Brevet FR2688630A1 — publié le 19930917

PROCEDE ET DISPOSITIF D'INTERCONNEXION EN TROIS DIMENSIONS DE BOITIERS DE COMPOSANTS ELECTRONIQUES La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour l'interconnexion de boîtiers empilés, chacun des boîtiers encapsulant un composant électronique tel que pastille semi-conductrice, contenant par exemple un circuit intégré, ou un capteur; ces composants seront désignés ci-après indifféremment par les termes composants ou pastilles. La réalisation des systèmes électroniques actuels, tant civils que militaires, doit tenir compte d'exigences de plus en plus grandes de compacité, du fait du nombre de plus en plus élevé de circuits mis en oeuvre. En ce sens, il a déjà été proposé de réaliser des empilements de circuits intégrés, comme par exemple décrit dans le brevet américain nO 4.706.166. Selon cette réalisation, les pastilles elles-mêmes sont disposées sur un circuit imprimé, accolées les unes aux autres perpendiculairement au circuit imprimé ; les plots de connexion de chacune des pastilles sont ramenés sur un même côté de la pastille ; ce côté est disposé sur le circuit imprimé et les connexions avec ce dernier y sont réalisées. Toutefois, cet arrangement présente notamment des limitations liées au nombre de plots qu'il est matériellement possible de disposer sur un seul côté d'une pastille semi-conductrice ; en outre, il est onéreux du fait que les pastilles ne sont pas standard (la disposition des plots doit être modifiée); enfin, les connexions ainsi réalisées sont peu accessibles et de plus non visibles, ce qui en limite l'utilisation. La présente invention a pour objet d'éviter les limitations précédentes en empilant et en interconnectant non plus des pastilles, mais des boîtiers contenant les composants et en utilisant les faces de l'empilement comme surfaces d'interconnexion. De la sorte, d'une part sont évités les inconvénients et limitations précédents et, d'autre part, le prix de revient en est diminué: en effet, notamment lorsqu'il s'agit de pastilles semiconductrices, les pastilles sous boîtier, en plastique généralement, sont disponibles sur le marché à des prix inférieurs à ceux pratiqués pour les pastilles seules, principalement pour des raisons de quantités fabriquées, et leur test est en outre plus aisé donc moins onéreux. Plus précisément, selon l'invention, on empile des composants contenus dans des boîtiers munis de broches de connexion, on solidarise les boîtiers à l'aide d'un matériau isolant, du type résine polymère par exemple, on découpe les broches des boîtiers de sorte qu'elles affleurent les faces de l'empilement ainsi réalisé, puis on forme des connexions électriques entre les broches sur les faces de l'empilement. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illustrée par les dessins annexés, qui représentent - la figure 1, un mode de réalisation du procédé selon l'invention; - les figures 2a et 2b, des exemples de boîtiers susceptibles d'être insérés dans le dispositif selon l'invention; - la figure 3, une étape de la fabrication du dispositif selon l'invention; - les figures 4a à 4c, différentes variantes d'une étape suivante de la fabrication du dispositif selon l'invention; - la figure 5, un mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - les figures 6a et 6b, des détails de réalisation de la figure précédente - la figure 7, un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. En outre, pour la clarté des dessins, I'échelle réelle n'a pas été respectée. La figure 1 illustre donc un mode de réalisation du procédé selon l'invention. La première étape du procédé, repérée 11, consiste à empiler des boîtiers, chacun contenant un composant électronique, par exemple une pastille semi-conductrice dans laquelle est réalisé un circuit intégré. Les boîtiers sont chacun en outre munis de broches de connexion. La figure 2a illustre un exemple d'un tel boîtier. Sur cette figure, on a représenté un boîtier, globalement repéré 2, par exemple rectangulaire; il comporte des broches de connexion 21 émergeant par exemple sur deux de ses côtés, par exemple les petits côtés. Une coupe a été réalisée dans le boîtier selon sa grande longueur; on y distingue la pastille 20, disposée en général sur une feuille électriquement conductrice 22, ainsi que deux broches 21 se prolongeant à l'intérieur du boîtier 2 et reliées par des fils conducteurs 23 aux plots de connexion (non représentés) de la pastille 20. La figure 2b représente un autre exemple d'un boîtier susceptible d'être utilisé dans le dispositif selon l'invention. Sur cette figure, analogue à la figure 2a, on retrouve un boîtier 2 vu en coupe et comportant des broches de connexion 21, ainsi que la pastille semi-conductrice 20; sur la figure 2b, la coupe n'étant pas faite au droit d'une broche 21, la partie de celle-ci qui est intérieure au boîtier 2 n'est pas visible. Dans cette variante, le boîtier comporte en outre une plaque 23, réalisée en un matériau bon conducteur de la chaleur et formant drain thermique, cette plaque constituant au moins en partie le fond du boîtier 2. La figure 3 représente, vu en perspective, I'empilement 3 des boîtiers 2 réalisé lors de l'étape il, les boîtiers étant par exemple tels que représentés figure 2a. On a repéré par 31 et 32 les faces de l'empilement qui comportent les broches 21, par 33 la face supérieure de l'empilement (parallèle aux boîtiers 2) et par 34 I'une des autres faces latérales. Lors de l'étape suivante (12, figure 1), on procède à la solidarisation des boîtiers empilés par enrobage de l'ensemble par un matériau électriquement isolant, tel qu'une résine polymérisable, époxy par exemple. L'étape suivante (13, figure 1) consiste à découper les broches 21 des différents boîtiers, de sorte à ce qu'elles affleurent les faces de l'empilement. La figure 4a représente le résultat de cette étape 13, dans le cas des boîtiers illustrés sur la figure 2a. Sur cette figure sont visibles les faces 32, 33 et 34 de l'empilement 3 ; on retrouve les broches 21 maintenant affleurant la face 32; les boîtiers 2 ont été représentés en pointillés, n'étant plus visibles du fait du matériau d'enrobage. La figure 4b est une vue analogue à celle de la figure 4a, mais dans le cas des boîtiers illustrés sur la figure 2b. L'empilement, toujours référencé 3, est formé des boîtiers 2 qui comportent chacun un drain thermique 23. Ces derniers affleurent la face 34 de l'empilement, ainsi que la face qui lui est opposée, comme les broches 21 des boîtiers affleurent les faces 31 et 32. La figure 4c est une variante de la figure précédente, où on a disposé un dissipateur thermique 36, par exemple un radiateur à ailettes, sur la face 34 de l'empilement 3 où affleurent les drains thermiques 23. Un dissipateur du même genre peut également être disposé sur la face de l'empilement qui est opposée à la face 34 et où les drains 23 peuvent également affleurer. La fixation du radiateur 36 peut par exemple s'effectuer par collage, à l'aide d'une colle époxy par exemple, soit directement sur la face de l'empilement, soit après métallisation de celle-ci comme décrit ci-après. L'étape suivante (14, figure 1) consiste à déposer une (ou plusieurs) couche(s) conductrice(s), métallique(s) par exemple, sur l'ensemble des faces de l'empilement 3 précédemment réalisé. L'étape suivante (15, figure 1) consiste à réaliser sur les faces de l'empilement 3, à partir de la couche métallique précédente, des connexions reliant les broches 21 entre elles. La figure 5 représente un empilement selon l'invention sur lequel sont illustrés des exemples de connexion. Sur cette figure, on a représenté l'empilement 3 dont les faces 31, 33 et 34 sont visibles. On a représenté également les boîtiers 2 en pointillés et leurs broches de connexion 21, affleurant la face 31. L'empilement 3 comporte sur une ou plusieurs de ses faces, par exemple sur la face 33, des plots 35, dits plots d'empilement, pour sa liaison électrique à des circuits extérieurs. Les broches 21 sont à la fois interconnectées entre elles et, quand nécessaire, reliées aux plots d'empilement 35 à l'aide de connexions C. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure le cas où les boîtiers 2 contiennent des mémoires; dans ce cas, I'ensemble de leurs broches homologues sont reliées entre elles et à un plot d'empilement 35 sauf une, repérée 24, pour chacun des boîtiers. Cette broche 24, qui correspond à l'entrée de sélection de la mémoire, est reliée pour chaque boîtier individuellement à un plot d'empilement 35 distinct. Bien entendu, si les boîtiers comportent davantage de broches nécessitant une individualisation, on procède de même pour chacune. Les figures 6a et 6b illustrent plus en détail un mode de réalisation des connexions C. La figure 6a représente une vue fractionnaire et agrandie d'un morceau A de l'empilement de la figure 5, où l'on voit une connexion C et un plot d'empilement 35. La figure 6b est une vue en coupe selon un axe BB de la figure 6a. Chacune des connexions C est formée par deux gravures 51 et 52, réalisées à l'aide d'un laser qui détruit localement la couche conductrice, repérée M, et fait apparaître le matériau isolant de solidarisation de l'empilement, repéré D; ce matériau D a été représenté en pointillés sur la figure 6a pour la clarté du schéma. De la sorte, on réalise l'isolation électrique de la connexion C du reste de la couche M. Les plots d'empilement 35 peuvent être avantageusement réalisés par la même technique de gravure laser comme représenté sur la figure 6a. Une autre méthode de réalisation des connexions C consiste à réaliser d'abord des rainures dans l'empilement 3, au niveau où les broches 21 affleurent, de sorte à dégager l'extrémité de ces dernières, et opérer ces rainures selon le dessin retenu pour les connexions C; puis on dépose une couche électriquement conductrice (métal par exemple) sur l'ensemble de l'empilement, faces et rainures ; enfin, on enlève la couche conductrice des surfaces planes de l'empilement (par polissage ou par laser par exemple), de sorte à ne la laisser subsister que dans les rainures où elle réalise les connexions recherchées. II est à noter que les connexions C et les plots d'empilement 35 peuvent être disposés sur des faces quelconques de l'empilement ou même la totalité des faces, le choix se faisant en fonction de l'application. Dans le cas où les boîtiers 2 comportent un drain thermique 23 comme représenté par exemple sur la figure 2b, celui-ci peut être réalisé en un matériau électriquement isolant (nitrure d'aluminium, carbure de silicium, par exemple) si on souhaite disposer des broches 21 et/ou former des connexions C sur les faces où affleurent les drains 23. La dernière étape du procédé représenté figure 1, repérée 16, consiste en la fixation sur l'empilement de broches de connexion, comme illustré sur la figure 7. Sur cette figure, on retrouve l'empilement 3 dont les faces 32, 33 et 34 sont visibles, ainsi que les broches 21 des boîtiers, affleurant la face 32. A titre d'exemple, on a représenté certaines des connexions C reliant des broches 21 aux plots d'empilement; toutefois, ceux-ci ne sont pas ici visibles parce que recouverts par l'extrémité de broches 36 de deux grilles 37 par exemple, les broches 36 étant destinées à former les broches de connexion de l'empilement, après découpe selon un plan XY, ainsi qu'il est connu dans le domaine de l'encapsulation des composants. Cette dernière étape est optionnelle. En effet, un empilement 3 n'est pas nécessairement muni de broches de connexion : il peut être monté "à plat", c'est-à-dire soit par soudure directe sur ses plots d'empilement, sur un circuit imprimé ou sur un autre empilement, soit par l'intermédiaire de grilles adaptées. II a été ainsi décrit un dispositif d'interconnexion en trois dimensions de boîtiers contenant des composants électroniques qui présente de nombreux avantages - permettre une densité de composants élevée : en effet, les boîtiers sont ici empilés et, ce, sans espacement entre les boîtiers - être utilisable avec des boîtiers présentant des broches de connexion sur un nombre quelconque de côtés : en effet, I'invention ne nécessite pas qu'une ou deux des faces latérales soient libres de broches - être applicable à l'empilement d'un nombre quelconque de boîtiers; - présenter un coût de production bas, notamment parce qu'il se prête à l'utilisation des boîtiers à leur sortie du moule, lorsqu'ils sont encore reliés en barrettes : les barrettes sont alors empilées comme décrit ci-dessus pour les boîtiers et plusieurs empilements peuvent être ainsi réalisés collectivement. REVENDICATIONS 1. Procédé d'interconnexion en trois dimensions de boîtiers contenant au moins un composant électronique et munis de broches de connexion, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes - empilement (11) des boîtiers - solidarisation (12) des boîtiers empilés à I'aide d'un matériau électriquement isolant; - découpe (13) des broches des boîtiers, de sorte qu'elles affleurent les faces de l'empilement; - formation (15) de connexions électriques entre les broches sur les faces de l'empilement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau isolant est une résine polymérisable. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'étape (15) de formation de connexions électriques se décompose en deux sous-étapes - la première sous-étape consistant en un dépôt d'une couche conductrice sur l'ensemble des faces de l'empilement; - la deuxième sous-étape consistant en une gravure de la couche conductrice pour former des connexions électriques reliant les conducteurs entre eux. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'étape de formation des connexions se décompose en sous-étapes - réalisation de rainures dans l'empilement au niveau où les broches affleurent et selon le dessin souhaité pour les connexions; - dépôt d'une couche conductrice sur l'ensemble de l'empilement rainuré - suppression de la couche conductrice sur les surfaces planes de l'empilement, ne la laissant subsister que dans les rainures où elle forme les connexions. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que, lors de l'étape de formation de connexions électriques, sont formés en outre des plots dits d'empilement, destinés à la connexion de l'empilement avec des circuits extérieurs, et que les connexions électriques relient entre eux au moins certains des conducteurs et les plots d'empilement. 6. Dispositif d'interconnexion de boîtiers (2) contenant au moins un composant électronique (20) et munis de broches de connexion (21), caractérisé par le fait qu'il comporte un matériau isolant enrobant et solidarisant les boîtiers empilés, que les broches des boîtiers affleurent les faces de l'empilement et que des connexions (C) entre les broches sont portées par les faces de l'empilement. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'empilement comporte en outre des plots d'empilement (35) formés sur une ou plusieurs de ses faces, ces plots d'empilement étant destinés à la connexion de l'empilement (3) avec des circuits extérieurs, et que les connexions (C) assurent en outre la liaison d'au moins certaines des broches avec les plots d'empilement. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, au niveau de chaque boîtier (2), une plaque (23) formant drain thermique et affleurant les faces de l'empilement.