Brevet FR2705832A1 — publié le 19941202

PROCEDE DE REALISATION D'UN CORDON D'ETANCHEITE ET DE TENUE MECANIQUE ENTRE UN SUBSTRAT ET UNE PUCE HYBRIDEE PAR BILLES SUR LE SUBSTRAT Domaine technique La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un cordon assurant la tenue mécanique et l'étanchéité entre un substrat et une puce (ou tout autre composant électronique) hybridée par billes sur le substrat qui peut lui-même intégrer des composants actifs ou passifs. Elle trouve ses applications dans les domaines de la micro-électronique, de l'informatique, ou encore, de l'électronique embarquée. Etat de la technique Une technique de report de composants électroniques sur un substrat d'interconnexion faisant appel à des micro-bossages (appelés également "billes") est aujourd'hui connue de l'homme de l'art. Cette technique de report est appelée Flip-Chip. Selon cette technique Flip-Chip, les micro-bossages sont réalisés autour des connexions dlentrée/sortie du composant électronique, en un matériau fusible déposé, par exemple, par électrolyse ou par évaporation. Ce matériau fusible peut être, par exemple, de l'Indium ou un alliage Etain-Plomb. L'opération de report du composant électronique sur le substrat se fait à une température de chauffe qui correspond au moins à la température de fusion du matériau fusible choisi cette opération de report s' apparente à un brasage. Un tel procédé de report est nommé C4 (ce qui signifie, en termes anglo-saxons, control collapse chip connection). Ce procédé fait l'objet de nombreuses publications ; il est décrit notamment dans l'ouvrage intitulé "Microelectronics packaging handbook", édité par R. TUMMALA. Cependant, l'utilisation de plus en plus fréquente de modules multi-puces (multi-chips en terminologie anglosaxonne) implique une optimisation de la surface du substrat utile. Ct est pourquoi, la technique du Flip-Chip est la technique généralement utilisée dans le cas de multi-chips modules. Elle est, notamment, utilisée dans des secteurs à grande diffusion dans lesquels les impératifs de coûts sont importants. De plus, il est à noter une évolution technique des substrats qui amène des besoins d'interconnexion par Flip-Chip sur des supports autres que les supports classiques en Silicium ; ces supports peuvent être par exemple en Alumine ; ils peuvent être, également, des circuits imprimés. Cependant, la technique connue de report de puce par Flip-Chip est fiable lorsque les coefficients d'expansion thermique de la puce (ou autre composant électronique) et du substrat sont très voisins. Or, l'Alumine, et plus encore les circuits imprimés, communément utilisés en substrat, ont un coefficient d'expansion très différent de celui de la puce réalisée habituellement sur silicium. Aussi, lorsque ces coefficients d'expansion de la puce et du substrat diffèrent, les changements (variations temporelles) en température conduisent à 11 établissement de contraintes importantes dans les billes, ce qui a pour effet de les fragiliser et de réduire de façon importante la fiabilité du système réalisé par la puce hybridée sur le substrat. Sur les figures 1A, 1B et 1C, on a représenté, selon des vues de face, différents cas de bille d'hybridation assurant la connexion entre une puce et un substrat. Sur la figure lA, on a représenté le cas d'une bille dans un milieu porté à une température moyenne d'environ 20 C. Sur cette figure lA, on a représenté la puce 1 comportant une couche 2a de matériau électriquement conducteur qui est en contact avec le plot de connexion 3. Une couche 2b électriquement isolante recouvre la face inférieure de la couche 2a autour du plot de sortie 3. Cette figure 1A montre également le substrat qui comporte une couche 4a de matériau électriquement conducteur en contact avec le plot de connexion 7. Une couche 4b électriquement isolante recouvre la couche 4a autour du plot 7. La bille 9 d'hybridation assure une liaison électrique entre les plots de connexion 3 de la puce 1 et 7 du substrat 5. Pour une température ambiante drenviron 20 C, la bille a une position verticale, les plots 3 et 7 étant positionnés sensiblement l'un en face de autre. Sur la figure lB, on a représenté cette même bille d'hybridation lorsque la température ambiante est de l'ordre de -50 C. Le différentiel des coefficients d'expension thermique entre la puce et le substrat provoque un déplacement relatif des plots 3 et 7 qui ne sont alors pas en face l'un de l'autre (la bille est alors oblique). Et enfin, sur la figure 1C, on a représenté la bille d'hybridation dans le cas où la température est portée à +1200C, ce qui entraîne également un décalage de la position relative des plots 3 et 7, mais de sens opposé à celui de la figure 1B. En observant ces figures 1A, 1B et lC, on comprendra aisément que, lorsque le coefficient d'expansion de la puce diffère du coefficient d'expansion du substrat, la bille d'hybridation se déforme (voir figures lB et 1C) afin d d'encaisser la dilatation ou la contraction durant le changement de température. Comme montré sur les figures 1B et lC,.un non-alignement du plot de connection 7 du substrat 5 avec le plot de connection 3 de la puce 1 entraîne une forme non verticale de la bille 9. Aussi, afin de limiter ce problème de dilatation ou de contraction dû aux différences des coefficients d'expansion entre la puce 1 et le substrat 5, on a cherché à remplir l'espace situé entre la puce 1 et le substrat 5 de façon à ce que le matériau remplissant cet espace puisse "encaisser" une partie des contraintes. Quel qu'il soit, le matériau utilisé pour le remplissage de cet espace puce/substrat est appelé 't encapsulant" ou 'substance encapsulante". La réalisation de ce remplissage global par un encapsulant consiste après hybridation de la puce par des billes sur le substrat, à remplir l'espace puce/substrat au moyen d'un dispenseur. Cette réalisation nécessite un certain nombre d'étapes et des moyens relativement coûteux Parallèlement, on utilise de plus en plus la technique de Flip-Chip pour les composants de type capteur hybride. En effet, pour de tels composants, on rapporte généralement par billes une cellule sensible sur un circuit électronique de commande réalisé notamment sur Silicium selon une technique classique. Dans ce cas, les cellules sensibles sont déposées individuellement sur le circuit électronique, elles sont hybridées collectivement et chaque capteur est ensuite découpé. Pour une telle réalisation, il est important de préserver les structures sensibles, des agressions extérieures telles que la découpe, le montage ou encore les agressions dues aux conditions de 1 'atmosphère. Afin de préserver les structures sensibles, telles que citées précédemment, il est possible d'isoler l'intérieur de l'assemblage (c'est-à-dire du capteur) par rapport au monde extérieur. Pour cela, on peut utiliser un encapsulant sous forme dlun cordon disposé sur la périphérie de la puce. A cette fin, la Société IBM, a étudié l'aspect géométrique de llencapsulation périphérique destinée à permettre l'isolation telle que décrite précédemment. L'article intitulé "Encapsulating Flip-Chip device with epoxyresin", publié dans "International interconnexion intelligence Flip-Chip technology impact report décrit cet aspect géométrique de llencapsulation. Tout comme llencapsulation globale, décrite ci-dessus, destinée à assurer la tenue mécanique de l'assemblage puce/substrat, la réalisation de cette encapsulation périphérique destinée à l'étanchéité de l'assemblage nécessite de nombreuses étapes et un matérial coûteux. En outre, une étape de recuit est généralement nécessaire pour la polymérisation du cordon réalisé habituellement par une colle époxy, cette étape pouvant être critique pour les billes ou pour la puce. Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier aux inconvénients cités ci-dessus. A cette fin, elle propose un procédé pour réaliser un cordon permettant d'assurer l'étanchéité de la puce hybridée par billes sur le substrat, ainsi que d'améliorer la tenue mécanique aux variations de température de l'ensemble constitué de la puce, du substrat et des billes d'hybridation, notamment lorsque le substrat est réalisé dans un matériau autre que le Silicium. Ce cordon d'étanchéité et de tenue mécanique sera nommé, plus généralement, cordon de second matériau ou encore tout simplement cordon. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de réalisation d'un cordon d'étanchéité et de tenue mécanique entre un substrat d'interconnexion et un composant électronique hybridé par billes sur ledit un substrat d'interconnexion. Ce procédé est caractérisé par le fait qu'il consiste, parallèlement à la réalisation des billes d'hybridation sur une face inférieure du composant électronique ou du substrat par un premier matériau fusible: (a) à déposer un cordon d'un deuxième matériau fusible sur le substrat d'interconnexion ou sur la face inférieure du composant électronique, (b) à placer la face inférieure du composant électronique sur le substrat d'interconnexion de façon à réaliser les connexions entre ledit composant électronique et ledit substrat d'interconnexion au moyen du premier matériau fusible, et (c) à chauffer l'ensemble ainsi formé à une température au moins égale à la température de fusion la plus élevée desdits premier et second matériaux fusibles, afin de réaliser le cordon d'étanchéité et de tenue mécanique au moyen du cordon de second matériau et les billes d'hybridation au moyen du premier matériau. Avantageusement, le second matériau a un coefficient d'expansion voisin du coefficient d'expansion du premier matériau utilisé pour réaliser les billes d'hybridation. Préalablement à l'étape b), le cordon est mis en forme par chauffage à une température au moins égale à la température de fusion du second matériau. Selon un mode de réalisation de l'invention, le second matériau est un matériau fusible identique au premier matériau utilisé pour la réalisation des billes d'hybridation. De façon avantageuse, le second matériau drencapsulation est disposé sur la périphérie de l'espace réalisé entre le composant électronique et le substrat d' interconnexion. Selon un mode de réalisation préféré de 1 invention, l'étape a) consiste à déposer le cordon de second matériau de façon préformée sur le substrat d'interconnexion ou sur la face inférieure du composant électronique. L'accrochage sur le substrat et le composant électronique du second matériau fusible est obtenu par l'intermédiaire d'un matériau d'accrochage déposé sur le substrat et sur le composant électronique. Brève description des dessins - Les figures lA, 1B et 1C, déjà décrites, représentent chacune, selon une vue de face, une bille d'un composant électronique monté sur un substrat réalisé dans un matériau dont le coefficient d'expansion diffère de celui du composant électronique et dont la température ambiante est, respectivement, de + 20"C, - 50"C et + 1200C. - La figure 2 représente, selon une vue en coupe, une puce hybridée par billes sur un substrat d'interconnection et un cordon d'étanchéité et de tenue mécanique (ou cordon de second matériau) monté entre la puce et le substrat. - La figure 3A représente une étape de réalisation du cordon dans le cas ou celui-ci est déposé sur la face inférieure de la puce - La figure 3B représente la même étape du procédé que la figure 3A, mais dans le cas où le cordon est déposé sur le substrat - La figure 3C représente également cette même étape de réalisation du procédé de l'invention, mais dans le cas où le cordon a été préformé avant dlêtre déposé sur le substrat d'interconnexion ; et - La figure 4 représente l'étape suivante des étapes représentées sur les figures 3A à 3C du procédé de réalisation selon l'invention, étape dans laquelle la puce est posée sur le substrat, le cordon jouant alors le rôle d'un joint d'étanchéité et de tenue mécanique entre la puce et le substrat. Exposé détaillé de modes de réalisation Sur la figure 2, on a représenté, selon une vue en coupe, le substrat 5 sur lequel est déposé la puce 1. Le substrat 5 est représenté en traits continus, tandis que la puce 1 est représentée, sur cette figure 2, en traits mixtes. On voit donc, sur cette figure 2, les plots de connexion 3 de la puce. Sur le substrat 5, des plots de connexion 6 propres au substrat 5 d'interconnexion, sont électriquement reliés aux plots de connexion 7 (non visibles sur la figure) du substrat 5 au moyen des liaisons 12. En outre, les plots de connexion 7 du substrat d'interconnexion sont connectés aux plots 3 de la puce 1 au moyen des billes d'hybridation. En effet, ces billes d'hybridation référencées 9 sur le figure 2, sont réalisées en un matériau fusible et conducteur. Une liaison électrique peut donc se faire entre les plots 6 du substrat 5 et les plots 3 de la puce 1, via les plots de connexion 7, les billes d'hybridation 9 et les fils de connexion 12. Sur cette figure 2, on a également représenté le cordon 13. Ce cordon, appelé également cordon d'étanchéité et de tenue mécanique, est réalisé dans un matériau fusible. Le procédé selon l'invention consiste à utiliser, de préférence, les étapes technologiques de réalisation des billes d'hybridation sur la puce 1 ou le substrat, pour générer, durant ces étapes, le cordon 13 sur le substrat 5 ou sur la face inférieure la de la puce 1, (on entend par face inférieure la de la puce 1, la face qui est en vis-à-vis avec le substrat 5). Selon le mode de réalisation préféré de 1 invention, le cordon 13 est réalisé dans un matériau fusible identique à celui utilisé pour réaliser les billes d'hybridation 9. Ce matériau peut être, par exemple, de l'Indium ou encore un alliage Etain-Plomb de façon plus générale, ce matériau peut être n'importe quel type de matériau fusible utilisé généralement pour la fabrication des billes d'hybridation. Ce procédé a donc pour avantage de permettre de réaliser le cordon 13 au cours de la réalisation des billes d'hybridation 9. Il en résulte, de ce fait, un gain de temps non négligeable ainsi qu'un gain d'équipement puisqu'il n'est plus nécessaire d'utiliser un dispenseur de colle pour réaliser le cordon 13 après l'étape d'hybridation des billes 9. Dans la suite de la description, le procédé selon l'invention sera décrit dans son mode de réalisation le plus complexe où les billes 9 et le cordon 13 sont réalisés dans des matériaux fusibles différents et dans le cas particulier où les billes sont réalisées sur la puce (étant bien entendu que les billes peuvent être réalisées sur le substrat). Les matériaux fusibles permettant de réaliser, respectivement, le cordon 13 et les billes 9 d'hybridation sont déposés sur la face inférieure la de la puce 1 et/ou sur le substrat 5, l'ensemble de ces matériaux est porté à une température de chauffe. Dans le cas où le matériau fusible utilisé pour la réalisation du cordon 13 est différent du matériau fusible utilisé pour la réalisation des billes 9 d'hybridation, la température de chauffe à laquelle sont portés les deux matériaux fusibles est au moins égale à la température de fusion du matériau fusible nécessitant la plus forte température de fusion. Lorsque, selon le mode de réalisation préféré de l'invention, le matériau fusible utilisé pour réaliser le cordon 13 est le même que le matériau fusible utilisé pour les billes 9 d'hybridation, la température de chauffe est choisie au moins égale à la température de fusion de ce matériau fusible. Ce procédé a donc l'avantage de ne permettre qu'un seul cycle de chauffe pour braser à la fois les billes d'hybridation 9 et le cordon 13. En outre, l'ensemble ainsi réalisé par le substrat 5 et la puce I est parfaitement encapsulé et donc parfaitement étanche. Sur les figures 3A, 3B et 3C, on a représenté, en vue de face, trois modes de réalisation différents du cordon 13. Sur la figure 3A, on a représenté le mode de réalisation dans lequel un matériau fusible est déposé sur la face inférieure la de la puce 1. Sur cette face la de la puce 1, une couche 13a de matériau conducteur adapté au matériau fusible a été déposée lors de la réalisation du plot de connexion 3 de la puce 1. De même, une couche 13b de matériau conducteur a été déposée sur le substrat 5 lors de la réalisation du plot de connexion 7. Les matériaux 13a et 13b sont constitués dlun matériau conducteur de mouillabilité suffisante pour assurer l'accrochage du matériau fusible 13. Ce matériau conducteur peut être de l'or dans le cas d'un cordon en indium. Lors du dépôt du matériau fusible apte à réaliser la bille 9 d'hybridation, un dépôt de matériau fusible apte à réaliser le cordon 13 est également effectué sur cette même face la de la puce 1. La puce 1 comportant ainsi le matériau fusible apte à réaliser le cordon 13 et le matériau fusible apte à réaliser les billes 9 est alors avantageusement portée à une température de mise en forme choisie. Cette température de mise en forme est au moins égale à la température de fusion la plus forte des deux matériaux fusibles. Elle peut être inférieure à la température de brasage de ces matériaux utilisée lors de l'assemblage. Ce traitement thermique permet de recentrer les matériaux fusible 13, 9 sur leurs matériaux d'accrochage respectivement 13a et 3. La puce 1 est ensuite déposée sur le substrat 5, la face la de la puce 1 étant en vis-à-vis avec la surface du substrat 5 portant les plots 13b et 7. Lorsque la puce 1 est déposée ainsi sur le substrat 5, l'ensemble est à nouveau porté à une température de chauffe de façon à assurer le brasage et l'assemblage des matériaux fusibles avec les plots correspondants du substrat. La mise à niveau des billes et du cordon lors de l'assemblage se fait en jouant, préalablement à leur réalisation, sur les surfaces d'accrochage, respectivement des billes 3 et 7 et du cordon 13a et 13b. Cette dernière étape de brasage des matériaux fusibles est représentée sur la figure 4 et sera décrite plus en détail par la suite. Ce mode de réalisation a pour principal avantage de permettre la réalisation du cordon 13 et de la bille 9 sur le même support. Ce mode de réalisation peut être utilisé, essentiellement, pour des billes dont la hauteur est, par exemple, inférieure à 55 un, après assemblage car, dans ce cas, la surface de la puce utilisée pour réaliser le cordon reste faible. Sur la figure 3B, on a représenté un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel le matériau fusible utilisé pour réaliser le cordon 13 est déposée sur le substrat 5. Tout comme sur la figure 3A, la puce 1 et le substrat 5 comportent, respectivement, des zones conductrices d'accrochage 13a et 13b. Selon ce mode de réalisation de l'invention, l'un des matériaux fusibles est déposé sur la face inférieure la de la puce 1 pour réaliser les billes d'hybridation 9. Le second matériau fusible est déposé sur la zone 13b du substrat 5 pour réaliser le cordon 13. Lorsque les matériaux fusibles ont été déposés, respectivement, sur la face la de la puce 1 et sur le substrat 5, le substrat d'une part et la puce d'autre part sont portés avantageusement à une température de mise en forme pour assurer comme dans la figure 3A le recentrage des billes et du cordon sur leurs matériaux d'accrochage respectifs 3 et 13b. Les températures de mise en forme respectivement des billes et du cordon sont au moins égales aux températures de fusion de ceux-ci. La puce 1 est alors déposée sur le substrat 5, sa face inférieure la en vis-à-vis avec la surface du substrat 5. Cet ensemble est alors chauffé comme précédemment pour obtenir le brasage des billes et du cordon. La mise à niveau des billes et du cordon se fait également comme décrit précédemment. Ce mode de réalisation du procédé de l'invention permet de réaliser un cordon pour des puces dont les billes d'hybridation ont une hauteur, par exemple, de l'ordure de 50 un jusqu'à 120 pm, la surface nécessaire à la réalisation du cordon étant prise sur le substrat. Sur la figure 3C, on a représenté le mode de réalisation du procédé de l'invention dans lequel le matériau fusible du cordon a été rapporté sur le substrat sous fome d'une préforme. De façon plus précise, on peut voir sur cette figure 3C la puce 1 comportant les zones conductrices 3 et 13a, ainsi que le matériau fusible réalisant la bille d'hybridation 9. Sur cette figure 3C, on peut également voir le substrat 5 comportant les zones conductrices 7 et 13b. On y a représenté aussi le matériau fusible apte à réaliser le cordon 13, sous sa forme préformée. En effet, selon ce mode de réalisation, ce matériau fusible a subi une préformation, telle qu'un découpage ou un emboutissage dans une feuille de matériau fusible. Ce matériau fusible 13 préformé est alors déposé sur le substrat 5. Indépendamment, le matériau fusible apte à réalier la bille d'hybridation 9 est déposé sur la face la de la puce 1. Cette puce 1 est alors portée à la température de mise en forme choisie qui correspond au moins à la température de fusion du matériau fusible apte à réaliser la bille. Lors de l'étape d'assemblage, la puce 1 est déposée sur le substrat 5, avec sa face la en vis-à-vis par rapport à la surface du substrat 5 muni du cordon 13. Et enfin, l'ensemble constitué de la puce 1, du substrat 5 et des matériaux fusibles est porté à une température choisie pour assurer le brasage de ces matériaux avec les plots correspondants. Ce dernier mode de réalisation du procédé de l'invention nécessite, bien évidemment, une étape supplémentaire de préformation calibrée du matériau fusible apte à réaliser le cordon 13. Cependant, il permet de réaliser un cordon pour des puces hybridées par des billes ayant, par exemple, une taille comprise entre 100 um et 300 um Sur la figure 4, on a représenté la puce 1 avec son plot de connexion 3 et la partie conductrice 13a sur laquelle repose le cordon 13. On voit également sur cette figure 4 le substrat 5 avec le plot de connexion 7 et la partie conductrice 13b en contact avec le cordon 13. Cette figure représente l'étape dans laquelle, la puce 1 ayant été déposée sur le substrat 5, l'ensemble puce/matériaux fusibles/substrat est chauffé pour assurer la fusion des matériaux fusibles sur les matériaux d'accrochage, afin que les parties 13a, 13b, 3 et 7 réalisées en matériau conducteur sur la puce 1 et le substrat 5 soient liées par la bille 9 et le cordon 13. Ce procédé selon l'invention, comme cela a été compris précédemment, permet donc de réaliser un cordon permettant d'une part l'étanchéité de l'ensemble puce/substrat 5, et d'autre part d'améliorer la tenue mécanique de cet ensemble puce/substrat, notamment lors de variations de température, et ce, pour des billes d'hybridation dont la taille varie, par exemple, de quelques um jusqu'à 300 um REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation dlun cordon (13) d'étanchéité et de tenue mécanique entre un substrat (5) d'interconnexion et un composant électronique (1) hybridé par billes (9) sur ledit substrat d' interconnexion, caractérisé en ce qu'il consiste, parallèlement à la réalisation des billes d'hybridation sur une face (la) inférieure du composant électronique ou du substrat par un premier matériau fusible (a) à déposer un cordon (13) d'un deuxième matériau fusible sur le substrat d'interconnexion ou sur la face inférieure du composant électronique, (b) à placer la face inférieure du composant électronique sur le substrat d'interconnexion de façon à réaliser les connexions entre ledit composant électronique et ledit substrat d'interconnexion au moyen du premier matériau fusible, et (c) à chauffer l'ensemble ainsi formé à une température au moins égale à la température de fusion la plus élevée desdits premier et second matériaux fusibles, afin de réaliser le cordon d'étanchéité et de tenue mécanique au moyen du cordon de second matériau et les billes d'hybridation au moyen du premier matériau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau a un coefficient d'expansion proche du coefficient d'expansion du premier matériau. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que préalablement à l'étape b), le cordon est mis en forme par chauffage à une température au moins égale à la température de fusion du second matériau. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second matériau est un matériau fusible identique au premier matériau fusible assurant la réalisation des billes d'hybridation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cordon de second matériau est disposé sur la périphérie d'un espace réalisé entre le composant électronique et le substrat d' interconnexion. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce que l'étape a) consiste à déposer le cordon de second matériau de façon préformée sur le substrat d'interconnexion ou sur la face inférieure du composant électronique. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'accrochage sur le substrat et le composant électronique du second matériau fusible est obtenu par l'intermédiaire d'un matériau d'accrochage déposé sur le substrat et sur le composant électronique.