Brevet FR2757682A1 — publié le 19980626

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONNEXION D'UN COMPOSANT SEMICONDUCTEUR SUR UN SUBSTRAT EQUIPE DE CONDUCTEURS La présente invention se rapporte au domaine de la connectique. Plus particulièrement elle se rapporte à un procédé et un dispositif de connexion d'un composant semiconducteur sur un substrat équipé de conducteurs. Par substrat on entend support rigide. Ce procédé s'applique plus particulièrement à la connexion d'un circuit intégré sur une dalle d'écran plat de toute nature. Ces écrans plats peuvent être par exemple des écrans de type panneaux à plasma ou panneaux à cristaux liquides, des écrans à émission de champ, des écrans de détection pour détecteurs de rayons X, des écrans électroluminescents. Les écrans plats qu'ils soient à plasma ou à cristaux liquides sont formés de deux dalles de verre face à face comportant sur leurs faces en regard un réseau d'électrodes ou de conducteurs. Ces conducteurs sont généralement réalisés en oxyde d'indium et d'étain (ITO). Ces conducteurs disposés en lignes et colonnes doivent être connectés à des circuits intégrés de commande électrique dits "drivers" L'augmentation de la résolution de ces écrans plats de visualisation entraîne une augmentation du nombre de pixels et donc une augmentation du nombre d'électrodes et une diminution de leur pas. Un circuit intégré de type "driver" comporte plus de contacts de sortie (n) que de contacts d'entrée (e). Les contacts d'entrée servent entre autre à son alimentation électrique. Le nombre e de contacts d'entrée est généralement le quart du nombre n de contacts de sortie. Le circuit intégré avec n+e contacts est généralement encapsulé dans un boîtier et ses n+e contacts sont reliés aux n+e contacts du boîtier par soudage de n+e conducteurs filaires à leurs deux extrémités. Cette technique est connue sous la dénomination anglaise de "wire bonding" Le nombre de points de soudure est donc de 2(n+e). Le circuit intégré encapsulé est généralement soudé sur une carte électronique et pour cette étape n+e points de soudure sont requis. La carte électronique est connectée au substrat muni de conducteurs à l'aide d'un circuit souple qui est généralement pressé d'un côté sur le substrat et de l'autre sur la carte électronique. Ces deux liaisons nécessitent 2n points de connexion. Dans ce cas 5n+3e points de connexion sont requis pour réaliser la connexion totale entre la carte électronique et le substrat. Pour améliorer la fiabilité et diminuer l'encombrement en réduisant la surface de la carte électronique, il a été proposé de connecter le circuit intégré non encapsulé directement sur le circuit souple par câblage filaire, cette technique est connue sous la dénomination de COF pour "Chip on Flex". Dans ce cas le nombre de points de connexion n'est plus que de 3n+3e se décomposant de la manière suivante: - n contacts sont réalisés en pressant le circuit souple sur le substrat, - e contacts sont réalisés en pressant le circuit souple sur la carte électronique, - 2n+2e points de soudure sont requis pour le montage du circuit intégré nu sur le circuit souple à l'aide d'un câblage filaire. Le circuit intégré est fixé au circuit souple et ses plots de connexion placés sur sa face supérieure sont reliés au circuit souple. La technique de connexion connue sous la dénomination de TAB pour "Tape Automated Bonding" diminue encore le nombre de points de connexion. Cette technique consiste à souder par ultra-sons les contacts du circuit intégré sur le circuit souple. Le nombre de points de connexion n'est plus que de 2n + 2e se décomposant de la manière suivante - n contacts sont réalisés en pressant le circuit souple sur le substrat, - e contacts sont réalisés en pressant le circuit souple sur la carte électronique, - n + e points de soudure sont requis pour fixer directement les contacts du circuit intégré sur le circuit souple. Dans le but d'une diminution de la surface du circuit souple, le circuit intégré nu peut être raccordé directement sur le substrat muni de conducteurs à l'aide d'un câblage filaire. Dans ce cas le nombre de points de connexion est de 2n+4e se décomposant de maniére suivante 2n+2e points de soudure sont requis pour le montage du circuit intégré nu sur le substrat à l'aide d'un câblage filaire. - e contacts sont réalisés en pressant le circuit souple sur le substrat, - e contacts sont réalisés en pressant le circuit souple sur la carte électronique. Le circuit souple ne possède plus que e conducteurs et sa surface et sa complexité sont notablement diminuées. Encore une autre solution proche de celle qui vient d'être décrite, dite "flip chip" consiste à fixer directement les plots du circuit intégré nu aux conducteurs du substrat. Les plots du circuit intégré sont alors en regard des conducteurs du substrat. La liaison peut se faire par une technique de collage avec un adhésif contenant des microbilles qui établissent un contact dans une seule direction entre le circuit intégré et le conducteur. Plusieurs types d'adhésifs peuvent être utilisés tels qu'une résine réticulable aux ultra-violets, une colle séchant sous pression et à chaud ou un film adhésif anisotropique posé à chaud et sous pression. Les microbilles sont soit simplement métalliques, soit en carbone enrobé d'une couche métallique. La liaison peut aussi se faire par une technique de soudage. Les plots du circuit intégré sont alors traités de manière à comporter une excroissance de l'ordre de la dizaine de micromètres. Ces excroissances peuvent être réalisées, par exemple, par une goutte de soudure en SnPb, par une métallisation par ultrasons, par croissance électrolytique etc. Un mélange des deux techniques peut être utilisé. Ces techniques réduisent encore le nombre de points de connexion à n+3e se décomposant en: - n+e pour la fixation du circuit intégré sur le substrat. - e contacts pour le pressage du circuit souple sur le substrat, - e contacts pour le pressage du circuit souple sur la carte électronique. Cette variante présente un nombre réduit de points de connexion et donc un coût réduit. Mais une fois que le circuit intégré est fixé, il n'est plus possible de le démonter sans endommager généralement les conducteurs du substrat. Le circuit intégré ne peut être changé en cas de défaillance car une réparation ne peut être entreprise qu'avec beaucoup de difficultés. De plus, la liaison entre les plots du circuit intégré et les conducteurs du substrat est rigide, la fiabilité n'est pas très bonne car des différences de dilatation peuvent apparaître entre les plots et les connexions. Les risques de cassure ne sont pas négligeables. Le procédé selon l'invention vise à améliorer la fiabilité de la connexion et à permettre les réparations tout en restant simple et bon marché. Au point de vue nombre de points de connexion il est équivalent à celui de la technique dite flip-chip. Le composant semiconducteur et le substrat équipé des conducteurs peuvent être utilisés sans préparation particulière. Pour atteindre ces buts le procédé selon l'invention consiste à mettre en contact électrique les contacts du composant semiconducteur et les conducteurs du substrat et à maintenir ce contact électrique à l'aide d'un élément de pressage qui appuie d'un côté sur le substrat et de l'autre sur le composant semiconducteur. II est possible de coller le composant semiconducteur à sa place au substrat en évitant les contacts et les conducteurs puis de mettre l'élément de pressage. Une variante consiste à solidariser le composant semiconducteur et l'élément de pressage et à les mettre en place ensemble. Cette variante est préférée si le substrat est transparent. En vue de protéger les contacts du composant semiconducteur, il est préférable d'appliquer une résine de protection sur le substrat, cette résine étant chassée des contacts après la mise en place de l'élément de pressage. Pour améliorer la fiabilité du contact électrique, il est recommandé d'utiliser des conducteurs et/ou des contacts ductiles. Les conducteurs peuvent en outre comporter des aspérités calibrées. L'élément de pressage peut avoir une fonction de dissipation thermique et comporter une partie assurant un contact thermique surfacique avec le composant semiconducteur. Pour améliorer encore la dissipation, un ou plusieurs éléments de type radiateur peuvent être solidaires de la partie assurant le contact thermique surfacique. Le composant semiconducteur peut être soit utilisé nu soit utilisé encapsulé. Dans la première possibilité, en vue de le protéger il est possible de l'enrober de résine ou de lui apposer un capot. Dans la seconde possibilité, il est préférable que les contacts du composant semiconducteur soient rentrants sous le boîtier. Un conducteur de type Zebra inséré entre les contacts et les conducteurs du substrat peut contribuer à réaliser le contact électrique. Un élément élastique peut être inséré entre les contacts du composant semiconducteur et le boîtier. L'invention concerne aussi un dispositif de connexion d'un composant semiconducteur muni de contacts sur un substrat équipé de conducteurs comportant un élément de pressage qui appuie d'un côté sur le substrat et de l'autre sur le composant semiconducteur pour maintenir en contact électrique les contacts et les conducteurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation illustrée par les figures annexées qui représentent: - les figures la, lb plusieurs exemples d'un dispositif de connexion d'un composant semiconducteur nu, conforme à l'invention; - les figures 2a, 2b encore deux exemples d'un dispositif de connexion d'un composant semiconducteur encapsulé, conforme à l'invention, - la figure 3 un conducteur de type Zebra utilisé pour la connexion; - la figure 4 un dispositif de connexion selon l'invention dans lequel l'élément de pressage a une fonction de dissipation thermique. Les figures la, lb montrent des exemples de composant semiconducteur i connecté à des conducteurs 2 placés sur un substrat diélectrique 3 selon le procédé conforme à l'invention. Le substrat diélectrique 3 peut être par exemple une des dalles de verre d'un écran plat. L'autre dalle référencée 3' sur la figure la vient en vis-à-vis mais est plus petite. Dans les exemples décrits, le composant semiconducteur 1 est nu c'est-à-dire non encapsulé et c'est un circuit intégré. II possède des plots 4 légèrement protubérants qui servent de contact. Les contacts 4 au lieu d'être des plots protubérants pourraient affleurer le composant semiconducteur. Le terme circuit intégré est employé dans la suite de la description. Les plots 4 d'interconnexion du circuit intégré 1 viennent en contact électrique avec les conducteurs 2 du substrat diélectrique 3. Ils sont aussi en contact mécanique avec les conducteurs. Le maintien du contact électrique est assuré par un élément de pressage 5 qui appuie d'un côté sur le substrat 3 et de l'autre sur le circuit intégré 1. Le circuit intégré 1 peut être apposé directement en position sur le substrat 3 diélectrique et retenu à l'aide d'adhésif 7 inséré entre le substrat 3 et le circuit intégré 1 hors plots 4. Le contact électrique est maintenu par la mise en place de l'élément de pressage 5. L'adhésif utilisé est de préférence une colle non rigide, par exemple thixotropique, c'est-àdire qui ne coule pas, à prise rapide. Seule une micro goutte est nécessaire. Cet exemple est illustré par la figure lb. L'élément de pressage 5 est de préférence une pince métallique adaptée à la géométrie du substrat, du circuit intégré et de la force à appliquer. L'élément de pressage prend appui d'un côté sur le substrat 3 et de l'autre sur le circuit intégré 1. La planéité d'un composant semiconducteur nu est de l'ordre de 3 à 4 micromètres par centimètre pour une épaisseur de 500 micrométres qui est l'épaisseur la plus courante pour les composants semiconducteurs en silicium. De tels composants sont relativement flexibles et une flexion supérieure à 10 micromètres par centimètre peut être obtenue, sans les endommager, avec une force inférieure à la centaine de grammes. Un substrat de verre pour écrans plats a une planéité de l'ordre du micromètre par centimètre. Un composant semiconducteur nu peut supporter des pressions de plusieurs centaines de kilogrammes par centimètre carré. Un composant semiconducteur de 1cm2 possédant 100 plots de 150 micromètres carrés, soit 1,5 mm2 de plots, qui reçoit une force de 300 grammes, supporte 20 kg/cm2 sur ses plots. Une force jusqu'à dix fois plus grande pourrait lui être appliquée sans dommage. Pour améliorer le contact électrique entre les plots 4 et les conducteurs 2, il est préférable que les plots 4 soient légèrement ductiles. Quant aux conducteurs 2 ils pourront être soit aussi légèrement ductiles par exemple être en oxyde d'indium et d'étain (ITO) soit posséder un état de surface avec un grand nombre d'aspérités 1 1 calibrées qui viennent s'imprimer dans les plots 4. Ces conducteurs à aspérités il peuvent être obtenus par placage de matériaux tels que l'or, le palladium. Ces aspérités 11 sont visibles sur la figure la , elles ne sont pas à l'échelle dans un souci de clarté. II est préférable en vue d'améliorer la fiabilité de la connexion que les plots 4 du circuit intégré aient sensiblement la même hauteur. Les plots de certains circuits intégrés du commerce ont une tolérance de l'ordre du micromètre. Si nécessaire, une opération d'arasement mécanique des plots peut être entreprise. Les meilleures qualités de connexion sont obtenues en combinant plusieurs de ces techniques. Au lieu d'apposer le circuit intégré 1 seul à sa place sur le substrat 3 puis de placer l'élément de pressage 5, il est possible de le rendre solidaire de l'élément de pressage 5 et de mettre en place ensemble le circuit intégré 1 et l'élément de pressage 5 sur le substrat 3. La figure la illustre cette possibilité. La solidarisation 8 peut se faire par collage. Cette variante s'utilise de préférence avec un substrat 3 transparent car le positionnement de l'ensemble circuit intégré 1-élément de pressage 5 sur les conducteurs 2 est aisé et se fait visuellement au travers du substrat. En vue de protéger les zones de contact électrique entre le circuit intégré 1 à plots 4 protubérants et les conducteurs 2 du substrat 3, vis-à-vis de l'environnement ambiant, il est possible d'appliquer sur le substrat 3 une résine 6 liquide qui sera chassée localement des plots 4 lors de la mise en pression du circuit intégré 1 sur le substrat 3. Cette résine reste présente autour des plots 4 et en se solidifiant constitue une protection. Dans tous les cas, même lorsque de la résine de protection est appliquée le circuit intégré 1 peut être démonté et un nouveau remonté sans endommager le substrat 3 ni ses conducteurs 2. La résine peut être éliminée chimiquement et la colle 7 aussi. II ne faut pas oublier que la colle 7 est appliquée hors plots 4 et donc également hors conducteurs 2. Le procédé de connexion selon l'invention est aussi utilisable si le composant semiconducteur 1 comporte un boîtier 20. Les figures 2a, 2b, 2c illustrent divers exemples de composants semiconducteurs en boîtier 20 connectés par le procédé selon l'invention sur un substrat 3 équipé de conducteurs 2. Le boîtier 20 utilisé est de préférence du type à pattes 21 ou contacts rentrants sous le boîtier pour mieux supporter la pression appliquée par l'élément de pressage 5. On pourrait toutefois imaginer que les pattes 21 ne soient pas rentrantes mais s'étendent au-delà du boîtier 20, si l'ensemble pattes/boîtier est suffisamment rigide et supporte la pression. Sur la figure 2a, un conducteur 22, par exemple de type Zebra, contribue à réaliser le contact électrique entre les pattes 21 du boîtier 20 et les conducteurs 2 du substrat 3. Il est inséré entre les pattes 21 et les conducteurs 2 du substrat 3. Les pattes 21 sont rabattues contre le boîtier 20. Un conducteur 22 de type Zebra comporte sur un support 30 en forme de boudin en mousse isolante, une succession de conducteurs 31 isolés électriquement les uns des autres qui ceinturent partiellement le support 30. Un tel conducteur est représenté sur la figure 3. Au lieu d'utiliser un conducteur 22 de type Zebra entre les pattes 21 du boîtier 20 et les conducteurs 2 du substrat 3, il est possible de réaliser un contact direct entre les pattes 25 du boîtier 20 et les conducteurs 2 du substrat 3 et d'insérer un élément compressible 26 par exemple en caoutchouc entre les pattes 25 et le boîtier 20. Dans cette variante, représentée à la figure 2b, les pattes 25 du boîtier sont rabattues sous le boîtier 20 et délimitent un espace dans lequel est placé l'élément compressible 26. II est préférable également dans ces deux variantes d'appliquer de la résine de protection sur les conducteurs 2 du substrat 3 avant d'apposer le composant semiconducteur encapsulé, cette résine étant chassée hors des zones de contact lors de la mise en pression du boîtier 20. La mise en place du composant semiconducteur peut être réalisée comme il a été décrit aux figures 1. Un autre avantage apporté par ce procédé par rapport à l'art antérieur est que la connexion se fait à température ambiante sans chauffage ni du composant semiconducteur ni du substrat. C'est très appréciable dans le cas d'un substrat fragile en verre par exemple une dalle de panneau de visualisation. Les procédés de connexion par soudage ou collage utilisent la chaleur, au moins 1800 C, et les substrats de verre risquent de se fragiliser par l'apport de tensions internes pouvant créer des fissures au cours de la vie du produit. Un élément de pressage approprié peut être employé de manière à améliorer la dissipation thermique du composant semiconducteur. La figure 4 illustre cette configuration. L'élément de pressage 40 comporte une partie 41 assurant un contact thermique surfacique de préférence aussi grand que possible avec le composant semiconducteur 20. Cette partie 41 peut éventuellement, pour encore une plus grande dissipation thermique, être solidaire d'un ou plusieurs éléments 42 de type radiateur. Ces éléments 42 sont représentés sous forme d'ailettes transversales par rapport à la partie 41 assurant le contact thermique surfacique. REVENDICATIONS 1. Procédé de connexion d'un composant semiconducteur (1) muni de contacts (4) sur un substrat (3) équipé de conducteurs (2), caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en contact électrique les contacts (4) du composant semiconducteur (1) avec les conducteurs (2) et à maintenir le contact électrique à l'aide d'un élément de pressage (5) qui appuie d'un côté sur le substrat (3) et de l'autre sur le composant semiconducteur (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à coller à sa place le composant semiconducteur (1) au substrat (3) en évitant les contacts (4) et les conducteurs (2) puis à mettre l'élément de pressage (5). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à solidariser le composant semiconducteur (1) et l'élément de pressage (5) et à les mettre en place ensemble. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer une résine de protection sur le substrat (3), cette résine étant chassée des contacts (4) après la mise en place de l'élément de pressage (5). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les contacts (4) et/ou les conducteurs (2) sont ductiles. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les conducteurs comportent des aspérités (11) calibrées. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de pressage (40) comporte une partie (41) assurant un contact thermique surfacique avec le composant semiconducteur (20). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que un ou plusieurs éléments (42) de type radiateur sont solidaires de la partie (41) assurant le contact thermique surfacique. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le composant semiconducteur est nu. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les contacts (4) et les conducteurs (2) sont en contact mécanique direct. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le composant semiconducteur est encapsulé dans un boîtier (20). 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le composant semiconducteur comporte des contacts (21) rentrants. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'un conducteur (22) de type Zebra est inséré entre les contacts (21) et les conducteurs (2) du substrat (3). 14. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'un élément compressible (26) est inséré entre les contacts (25) et le boîtier (20), les contacts (25) étant en contact direct avec les conducteurs (2) du substrat (3). 15. Dispositif de connexion d'un composant semiconducteur (1) muni de contacts (4) sur un substrat (3) équipé de conducteurs (2), caractérisé en ce qu'il comporte un élément de pressage (5) qui appuie d'un côté sur le substrat (3) et de l'autre sur le composant semiconducteur (1) pour maintenir en contact électrique les contacts (4) et les conducteurs (2). 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le composant semiconducteur (1) est collé au substrat (3) la colle étant hors des contacts (4) et des conducteurs (2). 17. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'élément de pressage (5) est solidaire du composant semiconducteur (1). 1 8. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que les contacts (4) sont protégés par de la résine. 19. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 18, caractérisé en ce que les contacts (4) et/ou les conducteurs (2) sont ductiles. 20. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 19, caractérisé en ce que les conducteurs (2) comportent des aspérités (11) calibrées. 21. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 20, caractérisé en ce que l'élément de pressage (40) comporte une partie (41) assurant un contact thermique surfacique avec le composant semiconducteur (20). 22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs éléments (42) de type radiateur sont solidaires de la partie (41) assurant le contact thermique surfacique. 23. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 22, caractérisé en ce que le composant semiconducteur (1) est nu. 24. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 22, caractérisé en ce que le composant semiconducteur est encapsulé dans un boîtier (20). 25. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que le composant semiconducteur comporte des contacts rentrants (21). 26. Dispositif selon l'une des revendications 24 ou 25, caractérisé en ce qu'un conducteur (22) de type Zebra est inséré entre les contacts (21) et les conducteurs (2) du substrat (3). 27. Dispositif selon l'une des revendications 24 ou 25, caractérisé en ce qu'un élément compressible (26) est inséré entre les contacts (25) et le boîtier, les contacts (25) étant en contact direct avec les conducteurs (2) du substrat (3). 28. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 27, caractérisé en ce que le substrat (3) est une dalle de verre.