Brevet FR2782440A1 — publié le 20000218

STRUCTURE DE MONTAGE POUR CIRCUIT INTEGRE A GRANDE ECHELLE La présente invention concerne une structure de montage pour un LSI convenant à une utilisation pour le montage d'une puce dénudée de LSI (circuit intégré à grande échelle) sur une plaquette de circuit imprimé. De façon classique, une puce dénudée de LSI (circuit intégré à grande échelle) est montée sur un substrat ayant un coefficient de dilatation thermique relativement proche de celui de la puce, par exemple sur un substrat en céramique (son coefficient de dilatation thermique se situe dans la gamme de 7 à 9 ppm). Ces dernières années, toutefois, afin de réduire les coûts, on a établi la technologie consistant à monter une puce dénudée de LSI sur un substrat d'élaboration (" build up ") employant une plaquette de circuit imprimé. Toutefois, étant donné que les coefficients de dilatation thermique des plaquettes de circuit imprimé se situent dans la gamme d'environ 14 à environ 16 ppm, ce qui est plus élevé que ceux des substrats en céramique, et que les plaquettes de circuit imprimé sont plus souples que n'importe lequel des substrats en céramique, lorsqu'un LSI est connecté à une plaquette de circuit imprimé, la fiabilité de la connexion, renforcée par les essais de cycle de températures et analogues, ne peut pas être assurée en raison de l'apparition du gauchissement. De plus, dans le pire des cas, un LSI peut alors être endommagé dans certains cas. Par la suite, bien qu'il ait été adopté la technique consistant à remplir l'espace défini entre un LSI et une plaquette de circuit imprimé par une résine pour intégrer le LSI et la plaquette de circuit imprimé l'un à l'autre afin d'assurer la fiabilité de connexion, dans ce cas également, il existe de nombreuses limites en termes de matériaux de résine, de taille d'un LSI, et analogues. En particulier, lorsque la taille d'un LSI augmente, la différence de coefficient de dilatation thermique entre le LSI et la plaquette de circuit imprimé est importante, bien que le LSI et la plaquette de circuit imprimé soient intégrés l'un à l'autre par le remplissage de l'espace défini entre ceux-ci par une résine et, par conséquent, l'apparition du gauchissement dû à l'effet bimétallique ne peut pas être empêché. Lorsque le gauchissement se produit, il a une mauvaise influence sur la fiabilité de connexion du LSI et également, si le gauchissement a une influence sur la plaquette de circuit imprimé globale, alors celui-ci aura à son tour une mauvaise influence sur la fiabilité des autres composants. De plus, étant donné que la quantité calorifique augmente, lorsque la taille du LSI augmente, un puits de chaleur est nécessaire. Toutefois, étant donné que la plaquette de circuit imprimé est elle-même mince et ne présente pas une durabilité suffisante pour supporter le puits de chaleur qui est lourd pour la plaquette de circuit imprimé, il est impossible d'appliquer l'une de ces bonnes idées à la plaquette de circuit imprimé. Jusqu'à présent, bien que l'on connaisse le procédé de fixation d'un puits de chaleur en employant un raidisseur sur la surface arrière de la plaquette de circuit imprimé afin de fixer le puits de chaleur tel qu'un LGA (" faisceau de grille terrestre ") ou un BGA, il est impossible d'obtenir un effet suffisant. A la lecture de ce qui précède, la présente invention a été réalisée pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus associés à l'art antérieur, et un but de la présente invention est, par conséquent, de proposer une structure de montage pour un LSI qui est capable d'éliminer tous les inconvénients décrits ci- dessus afin d'améliorer la fiabilité de connexion entre un LSI et une plaquette de circuit imprimé et qui est capable de supporter un puits de chaleur sans aucune difficulté. Sous un aspect de l'invention, il est proposé une structure de montage pour un LSI qui comprend: un premier cadre pour y fixer la périphérie d'un LSI; un second cadre pour y fixer la périphérie d'une plaquette de circuit imprimé et pour y fixer le premier cadre sur lequel est fixé le LSI; et une soudure par le biais de laquelle le LSI et la plaquette de circuit imprimé sont connectés l'un à l'autre. Le premier cadre est de préférence muni de moyens de fixation pour fixer un puits de chaleur pour refroidir le LSI. La plaquette de circuit imprimé est de préférence un substrat d'élaboration mince. Le premier cadre est de préférence muni d'une pluralité de barres de maintien dont les extrémités sont fixées sur le second cadre. Les moyens de fixation sont de préférence constitués de vis. Les premier et second cadres sont, de préférence, chacun faits d'un métal dur. D'autres caractéristiques et buts apparaîtront à la lecture de la description suivante prise en conjonction avec les dessins annexés, dans lesquels: les figures 1A et lB sont respectivement une vue plane et une vue d'une face arrière d'un mode de réalisation d'une structure de montage pour un LSI selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale prise généralement le long de la ligne A-A' de la figure lA; et les figures 3A à 3E sont respectivement des vues avant de dessus représentant un procédé d'assemblage d'une structure de montage pour un LSI selon un mode de réalisation de la présente invention. Le mode de réalisation préféré de la présente invention va être décrit en détail dans la suite en référence aux dessins annexés. La figure 1A est une vue plane représentant un mode de réalisation d'une structure de montage pour un LSI selon la présente invention, et la figure lB est une vue d'une face arrière de la structure de montage pour un LSI de la présente invention. De plus, la figure 2 est une vue en coupe transversale prise généralement le long de la ligne A-A' de la figure 1A. Sur la figure 1, un LSI 3 a une taille extérieure de 20 mm[] par exemple, et ses plots d'entrée/sortie sont disposés sur une surface prédéterminée par exemple à des écartements d'environ 0,2 mm. Une plaquette de circuit imprimé 4 (appelée "PCB" en abrégé dans la suite, quand c'est possible), peut être toute plaquette de circuit imprimé tant qu'elle est telle que, pour monter une puce dénudée d'un LSI ayant des plots, qui sont disposés à des écartement de 0,2 mm, sous forme de puce retournée (" flip-chip ") les plots correspondants peuvent être formés à la surface de celle-ci. Dans le présent mode de réalisation, un substrat d'élaboration, sur lequel un dessin fin peut être réalisé, est employé. Le substrat d'élaboration est tel qu'une couche d'élaboration est formée sur chacun des deux côtés d'une plaquette de coeur et son épaisseur générale est d'environ 1,6 mm. De plus, la taille extérieure de la PCB 4 est, par exemple, de 100 mmE. Un raidisseur de PCB 1 en tant que second cadre pour maintenir la PCB 4 est obtenu par mise en oeuvre d'un métal dur, tel qu'un alliage inoxydable ou alliage 42 de façon à donner une taille extérieure de 1,6 mmO. Dans le présent mode de réalisation, la rainure extérieure pour y accommoder la PCB 4 ayant une taille extérieure de 100 mmE est obtenue par mise en oeuvre du raidisseur de PCB 1 de façon à y former une partie à échelon. Après avoir fixé la PCB 4 de façon à ce qu'elle soit placée dans le raidisseur de PCB 1 par l'intermédiaire de la partie à échelon, la périphérie extérieure de celle-ci est fixée avec des vis. De plus, alors qu'un trou de taille extérieure de 80 mmE est percé dans la partie inférieure du raidisseur 1 et que le raidisseur 1 a également globalement la forme d'un cadre, la partie de la face arrière d'un raidisseur de LSI 2, dont une partie sera décrite dans la suite, est mise en oeuvre pour intégrer le raidisseur de LSI 2 et le raidisseur de PCB 1 l'un à l'autre. Ce raidisseur de PCB 1 a une épaisseur de 10 mm sur une partie épaisse et a une épaisseur de 5 mm sur une partie mince. Le raidisseur de LSI 2, en tant que premier cadre pour supporter le LSI 3, est fait d'un métal dur d'une manière similaire au cas du raidisseur de PCB 1. Dans le présent mode de réalisation, le raidisseur de LSI 2 est fait de telle manière que, par exemple, un élément en tige qui a une largeur de 10 mm et une épaisseur de 10 mm est mis en oeuvre de façon à avoir une taille de mmE suffisante pour entourer la périphérie du LSI 3 afin d'avoir la forme selon laquelle quatre barres de support 2A s'étendent vers l'extérieur du cadre. Dans chacune des parties de croisement des barres de support 2 qui sont situées de façon à entourer la périphérie du LSI, un trou effilé 7 d'un diamètre de 4 mm est formé à travers chacune d'entre elles. De plus, à chacune des extrémités distales des barres de support 2, un trou effilé 8 d'un diamètre de 4 mm est formé de façon à permettre la fixation de la barre de support associée 2 au raidisseur de PCB 1. Ensuite, un procédé d'assemblage d'une structure de montage pour un LSI selon le présent mode de réalisation va être décrit en détail dans la suite en référence aux figures 2 et 3. Dans le cas o la puce dénudée du LSI 3 est montée sur la PCB 4 sous forme de puce retournée, lors de la connexion avec une soudure eutectique, à la fois le LSI 3 et la PCB 4 doivent être chauffés à environ 180 C, en tant que point eutectique de la soudure. A ce stade, le coefficient de dilatation thermique de la PCB 4 faite d'une matière organique est si élevé qu'il est dans la gamme de 15 à 17 ppm, alors que le coefficient de dilatation thermique du silicium en tant que matériau pour le LSI 3 est si faible qu'il est de 3 ppm et, par conséquent, on comprendra que la différence de coefficient de dilatation thermique entre le LSI 3 et la PCB 4 est extrêmement importante. En particulier, lorsque la taille extérieure du LSI 3 est grande, cette différence est notable. Dans le cas du présent mode de réalisation, étant donné que la taille extérieure du LSI 3 est de 20 mm, la diagonale ayant la longueur maximale est d'environ 28 mm et, par conséquent, la différence de coefficient de dilatation thermique apparaît notablement entre le silicium et la PCB 4 dans cette zone. Si la température passe de 20 C, la température ambiante, à 180 C, le point eutectique, alors sur une longueur de 28 mm, la plaquette de circuit imprimé se dilatera de 67 pm, et le silicium se dilatera de 13 gm. Par conséquent, la PCB 4 et le silicium sont reliés l'un à l'autre par une soudure, la PCB 4 et le silicium s'étant allongés respectivement de 67 pn et de 13 pm. Si la température à la fois du LSI 3 et de la PCB 4 passe librement d'une température de 180 C à la température ambiante, à la fois la PCB 4 et le silicium sont gauchis du côté de la PCB 4 présentant le rétrécissement plus élevé en raison de l'effet bimétallique, étant donné que les connexions entre ceux-ci sont fixes. Dans cet état, il est difficile d'assurer la fiabilité des connexions et, de plus, un gauchissement important apparaît dans le LSI qui est endommagé. Alors, premièrement, la PCB 4 est fixée dans le raidisseur de PCB 1 et ensuite la périphérie extérieure est fixée environ en quatre points avec des vis. A ce stade, les plots pour la connexion du LSI de la PCB 4 sont munis d'un pré-étammage 10 (se référer à la figure 3A). En ce qui concerne le procédé d'application du pré-étammage, il existe divers procédés tels que le placage ainsi que l'impression et la fusion. Ensuite, les parties de plots, sur lesquelles les composants autres que le LSI doivent être montés, de la PCB 4 ainsi fixée sont munies d'une soudure 11 par la technique de sérigraphie. Ensuite, seul le LSI 3 qui doit être monté sous forme d'une puce dénudée est monté sur les plots de connexion du LSI, permettant ainsi une fixation temporaire (se référer à la figure 3B). Après la fixation temporaire, le raidisseur de LSI 2 est placé sur la plaquette, puis il est fixé fermement à sa périphérie extérieure au raidisseur de PCB 1 avec des vis 9 (se référer à la figure 2), afin d'intégrer fermement le raidisseur de PCB 1 et le raidisseur de LSI 2 (se référer à la figure 3C). De cette manière, en fixant le raidisseur de PCB 1 au raidisseur de LSI 2, il est possible d'empêcher la déformation, le gauchissement et les ondulations de la PCB globale 4, ou d'une partie de la PCB 4 en raison de la connexion avec le LSI 3, provoqués par le changement de température entraîné par la fusion, le refroidissement et analogues ultérieurs. Après la fixation, la fusion est réalisée pour l'ensemble de la PCB ou uniquement le LSI 3, pour relier le LSI 3 à la PCB 4. A la fin de la fusion, lorsque le fondant (" flux ") est contenu dans la soudure, un nettoyage est réalisé, alors que dans le cas de la soudure propre ou soudure sans fondant, aucun nettoyage n'est réalisé. Après la confirmation de la connexion, l'espace défini entre le LSI et la PCB est fermé hermétiquement avec une résine et, dans cet état, les composants 12 autres que le LSI sont montés sur les plots, puis la fusion et le nettoyage sont réalisés de nouveau (se référer à la figure 3D). Finalement, après que la face supérieure du LSI soit recouverte d'un caoutchouc radiant 6, un puits de chaleur 5 est placé dessus, puis les coins du puits de chaleur 5 sont fixés sur une partie du raidisseur de LSI 2 avec des vis 13 (se référer à la figure 2 et à la figure 3E). A ce stade, les vis 13 traversent la PCB 4 de façon à fixer au raidisseur de LSI 2 sur la face arrière. Lorsqu'on ne peut pas percer de trou de passage dans la PCB 4, le puits de chaleur 5 peut aussi être fixé uniquement au raidisseur en surface. Comme le montrent la figure 2 et la figure 3E, étant donné que le puits de chaleur 5 est supporté par le raidisseur de LSI 2 ferme qui est fixé au raidisseur de PCB 1, même lorsque la quantité calorifique du LSI 3 est élevée et, par conséquent, un grand puits de chaleur doit être employé, le poids du puits de chaleur ne pose absolument aucun problème. De plus, étant donné que le LSI 3 et la PCB 4 sont fixés à la fois au raidisseur de LSI 2 et au raidisseur de PCB 1, aucun gauchissement ne se produit ni au niveau du LSI 3 ni au niveau de la PCB 4. Comme décrit ci-dessus, la caractéristique de la présente invention est que, lorsque le LSI 3 possédant une grande taille extérieure (environ 20 mm[ ou plus) est monté sur la PCB 4 (son épaisseur est dans la gamme d'environ 1 à environ 2 mm) formée d'un substrat d'élaboration ou analogue, sous forme de puce retournée, le gauchissement de la PCB globale est empêché de façon à maintenir l'espace défini entre le LSI et la PCB fixe, afin d'améliorer la fiabilité de connexion de la soudure réalisée entre le LSI et la PCB et, en même temps, le puits de chaleur pour le refroidissement du LSI est fixé et le déséquilibre dû au montage du puits de chaleur lourd sur la plaquette mince est corrigé par le cadre à la périphérie extérieure. Ceci provient du fait qu'étant donné qu'à la fois le raidisseur de PCB 1 et le raidisseur de LSI 2 sont prévus pour être fixés l'un à l'autre par des vis, éliminant ainsi le gauchissement et maintenant l'espace défini entre le LSI et la PCB fixe, et également le puits de chaleur 5 peut être fixé au raidisseur de LSI 2, même un puits de chaleur lourd 5 peut être supporté par le raidisseur de PCB 1. A cet égard, également dans le cas o deux LSI dénudés ou plus sont montés sur la PCB, en fournissant les cadres des raidisseurs de LSI en nombre égal au nombre de LSI, il est possible d'éliminer le gauchissement de la partie des LSI dû au montage des puces dénudées. De plus, la partie de face arrière du raidisseur de LSI peut avoir une forme qui est supportée par la face. Comme indiqué ci-dessus, selon la présente invention, un cadre sur lequel un LSI est fixé est fixé sur un cadre auquel est fixée une PCB pour intégrer les deux cadres l'un à l'autre, ce qui permet d'empêcher le gauchissement dû à la différence de coefficient de dilatation thermique entre le LSI et la PCB, et la fiabilité de connexion de la soudure peut être améliorée et, de plus, toute influence exercée sur les autres composants peut être éliminée. De plus, les moyens de fixation, tels que les vis pour le puits de chaleur, sont prévus dans le cadre sur lequel le LSI doit être fixé, et de ce fait, même dans le cas d'une PCB mince, le puits de chaleur peut être monté sur celle-ci sans aucune difficulté. l1 De plus, une pluralité de barres de maintien sont prévues dans le cadre sur lequel le LSI doit être fixé et les extrémités distales de celles-ci sont fixées à l'autre cadre, et les deux cadres peuvent de ce fait être fermement fixés de façon à être intégrés l'un à l'autre. Bien que la présente invention ait été présentée et décrite en particulier en référence au mode de réalisation préféré, on comprendra que divers changements et diverses modifications apparaîtront à l'homme du métier sans sortir ni cadre ni de l'esprit réel de l'invention. La portée de l'invention est, par conséquent, à déterminer uniquement par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Structure de montage pour un circuit intégré à grande échelle ou LSI (3), caractérisée en ce qu'elle comprend: un premier cadre pour y fixer la périphérie dudit LSI (3); un second cadre pour y fixer la périphérie d'une plaquette de circuit imprimé (4) et pour y fixer ledit premier cadre sur lequel ledit LSI (3) est fixé; et une soudure par l'intermédiaire de laquelle ledit LSI (3) et ladite plaquette de circuit imprimé (4) sont reliés l'un à l'autre. 2. Structure de montage selon la revendication 1, dans laquelle ledit premier cadre est muni de moyens de fixation pour fixer un puits de chaleur (5) pour refroidir ledit LSI (3). 3. Structure de montage selon la revendication 1, dans laquelle ladite plaquette de circuit imprimé (4) est un substrat rapporté mince. 4. Structure de montage selon la revendication 1, dans laquelle ledit premier cadre est muni d'une pluralité de barres de maintien dont les extrémités distales sont fixées audit second cadre. 5. Structure de montage selon la revendication 2, dans laquelle lesdits moyens de fixation comprennent des vis (13). 6. Structure de montage selon la revendication 1, dans laquelle lesdits premier et second cadres comprennent un métal dur.