Brevet FR2741232A1 — publié le 19970516

COMPOSANT MICROELECTRONIQUE POUR APPLICATIONS EN LARGE GAMME DE TEMPERATURES AMBIANTES L'invention concerne les composants électroniques II est connu que certaines applications électroniques nécessitent des composants de microélectronique ayant des contraintes de fonctionnement sévères, particulièrement en ce qui concerne la gamme de températures ambiantes dans laquelle le fonctionnement du composant est garanti. Typiquement, on utilise aujourd'hui plusieurs gammes de spécifications de températures de fonctionnement garanti : dans l'ordre de sévérité croissante, les gammes 00C à +70"C, -5 C à +100"C, 40 C à + 85"C, -55 C à +125"C. Bien entendu, les composants qui satisfont aux exigences les plus sévères sont plus coûteux que ceux qui satisfont aux exigences de moindre sévérité. A titre d'exemple, les contraintes de température les plus sévères existent pour des applications aéronautiques, spatiales, militaires. Les contraintes moins sévères existent pour les produits grand public (télévision, automobile), les télécommunications, I'informatique civile, le médical, etc. Par ailleurs, non seulement un composant à contraintes moins sévères est plus facile à fabriquer, donc moins coûteux qu'un composant à contraintes plus sévères, mais de plus les produits destinés à des applications grand public sont fabriqués dans des quantités souvent beaucoup plus importantes que les autres, ce qui est un facteur très important de réduction de coûts. De plus en plus, on cherche à minimiser les coûts des composants, même dans les applications à fortes exigences. C'est ainsi qu'une tendance qui se généralise actuellement consiste à rechercher systématiquement les composants qui pourraient sans trop de dégradation de performances de l'application être remplacés par des composants moins coûteux issus d'applications moins contraignantes. Plus généralement, on recherche comment utiliser le mieux possible les technologies de fabrication moins coûteuses dans des applications où les contraintes restent sévères. Ceci est d'autant plus nécessaire que les fabricants de composants ont maintenant des politiques de fabrication orientées en fonction des domaines où les quantités fabriquées sont très importantes et sont dès lors de moins en moins aptes à fournir des composants à performances plus grandes en séries plus limitées. Un des buts de l'invention est donc de proposer une solution pour résoudre ces problèmes. Plus particulièrement, I'invention a pour but de trouver un compromis acceptable pour assurer le fonctionnement d'une application dans une gamme de température s'étendant suffisamment bas du côté des températures froides, même avec des composants dont la tenue à ces températures froides n'est pas garantie. A titre d'exemple, on souhaite utiliser un composant tel qu'un microprocesseur dans une gamme s'étendant vers le bas jusqu'à 40 C ou -55 C, alors qu'on dispose d'un microprocesseur garanti pour un fonctionnement entre 0" et 70"C. Pour cela, on propose d'associer à ce composant1 microprocesseur ou autre, d'une part un capteur de température à seuil et d'autre part un élément de chauffage permettant de réchauffer le composant si la température détectée par le capteur est inférieure à un seuil déterminé. Par conséquent, I'invention propose un composant électronique complexe comportant d'une part un composant électronique simple, dont le fonctionnement est garanti pour une température basse supérieure à une valeur T1, et d'autre part un capteur de température à seuil pour détecter si la température est inférieure à un seuil T2, et un moyen de chauffage contrôlé par le capteur de température, pour réchauffer le composant simple si la température détectée par le capteur est inférieure à T2. De préférence, T2 est légèrement supérieure à T1. L'invention est tout particulièrement applicable à des composants réalisés sous forme de modules hybrides comportant plusieurs puces de circuit intégré montées sur un même substrat. Dans ce cas, le composant simple est constitué par une ou plusieurs de ces puces et leurs connexions, le capteur de température peut être constitué par une puce supplémentaire, ou alors il peut faire partie de l'une des puces constituant le composant simple, et le moyen de chauffage est de préférence constitué par un réseau de résistances intégrées dans le substrat hybride portant les puces. Les substrats d'interconnexion en microélectronique hybride (multicouches en couches minces ou en couches épaisses) permettent d'intégrer de tels réseaux de résistances chauffantes dans le substrat. L'élément chauffant est alors très bien placé pour augmenter la température du composant jusqu'à une valeur supérieure au seuil bas de température de fonctionnement garanti. Le capteur de température est placé également à proximité immédiate du substrat et donne une très bonne approximation de la température du composant à réchauffer puisque le composant est justement réchauffé par le substrat. La régulation thermique peut être très précise. La masse calorifique de l'ensemble à réchauffer est très peu augmentée par les éléments rajoutés (capteur et éléments chauffants). La consommation d'énergie pour le réchauffage est donc minimisée. Enfin, cette solution est indépendante du type d'applications et peut donc être adaptée à toutes sortes de composants ou de modules multicomposants. Les composants fonctionnant à haute fréquence (processeurs rapides, mémoires de grande capacité, etc.) sont particulièrement concemés par l'invention car leur fonctionnement est difficile à garantir à basse température. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un composant électronique sur substrat hybride multicouche; - la figure 2 représente un composant électronique selon l'invention; - la figure 3 représente la configuration électrique permettant le réchauffage du composant. On se propose par exemple de réaliser une unité centrale de traitement de données, embarquée dans un avion, et utilisant des microprocesseurs, par exemple de la gamme 88x::o Sans modification, le microprocesseur ne peut pas démarrer à cette température, en tous cas pas avec une fiabilité suffisante. Dans l'art antérieur, on utilisait des composants réalisés avec une technologie différente et des règles de dessins différentes permettant de garantir le fonctionnement à -85 C. Aujourd'hui, il n'est pas rentable pour le fabricant de continuer ces fabrications qui n'ont pas de débouchés en quantités suffisantes, et l'utilisateur de l'application ne peut plus payer le surcoût d'une fabrication spécifique. On procède selon l'invention de la manière suivante : l'unité centrale est réalisée sous forme d'un "module multichip", c'est-à-dire un module portant plusieurs puces de circuit intégré, réalisé selon une technologie de microélectronique hybride sur un substrat d'hybridation qui est de préférence un substrat d'interconnexion multicouche à base de cuivre et polyimide en couche mince sur un substrat qui peut être une plaquette d'alumine ou une autre céramique. La figure 1 représente schématiquement en coupe un tel module. On n'a représenté pour simplifier qu'une seule puce 10, reliée par des fils d'interconnexions 12 à des connexions de cuivre d'une couche de connexion superficielle 14 déposée à la surface du substrat 16. D'autres couches d'interconnexion 18, 20, 22, 24 peuvent être prévues, parmi lesquelles en général une ou plusieurs couches d'interconnexion pour les échanges de signaux électriques, et une ou plusieurs couches pour la distribution des alimentations en énergie, positive et négative. Les couches sont reliées entre elles par des trous ou vias conducteurs. La figure 2 représente un module hybride multicouche selon l'invention. II comporte un capteur de température et un moyen de chauffage commandé par ce capteur. Le capteur de température est de préférence réalisé sous forme d'une puce de circuit intégré 30 montée comme les autres puces sur le substrat hybride. On comprendra cependant que dans certains cas exceptionnels, le capteur de température pourrait faire partie d'une des puces ayant d'autres fonctions dans le circuit. Le moyen de chauffage est de préférence réalisé sous forme d'un réseau de résistance 32 constituant une des couches du substrat d'interconnexion 16 (ou une partie d'une couche de ce substrat). Le réseau de résistances est alimenté par la source d'énergie qui alimente l'ensemble du composant complexe à travers le substrat d'interconnexion. Mais l'alimentation en énergie du réseau de résistances est contrôlée par le capteur de température, de manière que les résistances ne chauffent que si c'est nécessaire. Etant donné qu'en général les puces constituant le composant ont tendance à dissiper de l'énergie, il ne sera en général pas nécessaire de chauffer le composant même pour des températures ambiantes très basses, sauf au démarrage lorsque le composant est froid et risque de ne pas démarrer ou de ne pas fonctionner correctement. La dissipation thermique naturelle du composant assure, après qu'il a démarré, une température suffisante du composant. Le capteur de température cesse d'activer le réseau de résistances. Si le composant est spécifié pour fonctionner correctement pour une température T1 (par exemple -5 C), le capteur de température sera conçu pour déclencher le chauffage des résistances pour une température T2 qui sera en principe légèrement supérieure à T2 (par exemple 0 C). Toutefois on comprendra que ceci dépend des circonstances particulières et qu'il est possible que T2 soit légèrement inférieure à T1 si on accepte un degré de fiabilité de démarrage légèrement dégradé. Un réseau de résistances formé dans une couche du substrat d'interconnexion permet de dissiper plusieurs watts par Crfl2, ce qui permet d'élever notablement la température de l'ensemble du composant complexe. Le réseau de résistances est de préférence constitué dans une couche du substrat assez proche de la surface de ce demier, par exemple dans la première couche au dessous de la couche superficielle. La puce 30 constituant le capteur de température est reportée sur le substrat dans les mêmes conditions que les autres puces. La commande du réseau de résistances se fait de préférence par l'intermédiaire d'un photocoupleur et d'un transistor de puissance. Le photocoupleur et le transistor de puissance peuvent faire partie de la puce 30 de capteur ou non. Ils peuvent être réalisés sur une puce séparée reportée sur le substrat. La figure 3 représente schématiquement la configuration électrique de l'ensemble capteur de température + photocoupleur + transistor de puissance + réseau de résistances. Le capteur de température 40, le photocoupleur 50, le transistor de puissance 60 et le réseau de résistances 32 fonctionnent même aux températures très basses pour lesquelles le fonctionnement des puces de microprocesseur n'est pas garanti. En effet, ils ne comportent que peu d'éléments et ne fonctionnent pas à des fréquences élevées. Le capteur de température peut être très simple et utiliser classiquement un transistor bipolaire dont la tension baseémetteur Vbe varie comme on le sait proportionnellement à la température absolue. Le capteur de température délivre un signal électronique représentant le dépassement ou non dépassement du seuil de température T2; ce signal est fourni de préférence non seulement au photocoupleur mais aussi aux puces de microprocesseur dont le fonctionnement est à garantir à basse température. Ce signal permet de configurer les puces dans un état correspondant à la température détectée. Ainsi, pour une température très basse pour laquelle le fonctionnement n'est pas garanti, on peut configurer la puce dans une configuration particulière, par exemple une configuration d'auto-test interne, pour laquelle non seulement le fonctionnement normal est interdit (afin d'éviter des erreurs), mais aussi une énergie électrique est dissipée par la puce et contribue au réchauffement de l'ensemble. Par ailleurs, pour avoir un maximum de flexibilité d'utilisation du système, on prévoit de préférence que le système de régulation thermique ainsi réalisé est à la fois commandable et observable à partir des circuits du module (par exemple les microprocesseurs euxmêmes). On peut ainsi prévoir une autorisation contrôlée de mise en service ou d'interruption du fonctionnement du capteur et du réseau de préchauffage. Le substrat d'interconnexion peut être réalisé en faisant appel aux différentes filières connues.: - multicouches en couches épaisses, sérigraphiées ou photolithographiées, - multicouches en céramique cocuite à basse température, - multicouches en céramique cofrittée à haute température, - multicouches en couches organiques ou composites, Le principe de l'invention est applicable à toute fonction électronique pour laquelle le fonctionnement à basse température serait limité par le comportement de certains de ses composants. Mais I'invention est particulièrement utile pour assurer le démarrage et le fonctionnement correct de composants travaillant à haute fréquence (plusieurs dizaines de mégahertz), et particulièrement des microprocesseurs, mémoires et autres périphériques associés à ces microprocesseurs et mémoires. REVENDICATIONS 1. Module de microélectronique, comportant au moins un composant électronique (10) dont la température basse de fonctionnement garanti est supérieure à une température de fonctionnement garanti souhaitée, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un capteur de température (30) et d'autre part un élément de chauffage (32) commandé par ce capteur de température pour réchauffer le composant si la température ambiante détectée par le capteur est inférieure à une température (T2) déterminée. 2. Module de microélectronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant électronique comporte au moins une puce de circuit intégrée reportée sur un substrat hybride (16), en ce que le capteur de température est également reporté sur ce substrat, et en ce que l'élément chauffant est un réseau de résistances intégré à ce substrat. 3. Module de microélectronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat hybride est un substrat d'interconnexion multicouches, le réseau de résistances étant constitué sur une des couches d'interconnexion. 4. Module de microélectronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant électronique est un composant fonctionnant à haute fréquence.