Brevet FR2694840A1 — publié le 19940218

MODULE MULTI-PUCES A TROIS DIMENSIONS DESCRIPTION La présente invention concerne un module multi-puces à trois dimensions Un tel module trouve de nombreuses applications dans le domaine de la microconnectique appliquée, notamment, à l'association de circuits intégrés. Dans toute la description qui va suivre, on comprendra par "circuit intégré" un boîtier de dimensions centimétriques comportant une ou plusieurs puces (appelées CHIP, en terme anglosaxon), qui assurent les fonctionnalités dudit circuit intégré Chacune de ces puces est réalisée en un matériau semi- conducteur, tel que le silicium ou l'arséniure de gallium A la surface de ces puces, sont formés les éléments nécessaires à son fonctionnement. A la périphérie des puces, des plots permettent le raccordement desdites puces à des circuits d'interface avec l'extérieur; au centre de ces puces, se trouvent des zones actives comportant une pluralité de composants électroniques, tels que des transistors, des résistances, des capacités, etc Des circuits d'interconnexion sont réalisés sur lesdites puces afin de permettre la connexion des composants électroniques entre eux et avec les plots de raccordement de la puce. De nos jours, l'augmentation de la complexité des systèmes informatiques est telle qu'il est nécessaire, pour la plupart des fabriquants de circuits intégrés, de réaliser un accroissement relatif du nombre de composants électroniques par unité de surface desdits circuits intégrés. Il est possible, pour augmenter l'intégration des composants électroniques, de diminuer les géométries de chacun des composants constituant le circuit intégré en définissant des procédés submicroniques. Cependant, une telle méthode se heurte à des limites physiques, à savoir la miniaturisation par la longueur d'onde des systèmes optiques d'insolation des résines. Une autre méthode pour accroître le nombre de composants par unité de surface consiste à augmenter la surface élémentaire des puces On comprend, bien évidemment, que cette augmentation de la taille des puces est un inconvénient en ce qui concerne la place nécessaire à l'intégration des circuits intégrés dans les systèmes informatiques et% en ce qui concerne les rendements de fabrication. Une autre méthode consiste à réaliser un module multi-puces. Un mode de réalisation de ce module multi-puces, consiste en un module de technologie monolithique, connu sous le nom de WAFER SCALE INTEGRATION Dans un tel module multi-puces, le circuit intégré est constitué par une tranche de silicium et les fonctionnalités du système sont obtenues par l'introduction d'éléments redondants permettant de remplacer des éléments défectueux. Selon une autre technologie, à savoir la technologie hybride, les fonctions électroniques complexes sont réalisées directement sur une plaque de silicium servant de support d'interconnexion Les composants actifs, à savoir les puces, peuvent être réalisé en Arséniure de gallium et sont reliés directement sur la plaque de silicium par des techniques, telles que le montage à fils (WIRE BONDING, en terme anglosaxon), le transfert automatique sur bande, etc. Ces technologies hybride et monolithique sont décrites de façon plus précise dans l'article, intitulé "LE CHIP CARRIER, support universel de pastilles à haut niveau d'intégration", publié dans la revue ELECTRONIQUE INDUSTRIELLE, n 31 Ces technologies hybride et monolithique proposent donc des modules multi-puces à deux dimensions qui permettent de meilleures performances et une plus grande capacités des systèmes. Cependant, la surface des circuits intégrés reste souvent trop importante pour des systèmes informatiques de plus en plus puissants. Aussi, une méthode consiste à utiliser la troisième dimension pour empiler les puces les unes sur les autres afin de diminuer la surface du circuit intégré et d'augmenter les performances en fréquence. Dans un article intitulé " 3 D INTERCONNECTION FOR ULTRA-DENSE MULTICHIP MODULES", (Proceedings ECTC 1990, Las Vegas, p 540-547) est présenté un module multi-puces tridimensionnel qui consiste en un assemblage par collage de plusieurs puces possédant leurs fils d'interconnexion entre les plots du silicium et un ruban de transfert automatique sur bande Cet ensemble de puces est alors scié afin de réléver la section des fils d'interconnexion La prise de contact électrique s'effectue sur la section des fils, par métallisation d'une ou plusieurs faces du cube constitué des différentes puces. Un autre module multi-puces 3 D est décrit dans le document, intitulé "HIGH DENSITY 3 D PROCEEDING", écrit par John C CARSON et Myles F SUER, (WORKSHOP ON VLSI RECHARGING TECHNIC, Juin 1991, Villefranche/Mer), ainsi que dans l'article intitulé " 3 D IC PACKAGING MOVES CLOSER TO COMMERCIAL USE", écrit par J Robert LINEBACK, dans la revue "ELECTRONIC WORLD NEWS" (Mai 1990) Ce module multi-puces 3 D consiste en un ajout d'une métallurgie sur la passivation des plaquettes (WAFERS, en terme anglosaxon) afin de ramener des lignes d'interconnexion des plots des puces vers le bord de chacune desdites puces La plaquette est ensuite sciée et les puces sont collées les unes aux autres Sur un ou plusieurs côtés du cube réalisé par le collage des puces entre elles, est effectuée une métallurgie permettant de ramener tous les plots sur une face du cube afin qu'ils puissent être montés sur un substrat (c'est- à-dire très souvent sur une plaque de silicium) ou dans un boîtier. De tels modules multi-puces remplissent effectivement l'objectif d'intégration maximale, mais ils présentent l'inconvénient d'être technologiquement très difficiles à réaliser En ôutre, ces modules présentent des problèmes du point de vue dissipation thermique, du fait du confinement des circuits actifs De plus, de tels modules ne sont adaptés que pour l'interconnexion d'un seul type de puces; en effet, de tels modules conduisent à empiler le même circuit intégré dans la troisième dimension. Un autre module multi-puces trois dimensions a été décrit dans le document intitulé "TEXAS INSTRUMENT DEMONSTRATIONS", dans la revue intitulée "AVIATION WEEK AND SPACE TECHNOLOGY" (Février 1992). Cet article décrit, en effet, un module multi-puces 3 D, c'est-à-dire un module de base volumique réalisé à partir de modules bidimensionnels de façon à interconnecter perpendiculairement, et à refroidir, tous les modules bidimensionnels Un tel module multi- puces a pour inconvénient de nécessiter la réalisation d'un bloc usiné spécifique o des cartes viennent s'interconnecter perpendiculairement. Le module multi-puces tridimensionnel de l'invention répond à l'objectif d'intégration maximale de composants électroniques et permet de résoudre les inconvénients cités précédemment. Dans la suite de la description, on lira indifféremment "module 3 D", "module multi-puces 3 D" ou encore "module multi-puces tridimensionnel". De façon plus précise, l'invention a pour objet un module multi-puces, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules électroniques élémentaires bidimensionnels comprenant chacun au moins une puce, un support sur lequel est disposée la puce et un réseau d'interconnexion conducteur recouvrant une surface supérieure du support, lesdits modules élémentaires étant disposés sensiblement les uns sur les autres et connectés les uns aux autres par l'interimédiaire des réseaux d'interconnexion. Avantageusement, les supports comportent, sur une face inférieure, une cavité de taille sensiblement supérieure à la taille des puces de façon à ce que le support d'un premier module élémentaire puisse être emboîté au-dessus de la puce d'un second module élémentaire. En outre, chaque module élémentaire comporte au moins un plot de connexion (appelé aussi, plus simplement, plot) disposé sur un bord du support et connecté à la puce par l'intermédiaire du réseau d'interconnexion, chaque plot étant connecté aux plots des modules élémentaires voisins (module supérieur et module inférieur) pour assurer une liaison électrique entre les modules élémentaires. Selon l'invention, les modules élémentaires disposés sensiblement les uns sur les autres sont décalés les uns par rapport aux autres de façon à ce que les plots de chaque support ne soient pas recouverts par le support du module élémentaire supérieur afin de permettre la connexion de fils électriques dans lesdits plots. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque module élémentaire comporte une pluralité de puces connectées les unes aux autres par l'intermédiaire du réseau d'interconnexion. D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnés à titre illustratif, mais non limitatif, en référence aux dessins dans lesquels: la figure 1 représente un module multi-puces tridimensionnel à cinq niveaux; la figure 2 représente, de façon schématique, un module multi-puces tridimensionnel à sept niveaux et dans lequel chaque module élémentaire comporte une pluralité de puces; et les figures 3 a et 3 b représentent, respectivement vu de profil et vu de dessus, un circuit intégré comportant un microprocesseur associé à deux modules multi-puces tridimensionnels. Sur la figure 1, on a représenté un module 1 multi-puces en trois dimensions, que l'on nommera par la suite plus simplement "module 3 D" Le module 3 D représenté sur cette figure 1 comporte cinq niveaux, c'est-à-dire qu'il comporte quatre modules élémentaires 4 a, 4 b, 4 c, 4 d assemblés sur un substrat 2 d'interconnexion, une hybridation de puce 3 disposée sur le substrat 2 et un capot 16 encapsulant le dernier étage de puces, à savoir la puce l Od du module élémentaire 4 d. Selon le mode de réalisation représenté sur cette figure 1, tous les modules élémentaires, à savoir le module 4 a, le module 4 b, le module 4 c et le module 4 d sont identiques les uns aux autres Aussi, afin de simplifier la description, seul le module élémentaire 4 a sera décrit de façon détaillée sachant que les modules élémentaires 4 b, 4 c, 4 d sont réalisés identiquement à ce module 4 a. Ce module élémentaire 4 a comporte un support 6 a dont la surface supérieure est recouverte d'un réseau d'interconnexion 8 a Sur ce réseau d'interconnexion 8 a est disposée une puce l Oa qui est connectée au réseau d'interconnexion 8 a par l'intermédiaire des connexions lla et lla'. Les modules élémentaires 4 a, 4 b, 4 c, 4 d sont lo disposés les uns sur les autres, tels des marches d'escalier, c'est-à-dire que le module 4 b, par exemple, est disposé sur le module 4 a de façon à être quelque peu décalé par rapport au bord dudit module 4 a Ainsi, la partie du support 6 a et la partie du réseau d'interconnexion 8 a qui ne sont pas recouvertes par le module élémentaire 4 b comportent au moins un plot 12 a de connexion Ainsi, chaque module élémentaire 4 a, 4 b, 4 c, 4 d comporte, à sa surface supérieure (c'est-à-dire au niveau de son réseau d'interconnexion respectivement 8 a, 8 b, 8 c, 8 d) un plot de connexion respectivement 12 a, 12 b, 12 c, 12 d permettant de connecter, grâce à des fils 13 a, 13 b, 13 c, 13 d, les différents modules élémentaires les uns aux autres. Ces plots d'interconnexion sont connectés aux puces par l'intermédiaire du réseau d'interconnexion Chaque puce peut ainsi être reliée aux puces voisines par l'intermédiaire, d'abord du réseau d'interconnexion, puis des plots de connexion de son module et enfin d'un fil de connexion reliant chaque plot de connexion de son module à un plot de connexion de l'un des modules voisins. Afin de permettre un meilleur "empilement" des modules élémentaires les uns sur les autres, chaque support 6 a, 6 b, 6 c 6 d comporte une cavité respectivement 14 a, 14 b, 14 c, 14 d ayant une dimension légèrement supérieure à la dimension de la puce du module inférieur. Par exemple, le module élémentaire 4 b comporte une cavité 14 b permettant d'empiler ledit module 4 b sur le module élémentaire 4 a. En outre, ce module multi-puces tridimensionnel comporte un substrat 2 sur lequel est disposé l'ensemble des modules élémentaires Ce substrat 2 comporte un support 2 a recouvert d'un réseau d'interconnexion 2 b de même nature que les réseaux d'interconnexion des modules élémentaires De même, ce substrat comporte au moins un plot de connexion 2 c qui, par l'intermédiaire du fil de connexion 13 a, permet une liaison électrique entre ledit substrat 2 et le module élémentaire 4 a et, plus précisément, entre le substrat et la puce i Qa dudit module 4 a. Sur ce substrat 2, est disposée une puce 3 connectée au réseau d'interconnexion 2 c par l'intermédiaire de ses connexions 3 a et 3 b Cet ensemble substrat 2/puce 3 constitue ce que l'on a appelé précédemment "l'hybridation de puce sur le substrat". Ce module multi-puces 3 D comporte, en outre, un capot 16 qui permet d'encapsuler le dernier niveau de puces De façon plus précise, ce capot comporte une partie 16 a constituée d'un matériau qui peut être identique à celui des supports 6 a, 6 b, 6 c, 6 d; il comporte également une cavité 16 b de dimensions légèrement supérieures à la dimension de la puce l Od qu'il recouvre. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les cavités 14 a, 14 b, 14 c, 14 d des supports des modules élémentaires et la cavité 16 b du capot 16 peuvent être remplacées par une entretoise. Dans le cas de la cavité décrite précédemment, celle-ci est réalisée soit par gravure humide, soit par gravure à sec (c'est-à-dire, par exemple, gravure par plasma) si les supports 6 a, 6 b, 6 c, 6 d et le capot 16 a sont réalisés en silicium Si lesdits supports et ledit capot sont réalisés dans un matériau autre que le silicium, le type de gravure sera choisi en fonction de la nature des matériaux utilisés. Les réseaux d'interconnexion des modules élémentaires et du substrat 2 ne seront pas décrits de façon plus précise car ils sont identiques aux réseaux d'interconnexion des modules multi-puces bidimensionnels. Ils sont donc réalisés par des techniques de dépôt et de gravure de matériaux conducteurs, pour les lignes d'interconnexion, et d'isolants minéraux ou organiques, pour l'enrobage de ces lignes Aussi, ces réseaux d'interconnexion peuvent être réalisés à partir de matériaux métalliques (pour les lignes d'interconnexion) et par exemple de silice ou de polyimides (pour l'enrobage de ces lignes). Selon un mode de réalisation de ces réseaux d'interconnexion, la structure desdits réseaux est du type multi-couches, ce qui permet la réalisation de capacités de découplage intégrées entre, par exemple, le corps du module élémentaire qui peut être à la masse et une couche métallique déposée sur une couche mince de diélectrique (Sio 2), elle- même déposée sur la face plane supérieure du module. Sur la figure 2, on a représenté un module 3 D à sept étages (ou sept niveaux), c'est-à-dire un module 3 D comportant six modules élémentaires 4 a à 4 f et une hybridation de puce 3, 5, 7, 9 sur le substrat 2. Cette figure 2 comporte des références identiques aux références de la figure 1, chaque référence identique représentant un élément identique Par exemple, le module 3 D représenté sur cette figure 2 comprend les modules élémentaires 4 a, 4 b, 4 c, 4 d, déjà montrés sur la figure 1 et des modules élémentaires 4 e et 4 f représentant les deux étages supplémentaires par rapport au module 3 D représenté sur la figure 1. En outre, sur cette figure 2, chaque module élémentaire comporte quatre puces référencées 10 f, 10 f, 22 f, 24 f pour les puces du modules élémentaires 4 f Afin de permettre l'empilage des différents modules élémentaires les uns sur les autres, chaque support de module élémentaire comporte une pluralité de cavités, référencées 16 b et 18 b pour les cavités réalisées dans le capot 16. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les supports et le capot ne comporte chacun qu'une grande cavité dans laquelle toutes les puces du module élémentaire inférieur peuvent être introduites. Chaque module élémentaire n'est pas décrit de façon plus précise sur cette figure car chacun desdits modules est réalisé de façon identique au module 4 f décrit. On comprendra, bien évidemment, que si la figure 2 a été représentée pour des modules élémentaires comprenant quatre puces sur un côté (soit 16 puces si le module élémentaire est carré), ces modules élémentaires formant le module 3 D peuvent, pour d'autres modes de réalisation, comporter quatre, neuf ou N puces (n étant un nombre entier). Sur les figures 3 a et 3 b, on a représenté un circuit intégré comportant un microprocesseur associé à deux modules multi-puces 3 D Selon un exemple d'application de ce circuit intégré, les modules multi-puces 3 D peuvent être des modules mémoire 3 D. La figure 3 représente ce circuit intégré, vu de profil, et la figure 3 b le représente vu de dessus. il Sur la figure 3 a, on peut donc voir deux modules 3 D de même type que le module 1 représenté sur la figure 1. Ces deux modules sont référencés la et lb Sur cette figure 3 a est également représenté le microprocesseur 30 qui est associé aux modules multi-puces tridimensionnels la et lb En effet, ce microprocesseur 30 est connecté sur le réseau d'interconnexion 2 b du substrat 2 par l'intermédiaire de connexions 30 a et 30 b Ce réseau d'interconnexion 2 b permet donc de relier électriquement les puces du module la et les puces du module lb à ce microprocesseur 30. Dans ce mode de réalisation, les modules 3 D, la et lb sont, comme cités précédemment, des modules de mémoire Bien entendu, ces modules la et lb peuvent être des modules autres que des modules de mémoire. Cette figure 3 a ne sera pas décrite de façon plus détaillée car la description des modules 3 D qui y sont représentés a déjà été réalisée lors de la description de la figure 1 et le microprocesseur 30 peut être considéré comme un module bidimensionnel connecté sur le substrat 2. La figure 3 b représente le même mode de réalisation que la figure 3 a, mais selon une vue de dessus Ainsi, sur cette figure 3 b, on remarque que le module multi-puces tridimensionnel la comporte un décalage dans deux directions, c'est-à-dire que chaque module élémentaire est décalé, par rapport au module élémentaire inférieur, sur deux côtés dudit module D'autre part, le module multi-puces tridimensionnel lb ne comporte, quant à lui, un décalage suivant une seule direction. De façon plus précise, on voit sur cette figure 3 b, le capot 16 du module multi-puces tridimensionnel la, les bordures contenant les plots de connexion des modules élémentaires 4 d, 4 c, 4 b, 4 a On voit également les fils de connexion 13 a, 13 b, 13 c, 13 d permettant de connecter, respectivement, les puces des modules élémentaires 4 a et le substrat 2, les puces du module élémentaire 4 a avec les puces du module élémentaire 4 b, les puces du module élémentaire 4 b avec les puces du module élémentaire 4 c, et les puces du module élémentaire 4 c avec les puces du module élémentaire 4 d On comprendra, bien sûr, qu'il y a autant de fils de connexion entre deux modules élémentaires qu'il y a de plots de connexion sur les modules. Cette vue de dessus du module multi-puces 3 D permet de montrer le décalage selon deux directions -de chaque module élémentaire par rapport au module élémentaire inférieur Cette figure permet donc de comprendre avec aisance que, lorsqu'un tel module multi-puces tridimensionnel comporte un décalage selon deux directions, le nombre de plots de connexion entre les modules élémentaires peut être le double du nombre de plots de connexion d'un module multi-puces 3 D comportant un seul décalage, tel que celui référencé lb sur cette même figure. On comprendra aisément que si l'on a représenté sur les figures 1, 2, 3 a et 3 b une hybridation de puce(s) sur le substrat, il est possible, dans un mode de réalisation plus simple, de n'utiliser qu'un substrat sur lequel repose un ensemble de modules élémentaires. Ces modules élémentaires, quelque soit le mode de réalisation de l'invention (avec une hybridation, ou avec un simple substrat) sont assemblés par collage ou par brassage les uns sur les autres Il en est de même pour le capot 16 qui est assemblé au dernier module élémentaire par une méthode identique à l'assemblage desdits modules élémentaires. Ces modules multi-puces tridimensionnels sont donc réalisés à partir de procédés simples à mettre en oeuvre, puisque les technologies utilisées sont des technologies déjà connues et utilisées, notamment pour les modules bidimensionnels. Les supports, capots et substrats peuvent être réalisés dans des matériaux identiques ou différents Le choix d'un matériau comme le silicium offre la possibilité pour ces éléments d'être eux-mêmes constitués ou non d'un semi-conducteur selon le dopage. Lorsque les supports et capots sont en silicium, il est avantageux de réaliser 'le substrat en silicium afin d'éviter, d'une manière simple, les problèmes issus de la dilatation de ces différents éléments. De plus, chaque module élémentaire du module 3 D peut être testé de façon indépendante Aussi, chacune de ces puces peut être réparée séparément des autres puces du module 3 D. En outre, le nombre de modules élémentaires assemblables est variable en fonction des besoins et il est possible d'interconnecter différents types de puces entre elles Aussi, il est possible de réaliser un système entièrement intégré dans un module 3 D. REVEND I CAT IONS 1 Module multi-puces, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules électroniques élémentaires bidimensionnels ( 4 a-4 d) comprenant chacun au moins une puce (l Oa-l Od), un support ( 6 a-6 d) sur lequel est disposée la puce et un réseau d'interconnexion ( 8 a-8 d) conducteur recouvrant une surface supérieure du support, lesdits modules élémentaires étant disposés sensiblement les uns sur les autres et connectés les uns aux autres par l'intermédiaire de leurs réseaux d'interconnexion. 2 Module multi-puces selon la revendication 1, caractérisé en ce que les supports comportent, sur une face inférieure, une cavité ( 14 a-14 d)de taille sensiblement supérieure à la taille des puces de façon à ce que le support d'un premier module élémentaire puisse être disposé au-dessus de la puce d'un second module élémentaire. 3 Module multi-puces selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque module élémentaire comporte au moins un plot de connexion ( 12 a-12 d) disposé sur un bord du support et connecté à la puce par l'intermédiaire du réseau d'interconnexion, chaque plot de connexion étant connecté aux plots de connexion des modules élémentaires supérieur et inférieur pour assurer une liaison électrique entre lesdits modules élémentaires. 4 Module multi-puces selon la revendication 3, caractérisé en ce que les modules élémentaires disposés sensiblement les uns sur les autres sont décalés les uns par rapport aux autres de façon à ce que les plots de connexion de chaque support ne soient pas recouverts par le support du module élémentaire supérieur pour permettre la connexion de fils électriques dans lesdits plots de connexion. Module multi-puces selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque module élémentaire comporte une pluralité de puces connectées les unes aux autres par l'intermédiaire du réseau d'interconnexion.