Brevet FR2733354A1 — publié le 19961025

La présente invention concerne de façon générale les boîtiers pour semiconducteurs et, plus particulièrement, un appareil de soudage de connexions intérieures comprenant un moyen de dissipation de chaleur destiné à empêcher que de la chaleur ne soit transmise à la bande utilisée dans le processus de soudage automatisé sur bande au cours de l'opération de soudage des connexions intérieures, ainsi qu'un procédé de soudage des connexions intérieures utilisant un semblable appareil de soudage de connexions intérieures. Le processus de soudage automatisé sur bande (TAB), qui a été introduit par la société Général Electric Co. pendant les années 1960, a été l'une des techniques automatisées que l'on a employées pour encapsuler toutes sortes de dispositifs à semiconducteur à la place de la technique de soudage de connexions du type fils. Avec le développement de la technique TAB et l'amélioration de sa fiabilité, le domaine d'application des boîtiers TAB s'est graduellement élargi jusqu'aux domaines exigeant des propriétés électriques plus stables et d'un niveau de qualité plus élevée, comme les circuits ultrarapides (VHSIC), les dispositifs d'affichage à cristal liquide, les super-ordinateurs, etc. Le processus TAB commence par l'opération consistant à souder, à l'aide d'une technique de soudage par thermocompression, une puce de silicium à un élément métallique gravé selon un certain motif, par exemple à un motif de cuivre formé sur une bande en polymère (par exemple une bande en polyimide). Généralement, la bande utilisée dans le processus TAB comprend une couche adhésive faite de divers matériaux adhésifs, comprenant les polyimides, les époxy, les résines acryliques et les phénol- butyraldéhydes. Le choix d'un adhésif doit reposer, en priorité, sur sa stabilité thermique, puisque le boîtier TAB sera soumis à des traitements à température élevée, comme le soudage de connexions intérieures (ci-après appelé "ILB"), la cuisson d'encapsulation, les essais de vieillissement artificiel, et le soudage de connexions extérieures. En particulier, l'opération ILB au cours de laquelle des connexions intérieures gravées suivant un certain motif sont soudées à des bosses formées sur des plots de soudage des puces semiconductrices s'effectue dans des conditions de température de 530 à 550 C pour assurer une augmentation de la résistance à la traction de l'interface de jonction entre connexions intérieures et bosses. L'opération ILB s'effectue typiquement par un procédé de soudage d'un seul point ou par un procédé de soudage multiple. Le procédé de soudage multiple, qui est décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n' 3 763 404 et 4 051 508, est largement employé pour la production en série de boîtiers TAB suivant un cycle de traitement court, puisque des pattes de puce TAB peuvent être soudées simultanément par des procédés comprenant le soudage par thermocompression, la formation d'alliage dynamique, le soudage par refusion, etc. La figure 1 montre un boîtier TAB classique pendant le cours de l'opération ILB. Comme on peut le voir sur la figure, des connexions intérieures 1 formées suivant un motif prédéterminé, par exemple par photolithographie, sont fixées par un adhésif 2 à une couche 3 de polymère (par exemple polyimide) de manière à former une bande à trois couches. Sur les plots de soudage de puce 7 d'un dispositif à semiconducteur 8, sont formées des bosses 6 destinées à l'interconnexion électrique avec les connexions intérieures 1. Pendant l'opération ILB, plusieurs puces semiconductrices 8 sont automatiquement préalignées par une table de positionnement XY (non représentée) par rapport à une machine à souder , par exemple une machine dite thermode. On utilise un moyen de support, ou une pince, 4 pour fixer une grille de connexion de TAB, et on prérègle la position de celle-ci de manière optimisée afin d'assurer une fixation stable des connexions TAB. Pendant l'opération ILB, un support de puce (non représenté) s'élévera jusqu'au niveau du soudage, et la machine à souder 5 appliquera de la chaleur et de la pression, via les connexions métalliques 1 se trouvant sur la bande, aux bosses 6 se trouvant sur la puce 8. A ce moment, la chaleur transportée jusqu'à l'adhésif 2 de la grille de connexion, en provenance de la machine à souder 5, est susceptible de provoquer un phénomène dit de dégradation, au cours duquel l'adhésif thermiquement fragile fond. Même si ceci ne se produit pas, des contraintes fortes sont inévitablement appliquées à l'interface de l'adhésif et des connexions, puisque l'adhésif qui s'est dilaté pendant l'opération ILB se contracte une fois cette opération terminée. Ce type de contrainte peut également être appliqué au point de jonction entre les connexions intérieures 1 et les bosses 6 en raison de leurs coefficients de dilatation thermique différents. Ceci provoque une rupture de l'interface de jonction ILB, qui peut amener, en retour, des défaillances électriques cruciales du dispositif. Le temps pris par la machine thermode 5 pour effectuer la thermocompression des connexions s'étendant juste sur les bosses, et la température de la machine thermode 5 ont une très grande influence sur la résistance du soudage de l'interface de jonction ILB. Cette résistance augmente apparemment proportionnellement à la température et au temps de séjour dans la machine thermode. Toutefois, les problèmes liés aux contraintes, aux ruptures de l'interface et à la fusion de l'adhésif, tels que ci-dessus décrits, augmentent eux aussi. Par conséquent, il faut établir un compromis entre les deux facteurs. Cest donc un but de l'invention de produire un appareil de soudage de connexions intérieures qui peut surmonter les inconvénients provoqués par les problèmes thermiques et de proposer un procédé de soudage de connexions intérieures à l'aide d'un tel appareil. Un autre but de l'invention est d'éliminer les limitations relatives à la température de la machine de soudage et au temps de séjour, ainsi que d'empêcher la dégradation se produisant au voisinage de l'adhésif et d'obtenir une bonne soudure des connexions intérieures aux bosses. Selon un premier aspect de l'invention, un appareil permettant de souder des bosses formées sur des plots de soudage d'une puce semiconductrice à des connexions intérieures d'un métal gravé suivant un certain motif qui est formé sur une bande en polymère par une technique photolithographique par exemple comprend un moyen de thermocompression servant à fournir de la chaleur et de la pression aux bosses et à la zone de chaque connexion intérieure qui sera directement soudée aux surfaces supérieures des bosses, un moyen de support servant à supporter les connexions intérieures, et un moyen de dissipation de chaleur fixé au moyen de support et aux connexions intérieures au voisinage de la zone directement soudée aux bosses. Selon un autre aspect de l'invention, le moyen de dissipation de chaleur est couplé au moyen de support par des vis et des trous de boulon, o les trous de boulon sont formés dans le moyen de dissipation de chaleur et la dimension de chacun des trous de boulon est plus grande suivant une direction, de sorte que la position du moyen de dissipation de chaleur peut être ajustée à plusieurs types de boîtiers TAB de tailles différentes. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un vue en section droite partielle du boîtier réalisé par soudage automatisé sur bande (TAB), qui est soumis à une opération de soudage de connexions intérieures (ILB) à l'aide d'une machine de soudage classique; la figure 2A est une vue en section droite partielle du boîtier TAB, qui est soumis à l'opération ILB à l'aide d'une machine de soudage selon l'invention; la figure 2B est une vue en plan montrant une plaque de dissipation de chaleur fixée, à l'aide d'une vis et d'un trou de boulon, à une pince de la machine de soudage selon l'invention; la figure 2C est une vue de face de la plaque de dissipation de chaleur fixée à l'aide de la vis et du trou de boulon à la pince de la machine de soudage selon l'invention; la figure 3 présente un résultat de simulation destiné à faire comprendre, sur une vue en plan, la dissipation de la chaleur et la conduction de la chaleur lorsque l'opération TAB-ILB est effectuée à l'aide de la machine ILB selon l'invention; la figure 4 montre un résultat de simulation destiné à faire comprendre, sur une vue en plan, la dissipation de la chaleur et la conduction de la chaleur lorsque l'opération TAB-ILB est effectuée à l'aide de la machine ILB classique; et la figure 5 est une vue de détail agrandie montrant une partie qui entoure des bosses de la figure 3. On va expliquer ci-après l'opération TAB-ILB selon l'invention en liaison avec la figure 2A, sur laquelle des éléments constitutifs identiques sont désignés par les mêmes numéros de référence, si bien qu'on omettra d'en donner une description détaillée. Comme représenté sur la figure 2A, entre la surface supérieure d'une pince 4 et des connexions intérieures 1, est mécaniquement connectée une plaque L de dissipation de chaleur qui est faite de matériaux ayant une bonne conductivité thermique. Comme matériau pouvant être utilisé pour la plaque de dissipation de chaleur L, on peut utiliser du cuivre, un alliage de cuivre ou l'alliage 42 (42% de nickel et 58% de fer), ou bien on peut aussi utiliser de l'alliage de cuivre ou l'alliage 42 revêtu de diamant par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur. Selon une autre possibilité, la plaque de dissipation de chaleur peut être formée en alliage 42 revêtu d'une mince feuille de cuivre, ce qui permet d'augmenter la conductivité thermique de la plaque L tout en conservant les avantages de la résistance mécanique de l'alliage 42. Puisque la machine de soudage 5 est construite comme représenté sur les figures 2A à 2C, la chaleur provenant de la machine 5 peut être extraite via la plaque de dissipation de chaleur L, qui est en contact avec les connexions intérieures 1 approximativement en une partie centrale A des connexions intérieures, entre la région C proche de la pince 4 et la région B recevant directement la chaleur de la part de la machine de soudage 5. De ce fait, la chaleur allant, par conduction aux connexions intérieures 1 en provenance de la machine de soudage 5, se transfère d'elle-même à la région C. Le flux de chaleur se transférant aux connexions par rayonnement ou surtout par convexion est arrêté par la plaque L. Il faut noter ici que la plaque de dissipation de chaleur L joue deux rôles, à savoir intercepter la conduction de chaleur et bloquer le flux thermique. A partir de la description ci-dessus présentée, on peut facilement comprendre que le phénomène de dégradation, au cours duquel l'adhésif 2 s'écaille des conductions intérieures 1 au niveau de la position A, peut être empêché, ainsi que les défaillances d'ordre électrique qui sont provoquées par la différence existant entre le coefficient de dilatation thermique des connexions intérieures 1 et celui des bosses 6, puisque la température des connexions intérieures peut être diminuée. La figure 2B est une vue en plan montrant la structure de la plaque de dissipation de chaleur L fixée à la pince 4. Sur la plaque de dissipation de chaleur L, un trou de boulon 11, qui a la forme d'une ellipse aplatie, est couplé à la pince 4 par le moyen de fixation 10. Le trou de boulon elliptique 11 est destiné à permettre un positionnement de la plaque de dissipation de chaleur L, et il offre la possibilité d'appliquer l'ailette de dissipation de chaleur de l'invention à différents types de boîtiers TAB sans devoir faire intervenir d'autres traitements pour déterminer à quelle position de la plaque de dissipation de chaleur le contact avec les connexions intérieures est le plus approprié. La figure 2C est une vue de face de la plaque de dissipation de chaleur L fixée par le moyen de fixation 10 et un trou de boulon à la pince 4 de la machine de soudage selon l'invention. Le moyen de fixation 10 est par exemple une vis et sert à fixer mécaniquement la plaque de dissipation de chaleur L et la pince 4. Afin de vérifier les effets de la plaque de dissipation de chaleur selon l'invention, on a effectué une simulation interprétative thermique à l'aide de la méthode des volumes finis bien connue (FVM). La FVM procure une interprétation convenable lorsque des transferts thermiques par conduction, convexion et rayonnement sont combinés, et elle est tirée de la méthode des différences finies (FDM) o on obtient des solutions aux équations de transfert de la chaleur en remplaçant les équations différentielles par des différences finies. La figure 4 montre, suivant une vue en plan, un résultat de simulation pour la dissipation et le transfert de chaleur dans le cas o l'opération TAB-ILB est effectuée à l'aide d'une machine ILB classique. Sur cette figure, on peut voir que la chaleur de la machine de soudage est transférée à la connexion et à l'adhésif. La figure 3 montre, suivant une vue en plan, un résultat de simulation pour la dissipation et le transfert de chaleur lorsque l'opération TABILB est effectuée à l'aide de la machine ILB selon l'invention. Comme on peut le voir sur cette figure, la conduction de la chaleur allant de la machine de soudage à l'adhésif est interceptée du fait de l'action de blocage de la chaleur par la plaque de dissipation de chaleur. De plus, la convexion de la chaleur allant de la machine de soudage aux connexions est elle aussi considérablement réduite. La figure 5 est une vue de détail agrandie de la figure 3, qui montre de manière plus explicite la distribution spatiale de la chaleur dans la région d'interface de soudage de la grille de connexion et des bosses de la puce et dans la région entourant l'adhésif. A partir des résultats de simulation, on voit de manière évidente que la température diminue, autour de l'adhésif, d'environ 30% du fait de l'application de la plaque de dissipation de chaleur à la machine de soudage classique. En conclusion, lorsqu'on applique le moyen de dissipation de chaleur selon l'invention à une machine classique de soudage de connexions intérieures, on peut empêcher le phénomène de dégradation de l'adhésif, et on peut appliquer au boîtier TAB une température plus élevée et un temps de séjour plus long, ce qui est imposé par l'augmentation du nombre des connexions TAB, d'une manière qui garantit la fiabilité du boîtier TAB à multiples connexions. De plus, il est possible de réduire ce que l'on appelle la formation de cratères de puce pouvant survenir dans l'opération TAB-ILB, du fait de la réduction de la quantité de chaleur transférée de la machine de soudage chaude à la puce (c'est-à- dire que le gradient de température de la machine de soudage à la puce devient plus faible). En d'autres termes, les endommagements et la formation de cratères dans la puce sont plus susceptibles de se produire lorsque le gradient de température est fort, puisque, plus la machine de soudage est chaude, et plus des contraintes seront appliquées aux puces. L'invention a été décrite en liaison avec les dessins annexés dans un simple but d'explication, d'autres modes de réalisation pouvant être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention. Par exemple, même si la description précédente a porté sur une puce semiconductrice possédant des bosses sur ses plots de soudage d'électrodes, il est aussi possible d'appliquer la plaque de dissipation de chaleur de l'invention à un boîtier TAB à connexions par bosses dont les bosses doivent être formées sur les connexions intérieure. 273;3354 Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'appareil et du procédé dont la description vient d'être donnée simplement à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de soudage de connexions intérieures destiné à souder une pluralité de connexions intérieures (1) formées sur une bande en polymère (3) suivant un schéma prédéterminé à des bosses (6) qui sont formées sur des plots de soudage d'électrodes d'une puce semiconductrice (8), ledit appareil de soudage étant caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de thermocompression (5) servant à fournir de la chaleur et de la pression aux bosses et aux connexions intérieures, un moyen de support (4) servant à soutenir les connexions intérieures, et un moyen (L) de dissipation de chaleur fixé au moyen de support et à la surface des connexions intérieures en une position proche du point de soudage avec les bosses et servant à faire obstacle au transfert de chaleur du moyen de thermocompression à la bande en polymère. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de dissipation de chaleur comporte un moyen de fixation (10) servant à coupler le moyen de dissipation de chaleur au moyen de support, et des trous de boulon (11) destinés à recevoir le moyen de fixation, lesdits trous de boulon ayant la forme d'une ellipse de manière à permettre un ajustement de la position de contact du moyen de dissipation de chaleur avec les connexions intérieures. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chaleur provenant du moyen de thermocompression est associée à une gamme de température de 530 à 550C. 4. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de dissipation de chaleur est fait en un matériau choisi dans le groupe comprenant le cuivre, un alliage de cuivre et l'alliage 42, qui consiste en 42% de nickel et 58% de fer. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit alliage de cuivre et l'alliage 42 sont revêtus d'une feuille de diamant. 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit alliage 42 est l'alliage 42 revêtu d'une feuille de cuivre. 7. Procédé de soudage d'une pluralité de connexions intérieures formées sur une bande en polymère suivant un schéma prédéterminé à des bosses formées sur des plots de soudage d'électrodes d'une puce semiconductrice, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: fournir de la chaleur et de la pression aux bosses et aux connexions intérieures; souder les bosses et les connexions intérieures à l'aide de la chaleur et de la pression fournies par l'opération précédente, tout en bloquant le transfert de la chaleur à la bande en polymère. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chaleur fournie au cours de ladite opération de fourniture de chaleur et de pression est associée à une gamme de température de 530 à 550C. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite opération de blocage de la chaleur par rapport à la bande en polymère est effectuée par un moyen de dissipation de chaleur qui est fixé aux connexions intérieures et est fait d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le cuivre, un alliage de cuivre et l'alliage 42, l'alliage 42 étant constitué de 42% de nickel et de 58% de fer. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit alliage de cuivre et ledit alliage 42 sont revêtus d'une feuille de diamant. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit alliage 42 est l'alliage 42 revêtu d'une feuille de cuivre.