Brevet FR2703828A1 — publié le 19941014

La présente invention concerne de façon générale les circuits intégrés et en particulier un nouvel assemblage de circuits intégrés comprenant une ou plusieurs puces de circuits intégrés disposant de connexions d'entrée/sortie et un circuit d'interconnexion électrique du type circuit imprimé disposant d'au moins une couche de circuits en contact avec les connexions d'entrée/sortie de façon à réaliser une architecture fonctionnelle prédéterminée. Les deux dernières décennies ont été marquées par les progrès considérables accomplis dans le domaine de l'électronique et de l'informatique. Les progrès sont dus, en majeure partie, à la technologie des semiconducteurs qui a permis, grâce à la très grande miniaturisation des composants et aux temps de réponse de plus en plus courts de ces composants, d'obtenir une vitesse de fonctionnement des circuits de plus en plus grande. Cette miniaturisation très poussée et cette vitesse de fonctionnement élevée ne se sont pas faits sans soulever d'autres problèmes. Le principal problème est qu'il a fallu réduire les longueurs des connexions qui autrement, entraîneraient des temps de transit des signaux devenant critiques par rapport aux temps de plus en plus faibles résultant du fonctionnement des circuits semiconducteurs de plus en plus performants. Pour pallier cet inconvénient dû à la longueur des connexions, une solution consiste à grouper le plus possible de transistors élémentaires interconnectés sur une même puce (ou micro-plaquette) de circuits intégrés. Cette solution qui va encore dans le sens d'une plus grande miniaturisation, aboutit à utiliser des grandes puces permettant des architectures fonctionnelles complexes et de grande puissance de traitement. Mais, allant de pair avec cette puissance de traitement, ces grandes puces consomment une énergie qui n'est pas négligeable comme dans le cas des petites puces, et qui se manifeste sous forme de chaleur dissipée. Cette dissipation de chaleur pose de gros problèmes dans les structures actuelles et en particulier dans les circuits hybrides, où les puces sont disposées sur des supports diélectriques comportant les liaisons conductrices nécessaires à la réalisation du dispositif à circuits intégrés. Il est en effet impératif que le support devant assurer les liaisons conductrices avec les connexions de la puce, soit un isolant du type diélectrique sur lequel des connexions métalliques sont disposées par gravure, sérigraphie ou autre procédé adéquat. Dans la technologie bien connue nommée "Chip ou Board", la puce est disposée par collage sur un substrat organique tel que du verre- époxy sur lequel on a gravé les conducteurs en cuivre assurant les liaisons conductrices avec la puce. Malheureusement, le verre-époxy ou tout autre substrat organique présente une mauvaise conductibilité thermique. La chaleur est donc dans l'impossibilité de s'évacuer correctement par le substrat, principalement lorsqu'il s'agit de puces de grandes dimensions consommant beaucoup d'énergie. Il peut donc y avoir élévation conséquente de la température de la puce entraînant un mauvais fonctionnement et une détérioration des circuits intégrés. En outre, le verre-époxy a un coefficient de dilatation thermique beaucoup plus élevé que celui du silicium composant la puce. Par conséquent, il peut y avoir des contraintes mécaniques induites par les dilatations thermiques différentes des deux matériaux. On a donc songé à remplacer les substrats organiques par des substrats de céramique ayant un coefficient de dilatation thermique très proche de celui du silicium, ce qui permet d'assurer une fixation parfaite de la puce sur le substrat sans se préoccuper des contraintes thermo-mécaniques. Mais subsiste le principal problème de l'évacuation de la chaleur dissipée par des puces de grandes dimensions car la céramique n'est ni un isolant, ni un conducteur thermique et par conséquent, ne présente pas la conductibilité thermique suffisante pour l'évacuation de la chaleur produite. En outre, les substrats de céramique ont un coût de fabrication élevé comparativement aux substrats organiques, et il est très difficile actuellement de fabriquer des substrats de céramique de grandes dimensions pouvant supporter plusieurs puces ou des puces de grandes dimensions. C'est pourquoi le but principal de l'invention est de réaliser un assemblage de circuits intégrés dans lequel la fonction diélectrique du substrat portant les liaisons conductrices et la fonction de dissipation de la chaleur sont assurées par des supports différents. Le but de l'invention est donc de réaliser un assemblage de circuits intégrés dans lequel l'évacuation de la chaleur dissipée par la puce de circuits intégrés est assurée par un support de bonne conductibilité thermique différent du circuit d'interconnexion électrique portant les liaisons conductrices assurant la connexion de la puce. L'objet de l'invention est ainsi un assemblage de circuits intégrés comprenant une ou plusieurs puces de circuits intégrés disposant de connexions d'entrée/sortie et un circuit d'interconnexion électrique du type circuit imprimé, et dans lequel la puce est fixée sur un support en un matériau bon conducteur de la chaleur ou drain thermique et de même coefficient de dilatation thermique que le matériau composant la puce, de sorte que la chaleur fournie par la puce lors du fonctionnement est évacuée par le support sans apparition de contraintes thermo-mécaniques entre la ou les puces et le support ou les liaisons conductrices du circuit d'interconnexion électrique. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins dans lesquels la figure 1 représente schématiquement et selon une vue partiellement en coupe, un assemblage de circuits intégrés selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 représente une vue en coupe d'un premier mode de réalisation de l'invention comportant une seule puce, la figure 3 représente une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation de l'invention comportant une seule puce, la figure 4 représente une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation de l'invention comportant une seule puce, la figure 5 représente une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation de l'invention comportant une seule puce, la figure 6 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel deux puces sont disposées d'un même côté du support à dissipation thermique, la figure 7 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel deux puces sont disposées de part et d'autre du support à dissipation thermique, et la figure 8 représente un autre mode réalisation du dispositif de l'invention comportant deux supports à dissipation thermique. Comme illustré sur la figure 1, une puce 10 de circuits intégrés à base de silicium ou d'arséniure de gallium, est fixée sur un support 12 par une mince couche de colle 14 ou autre moyen de fixation. Le support 12 est un matériau présentant une bonne conductibilité thermique et un coefficient de dilatation thermique identique ou très proche de celui de la puce 10. Un circuit d'interconnexion électrique 16 du type circuit imprimé sous forme d'un substrat organique genre verre-époxy ou céramique, est également collé sur le support 12 au moyen d'une couche de colle 18. Les patins de connexion électrique 20 disposés sur le pourtour de la puce 10 (la figure représentant la structure en coupe, les connexions de la partie avant n'y figurent pas) sont reliés par des fils métalliques 22 (en aluminium, or ou autre métal) aux liaisons conductrices 24 disposées sur le circuit imprimé par gravure ou sérigraphie. Lorsque la puce 10 est en fonctionnement, elle dissipe une énergie thermique qui peut dépasser 20mW par mm2, soit pour une puce de 15x15 mm, une puissance de près de 5W. Cette chaleur s'évacue alors facilement et préférentiellement dans le support 12 qui joue le rôle de drain thermique sans que la température de la puce s'élève outre mesure et sans qu'il soit nécessaire que le substrat de circuit imprimé 16 serve de dissipateur de chaleur. Du fait que la puce 10 et son support 12 ont les mêmes ou des coefficients de dilatation thermique voisins, il ne se produit aucune contrainte thermo-mécanique dans la puce. Par contre, les variations de dimensions du support 12 dues à sa dilatation thermique ne doivent pas se répercuter sur le verre-époxy 16 qui ne présente pas le même coefficient de dilatation thermique. C'est pourquoi la couche de collage 18 faisant office de joint de dilatation est de préférence une colle élastique encaissant facilement les variations dimensionnelles du support 12. En outre, ces variations sont également encaissées par les fils de connexion 22 entre la puce 10 et le substrat 16. Comme déjà mentionné, le support 12 d'une épaisseur comprise de préférence entre 1 et 3 mm est fait d'un matériau présentant une bonne conductibilité thermique, mais également ayant un coefficient de dilatation thermique très proche de celui de la puce 10. Avec une puce en silicium, il est donc possible d'utiliser un support en métal tel que du molybdène, en alumine, en un matériau composite tel que carbone/résine époxy ou carbone/carbone. Le support peut également être sous forme colaminée, par exemple Cu/Invar/Cu ou Cu/Mo/Cu. Il peut enfin être constitué d'une plaque du type caloduc, c'est à dire en un matériau creux ou poreux transportant la chaleur par le changement d'état d'un fluide. L'assemblage selon l'invention se fait de la manière suivante. Le circuit d'interconnexion électrique 16 du type circuit imprimé muni lors de sa fabrication de ses parties découpées devant recevoir les puces 10, est fixé sur le support 12 au moyen de la couche de fixation ou joint de dilatation 18. Ce dernier est de préférence constitué par un élastomère ayant une bonne tenue en température tel que les silicones, ou un caoutchouc du type Hypalon ou Néoprène. Le joint de dilatation 18 d'une épaisseur d'environ 1/10 à 3/10 de mm est déposé à l'état pâteux au moyen d'un dispenseur sous le verre-époxy et celui-ci est assemblé par pressage sur le support 12. Après le montage du circuit d'interconnexion électrique sur le support 12 au moyen du joint de dilatation 18, la ou les puces 10 sont montées dans les parties découpées du circuit d'interconnexion électrique par collage au moyen de la couche de colle 14, ou par tout autre procédé habituel en micro-électronique tel par brasure. L'ensemble est alors prêt pour le micro-câblage de la puce ou des puces au moyen des fils de connexion 22 entre les connexions 20 de la puce et des liaisons conductrices 24 disposées sur le circuit imprimé 16. Ce micro-câblage est réalisé par une machine classique de microsoudure (ou "bonding"). la protection des puces une fois interconnectées peut s'effectuer de deux manières -soit par la pose sous atmosphère neutre d'un capot brasé, -soit par l'enrobage des puces grâce à une résine à faible module d'élasticité et de faible dureté comme par exemple la résine EPOTEK 310 d'EPOTECNI. les figures 2 à 5 représentent plusieurs structures de protection des puces. Sur la figure 2, la puce 10 est connectée par des fils 22 aux liaisons conductrices du circuit imprimé situées à la seule surface de ce circuit. Cette structure nécessite donc un capot évidé 30 pour protéger la puce. Une variante de la réalisation ci-dessus est représentée sur la figure 3 dans le cas ou le nombre de connexions par fils 22 à réaliser impose un pas sur le circuit imprimé trop serré (moins de 350 par exemple). Il est alors nécessaire de prévoir au moins une couche interne de liaisons conductrices située dans le circuit imprimé, ce qui nécessite deux niveaux de fils de connexion 22 comme représenté sur la figure. La protection de la puce se fait également au moyen d'un capot évidé 32. Dans la structure représentée sur la figure 4, les liaisons conductrices du circuit imprimé sont situées dans une couche interne, et les connexions par fils 22 avec la puce 10 ne dépassent donc pas la surface extérieure du circuit imprimé. Cette structure a l'avantage de dégager de la surface d'implantation sur la surface externe. L'encapsulation de la puce peut alors se faire judicieusement par un enrobage 34 avec une résine à faible module et à faible dureté. La réalisation de la figure 5 correspond à celle représentée sur la figure 3, mais comporte un enrobage 36 en résine à l'intérieur d'un rebord 38 entourant la cavité, nécessaire du fait que des liaisons conductrices se trouvent sur la surface extérieure du circuit imprimé. Sur la figure 6 est représentée une réalisation comportant deux puces situées dans deux cavités côte à côte sur le même support dissipateur de chaleur 12. Un seul capot 44 prenant appui sur le circuit imprimé 16 à l'extérieur des puces et également sur la bande de circuit imprimé séparant les 2 cavités, est donc nécessaire pour assurer la protection des deux puces. Bien entendu, les réalisations représentées sur les figures 2 à 5 s'appliquant à une ou deux puces pourraient être étendues à des ensembles comportant un grand nombre de puces. Bien que les exemples de réalisation illustrés sur les figures 1 à 6 concernent des assemblages de puces sur un seul côté du substrat 12, il est possible de disposer des puces de chaque côté du substrat comme le montre la figure 7. Chaque puce 10 ou 10' montée respectivement de chaque côté du substrat 12 est connectée aux connexions d'une plaque de verre-époxy 16 ou 16' de chaque côté du substrat par ses propres connexions 22 ou 22'. Dans le cas de la figure 7 correspondant à l'assemblage simple de la figure 4, la cavité où se trouve chaque puce est remplie par un enrobage 34 ou 34'. Mais il va de soi qu'un assemblage comportant des puces de chaque côté du substrat peut également faire appel aux caractéristiques utilisées dans un quelconque des assemblages à une puce illustrés sur les figures 2, 3,4 et 5 c'est à dire à une ou plusieurs couches de connexion, et ayant une protection par capot ou enrobage, ou aux caractéristiques d'un assemblage à deux puces tel qu'illustré sur la figure 6, ou bien encore à des combinaisons de ces différents assemblages, par exemple la ou les puces sur un côté du substrat comportant un capot et la ou les puces sur l'autre côté comportant un enrobage. Sur les figures 2 à 6, le support ou drain thermique 12 a été représenté avec une dimension réduite, inférieure à celle du circuit d'interconnexion électrique auquel il est fixé par un joint de dilatation. En fait, la grandeur du drain thermique dépend du type d'évacuation de calories utilisé, De façon classique, il est possible d'évacuer la chaleur dissipée dans le drain thermique par une connexion forcée d'air entre les cartes une fois placées dans le bâti (ou "rack"). Dans ce cas, les supports ou drains thermiques peuvent avoir une taille réduite par rapport au circuit d'interconnexion électrique ou circuit imprimé, telle que représentée sur les figures 2 à 6. Par contre, si, comme c'est le cas de la figure 7, l'évacuation de la chaleur se fait par conduction avec le bâti dans lequel il est prévu une plaque froide où circule un liquide réfrigérant, le drain thermique doit avoir des dimensions au moins égales à celles du circuit d'interconnexion électrique, pour assurer la conduction avec le bâti qui supporte les cartes. Les méthodes d'évacuation finale de la chaleur évoquées ci-dessus sont classiques et n' ont pas été représentées sur les figures . Dans les exemples de réalisation illustrés sur les figures 2 à 7, la puce est protégée, après montage, par un capot ou un enrobage. Cependant, il est possible d'utiliser directement un dispositif à circuits intégrés du type LCC (leadless chip carrier), c'est à dire un ensemble où la puce et ses connexions sont déjà fixées et protégées sur un support en céramique, et qui ne nécessite donc pas une protection par capot ou enrobage. Un mode de réalisation particulier de l'invention est représenté sur la figure 8 où deux puces 40 et 42 sont fixées sur le support ou drain thermique 12 dans des évidements du circuit d'interconnexion électrique 16. Un deuxième drain thermique 44 est disposé au dessus du circuit d'interconnexion électrique et est relié thermiquement aux puces 40 et 42 au moyen du matériau moulé intercalaire 46 conducteur de la chaleur mais électriquement isolant. Les puces 40 et 42 ne sont pas en contact direct avec le matériau 46 grâce à un enrobage 48 ou 50 similaire à l'enrobage illustré sur les figures 4, 5 ou 7. Comme précédemment, la puce 40 ou 42 est connectée au circuit d'interconnexion électrique par les connexions 22, et le circuit d'interconnexion électrique est fixé au drain 12 par le joint de dilatation 18, Les drains 12 et 44 sont fixés entre eux par des vis 52. Dans ce mode de réalisation, l'évacuation de la chaleur dissipée par les puces se fait autant par le drain inférieur 12 que par le drain supérieur 44, d'où la possibilité de disposer d'un plus grand nombre de puces et de puces de plus grandes dimensions L'invention peut également être mise à profit en utilisant les puces de circuits intégrés assemblées par "Tape Automated Bonding" ou TAB. Dans ce type d'assemblage les puces sont montées sur un ruban porteur en un matériau isolant tel qu'une résine thermoplastique, comportant des conducteurs incorporés à l'endroit où est fixée chaque puce. Ces conducteurs (ou "beam-leads") permettant la connexion entre les circuits de la puce et l'extérieur lors de l' opération de soudure ou "bonding". La partie de ruban comportant la puce fixée à ses connexions est ensuite coupée. Si un assemblage du type TAB est utilisé dans le contexte de la présente invention, la partie de ruban comportant la puce fixée et ayant déjà subi l'opération de "bonding" est installée de façon à occuper un évidement du circuit imprimé fixé sur le support dissipateur de chaleur par un joint de dilatation. Puis, après fixation de la puce au substrat dans chaque évidement, la dernière opération consiste à relier par fils de connexion les conducteurs de chaque ensemble puce-ruban aux liaisons conductrices du circuit d'interconnexion électrique. On doit noter qu'aussi bien lorsque les assemblages du type TAB sont utilisés que dans le cas d'utilisation des dispositifs du type LCC, le câblage permettant les liaisons entre la puce et le circuit imprimé est un câblage collectif du fait que l'opération de "bonding" a déjà été réalisée avant montage. Bien qu'un certain nombre de techniques ont été évoquées dans la description comme se prêtant particulièrement à la mise en oeuvre de l'invention, il existe bien d'autres techniques dans lesquelles des puces de circuits intégrés, et de façon générale des dispositifs de circuits intégrés, dissipent beaucoup de chaleur, qui pourraient également être utilisées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Assemblage de circuits intégrés à dissipateur thermique comprenant au moins une puce (10) de circuits intégrés disposant de patins de connexions (20) d'entrée et de sortie, et un circuit d'interconnexion électrique (16) du type circuit imprimé disposant d'au moins une couche de liaisons conductrices en contact avec les patins de connexion de la puce de façon à réaliser une architecture fonctionnelle prédéterminée ; caractériséen ce que ladite au moins une puce de circuits intégrés est fixée sur un support (12) en matériau conducteur de la chaleur et de coefficient de dilatation thermique très proche de celui du matériau composant ladite puce de sorte que la chaleur fournie par ladite puce lors du fonctionnement de ladite architecture fonctionnelle est évacuée par ledit support sans apparition de contraintes mécaniques entre ladite puce et ledit support. 2. Assemblage selon la revendication 1 dans lequel ledit circuit d'interconnexion électrique du type circuit imprimé (16) comporte au moins un évidement de taille légèrement supérieure à ladite au moins une puce (10) et est fixé sur ledit support (12) au moyen d'un joint de dilatation, ladite puce étant fixée sur ledit support dans ledit évidement, de sorte que les contacts entre les patins de connexion (20) de ladite puce et les liaisons conductrices dudit circuit d'interconnexion électrique se font au moyen de fils de connexion (20). 3. Assemblage selon la revendication 2 dans lequel les liaisons conductrices dudit circuit d'interconnexion électrique du type circuit imprimé (16) sont situées à plusieurs niveaux dudit circuit d'interconnexion électrique comprenant une couche sur la surface extérieure et au moins une couche interne. 4. Assemblage selon la revendication 1 ou 3 comportant en outre un capot (30, 32) pour assurer la protection de ladite au moins une puce (10). 5. Assemblage selon la revendication 2 ou 3 dans lequel la protection de ladite au moins une puce est assurée par un enrobage (34,36) en résine à faible module et à faible dureté. 6. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 comportant en outre au moins une autre puce de circuits intégrés (10') fixée sur l'autre côté dudit support (12) ainsi qu'un circuit d'interconnexion électrique (16') du type circuit imprimé disposant au moins d'une couche de liaisons conductrices en contact avec les patins de connexion de ladite autre puce au moyen de fils de connexion (22'). 7. Assemblage selon la revendication 1,2 ou 3 comportant en outre un deuxième support (44) ayant les mêmes propriétés que ledit support (12) situé de l'autre côté de ladite puce par rapport audit support (12) et séparé de ladite puce par un matériau moulé conducteur de la chaleur et électriquement isolant, de sorte que l'évacuation de la chaleur se fasse à la fois par ledit support (12) et par ledit deuxième support (44). 8. Assemblage selon la revendication 1 ou 2 dans lequel ladite au moins une puce (10) est préalablement assemblée sur un ruban en résine thermoplastique et ses connexions déjà soudées à des conducteurs incorporés au ruban selon la technique TAB, avant d'être fixée audit support (12). 9. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel ledit support (12) est en un matériau choisi dans le groupe consistant en métal, tel que cuivre, molybdène ou titane, tôle émaillée, alumine résine phénolique, matériau composite tel que carbone/résine époxy ou carbone/carbone, et matériau colaminé tel que cuivre/invar/cuivre ou cuivre/molybdène/cuivre. 10. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel ledit support (12) est en un matériau type caloduc transférant la chaleur par changement d'état d'un fluide. 11. Assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit circuit d'interconnexion électrique (16) est fixé sur ledit support (12) au moyen d'un joint de dilatation constitué d'un matériau élastomère tel que du silastène ou un caoutchouc type Viton, Hypalon ou Néoprène.