices 6 ont une faible épaisseur et le roulement des billes 10 est un mouvement qui déplace relativement peu les parties libres 11, du moins pour des angles de rotation modérés. Il est avantageux que les parties libres 11 soient plus étroites que le reste des pistes 5, ce qui a été représenté à l-a figure 2, pour limiter les contraintes de torsion La partie de la couche de passivation 8 qui se trouve au-dessus des parties libres 11 est déchirée au premier mouvement des billes et suit les bandes conductrices 6. La souplesse de la liaison est la plus grande pour des mouvements des billes 10 perpendiculaires aux parties libres Deux genres de circuits hybrides conçus en fonction de cette remarque sont représentés aux figures 5 et 6 Dans la figure 5, les circuits la et 2 a sont des barrettes allongées Les pistes et les parties libres 11 s'étendent suivant la dimension transversale des barrettes la et lb Les billes 10 de connexion électrique sont réparties suivant une rangée longitudinale La connexion mécanique entre les circuits la et lb est assurée par quelques rangées transversales de bittlles de connexion mécanique 12 conformes à l'art antérieur au centre des barrettes la et lb Si des dilatations thermiques se produisent} elles sont essentiellement longitudinales. Les circuits électroniques lb et 2 b de la figure 6 ont une forme carrée et sont reliés entre eux par des billes 12 concentrées dans une région centrale 13 Les contraintes appliquées à ces billes sont négligeables, aussi ces dernières seront conformes à l'art antérieur Le reste des circuits lb et 2 b forme une région périphérique 14 qui entoure la précé- dente et sur laquelle les pistes 5 porteuses des parties 11 et des billes 10 de connexion électrique sont orientées de manière à être perpendiculaires aux directions menant des billes 10 respectives à la région centrale 13 En effet, si des dilatations thermiques différentielles se produisent, elles seront principalement radiales et croissantes à partir de la région centrale 13. L'invention peut être mise en oeuvre d'autres manières, notamment avec des matériaux différents. Tous les matériaux utilisés normalement dans cette technique et qui présentent les propriétés évoquées plus haut pour la réalisation de l'invention peuvent convenir Les billes 10 peuvent avoir un diamètre de quelques dizaines de micromètres, la sous- couche 7 et la couche de passivation 8 des épaisseurs de quelques centaines de nanomètres, les parties libres 11 des largeurs de quelques micromètres Il faut remar- quer que les bittlles 10 peuvent être constituées de matériaux qui sont exclus dans les conceptions o elles sont soumises à des contraintes de cisaillement, notamment de matériaux durs qui roulent facilement et sans s'aplatir sous le poids du circuit électronique I ou 2 supérieur mais que leur faible ductilité rend inaptes à subir des déformations notables C'est ainsi que le pied des bittlles 10 est le siège d'une diffusion locale du métal des bandes conductrices 6 Dans le cas d'or et d'indium, l'alliage qui est formé est plus dur que l'indium et résiste donc moins bien aux déformations, ce qui est désavantageux dans les concep- tions antérieures car i L se trouve précisément à l'en- droit o les contraintes de cisaillement sont les plus importantes Dans L'invention, l'alliage accroit la dureté de l'endroit soumis au roulement et améliore donc celui-ci. REVENDICATIONS 1 Circuit hybride formé de deux circuits électroniques ( 1, 2) comportant chacun des pistes ( 5) sur une face de connexion ( 3, 4), les pistes ( 5) des deux circuits électroniques ( 1, 2) étant reliées par des billes ( 10), arrondies, de connexion électrique qui adhèrent à des zones de connexion ( 9) appartenant aux pistes ( 5), caractérisé en ce que les pistes ( 5) comprennent, à l'emplacement et autour des zones de connexion ( 9), des parties libres ( 11) qui n'adhèrent pas aux circuits électroniques ( 1, 2). 2 Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties libres ( 11) des pistes ont une longueur au moins égale au rayon des billes. 3 Circuit hybride selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les parties libres ( 11) des pistes ( 5) constituent des rétrécissements des pistes ( 5). 4 Circuit hybride selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des billes de connexion mécanique ( 12) entre les circuits électroniques ( 1, 2) dans une région centrale ( 13), et des billes de connexion électrique dans une région périphérique ( 14), les parties libres ( 11) des pistes étant perpendiculaires aux directions respectives qui mènent à la région centrale.