Brevet FR2787920A1 — publié le 20000630

La présente invention concerne un procédé d'assemblage par bra- sage d'une puce à un élément de circuit, du type dans lequel un matériau de brasage est interposé pour former une interface de liaison entre la puce et l'élément de circuit puis le matériau de brasage est chauffé à une tempéra- ture de brasage assurant la liaison entre la puce et l'élément de circuit. Ce procédé est particulièrement adapté pour la liaison de puces pos- sédant des plots de connexion en matériau de brasage. Celles-ci sont cou- ramment désignées par le néologisme puce bumpée, ce terme dérivant de l'expression anglaise "bumped chip". De telles puces sont encore parfois appelées puces à bosses. Il est connu de fabriquer des circuits électriques de puissance en soli- darisant par brasage une telle puce électronique suivant deux de ses faces opposées. L'une des faces est solidarisée par brasage sur l'essentiel de sa surface à un substrat constituant un radiateur de dissipation thermique. Un ou plusieurs conducteurs électriques sont brasés sur les plots de connexion présents sur l'autre face. L'assemblage de la puce avec les différents éléments du circuit s'effectue couramment en deux étapes. Une première étape consiste à bra- ser la puce sur le radiateur. Cette opération est effectuée à une température de 300 C, une pression étant exercée entre la puce et la radiateur suivant une direction perpendiculaire à l'interface de liaison. Lors d'une étape ultérieure, les conducteurs sont reliés au circuit électronique gravé dans le silicium de la puce, par l'intermédiaire des plots de connexion en matériau de brasage. Cette liaison électrique et mécanique s'effectue couramment à une température de 180 C. Lors du brasage, une pression est exercée entre les conducteurs et l'ensemble formé de la puce et du radiateur. Pour la fabrication d'un tel circuit, les différents éléments devant être brasés sont d'abord empilés puis conduits dans un four de brasage, o la pression nécessaire au brasage est appliquée. Avant la liaison par brasage des éléments, il convient de garantir le maintien des éléments les uns par rapport aux autres. Ce maintien est assu- ré par un outillage spécifique constitué de drageoirs. Cet outillage est éga- lement adapté pour maîtriser la hauteur des interfaces de brasage lors de l'application de la pression. Le procédé d'assemblage mis en oeuvre est donc relativement com- plexe et incommode, du fait de l'emploi d'un outillage spécifique afin d'assurer le maintien temporaire des éléments avant leur liaison par brasage. L'invention a pour but de fournir un procédé d'assemblage plus sim- ple à mettre en oeuvre, permettant toutefois un positionnement fiable et pré- cis des éléments les uns par rapport aux autres. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé d'assemblage par bra- sage d'une puce à un élément de circuit, du type précité, caractérisé en ce que, avant l'étape de chauffage dudit matériau de brasage, au moins une cale fixe est ménagée à la surface de l'élément de circuit, sensiblement au contact de la puce pour maintenir la puce par rapport à l'élément de circuit suivant une direction sensiblement parallèle à l'interface de liaison. Suivant des modes particuliers de mise en ceuvre du procédé, celui-ci comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - lors de l'étape de chauffage, la puce et l'élément de circuit sont pressés l'un contre l'autre suivant une direction sensiblement perpendicu- laire à ladite interface; - la ou chaque cale est disposée sur le pourtour de la puce et est sensiblement au contact d'une paroi latérale de la puce; - la hauteur de la ou chaque cale est comprise entre le quart et les trois-quarts de la hauteur totale de la puce et du matériau de brasage cons- tituant l'interface de liaison; - ladite puce comporte, dans le plan de l'interface de liaison, au moins deux parties en saillie disjointes, et au moins une cale solidaire de l'élément de circuit est reçue dans l'intervalle délimité par les deux parties en saillie en étant sensiblement en contact avec celles-ci; - lesdites parties en saillie de la puce forment des plots de connexion réalisés dans un matériau de brasage, et l'élément de circuit portant au moins une cale est un conducteur destiné à être brasé à au moins un plot de connexion; - la hauteur de la ou chaque cale mesurée suivant une direction per- pendiculaire à l'interface de liaison est supérieure à 70 %, et notamment su- périeure à 80 % de la hauteur correspondante des plots de connexion; - la ou chaque cale est formée d'une butée isolante rapportée sur l'élément de circuit; - la ou chaque cale est constituée de verre ou de polymère; et - la puce est liée par brasage, simultanément suivant des faces oppo- sées, à au moins deux éléments de circuit, lors d'une même phase de chauffage des matériaux de brasage correspondant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux des- sins, sur lesquels: La figure 1 est une vue partielle en perspective d'un circuit réalisé par un procédé selon l'invention; et Les figures 2A, 2B et 2C sont des vues partielles en perspective du circuit de la figure 1 à des stades successifs de sa fabrication. Le circuit 10, représenté partiellement sur la figure 1, forme des moyens de commutation d'un onduleur. Il comporte un support 12 formant un radiateur adapté pour la dissipation de la chaleur engendrée lors du fonctionnement du circuit. Sur l'une de ses faces, le radiateur 12 réalisé en AIN présente des pistes conductrices 14, 16, 18, en cuivre nickelé. Cette face présente en ou- tre une plage recouverte également en cuivre nickelé et constituant un substrat 20. Ce substrat 20 est destiné à supporter deux puces électroni- ques 22, 24 solidarisées par brasage suivant leurs faces inférieures. Les puces 22 et 24 sont, respectivement, un transistor de type IGBT et un réseau de diodes. Ces deux puces sont disposées côte à côte sur la surface du substrat 20. Elles sont reliées électriquement et mécaniquement l'une à l'autre ainsi qu'à la piste conductrice 14 par deux conducteurs rigides 26, 28. En outre, un troisième conducteur rigide 30 assure la liaison électri- que et mécanique de la grille de la puce 22 à la piste conductrice 18. Les conducteurs rigides 26, 28 et 30 sont connectés par brasage à des plots de connexion désignés par la référence générale 31. Ceux-ci font saillie à la surface supérieure des puces 22, 24 qui est opposée au substrat 20. Dans l'exemple considéré, une résistance 32 assure la connexion entre les pistes 16 et 18. Dans le circuit représenté sur la figure 1, les puces 22 et 24 sont assemblées respectivement avec le substrat 20 et les conducteurs 26, 28 et 30 par un procédé de brasage selon l'invention. Afin d'assurer, avant l'opération de liaison par brasage, un maintien temporaire des puces 22, 24 posées sur le substrat 20, des cales isolantes permanentes 40 sont solidarisées au substrat 20 sur le pourtour des puces 22, 24 au contact de celles-ci. De manière analogue, des cales fixes perma- nentes 50 sont prévues sur les conducteurs 26 à 30 pour venir au contact des plots de connexion 31 faisant saillie sur la face supérieure des puces. Les cales 50 assurent un maintien des conducteurs reposant sur les plots de connexion. Les figures 2A à 2C décrivent les étapes successives d'assemblage des puces 22 et 24 aux différents éléments du circuit 10. La première étape, illustrée sur la figure 2A, consiste à positionner les deux puces 22, 24 sur le radiateur préfabriqué 12 portant déjà les pistes 14, 16, 18 et le substrat 20. Les puces 22, 24 sont formées par des blocs de silicium dans les- quels sont gravés les circuits électroniques correspondants. Ces circuits sont accessibles par les plots de connexion 31 ménagés en saillie sur la surface supérieure. Ces plots sont chacun formés par une bille de matériau de brasage constituée avantageusement d'un alliage de plomb-étain-argent. A l'emplacement des puces 22 et 24, sur le substrat 20, sont disposés des feuillards 62 adaptés pour le brasage des puces. Les feuillards 62 sont constitués d'un alliage de plomb-étain-argent et ont une épaisseur comprise entre 100 et 150 microns. Chaque feuillard 62 a la forme et la surface de la face inférieure de la puce pour laquelle il assure le brasage. Comme représenté sur la figure 2B, chaque puce est ensuite mise en place sur le substrat 20, au-dessus du feuillard 62 qui se trouve alors inter- posé entre le substrat 20 et la puce correspondante. Le feuillard 62 forme après fusion une interface de liaison parallèle au plan de radiateur 12. Afin d'assurer le. maintien en position des puces dans le plan de l'interface de liaison, les cales 40 sont mises en place sur le pourtour des puces en contact avec celles-ci. Ces cales 40 sont sensiblement ponctuelles et sont indépendantes les unes des autres. Elles sont solidarisées au subs- trat 20. Dans le cas d'une puce ayant une base polygonale, une cale est pré- vue en contact avec le milieu de chaque face latérale de la puce. Dans I'exemple considéré, chaque puce 22, 24 est à base rectangulaire. Elles sont chacune retenues par quatre cales s'appliquant chacune sensiblement au centre de chaque face. Une cale unique, commune aux deux puces 22, 24, est prévue entre celles-ci. La hauteur des cales est avantageusement comprise entre le tiers et les trois-quarts de la hauteur totale de la puce et du feuillard de brasage. De préférence, la hauteur des cales est égale à la moitié de la hauteur totale de la puce et du feuillard. Suivant un premier mode de mise en oeuvre du procédé, chaque cale est formée d'un matériau polymère tel qu'un époxy chargé d'alumine. Ce polymère a avantageusement une température de polymérisation inférieure à 300 C et est adapté pour tenir à une température supérieure à 300 C. Sa résistance à la charge est de l'ordre de 10 g/cm2 à la température de 3000C. Avantageusement, la viscosité du polymère est importante et notam- ment supérieure à 50.000 cps. La diminution du volume ou retrait, résultant de la polymérisation des monomères, est avantageusement identique pour chaque cale. Suivant encore une autre variante, les cales sont constituées de billes de verre collées sur le substrat 20 par une colle à base de polyimide. Comme illustré sur la figure 2C, les connecteurs 26, 28 et 30, préala- blement équipés des cales 50, sont ensuite mis en position au-dessus des puces 22, 24 et des pistes 14 et 18. Les cales 50, de constitution analogue aux cales 40, sont adaptées pour être reçues entre deux plots de connexion adjacents 31 portés par la surface supérieure des puces. La largeur des cales est très sensiblement inférieure à la distance séparant deux plots de connexion adjacents. Après mise en place des conducteurs en appui sur les plots 31, les cales 50 sont ainsi sensiblement en contact avec les deux plots voisins. Les cales assurent alors un positionnement des connecteurs par rapport aux puces suivant leur plan de liaison. Avantageusement, la hauteur des cales 50 est comprise entre 70 % et 90 % de la hauteur des plots de connexion. Dans l'exemple considéré, les plots de connexion 31 ont une hauteur de 1 mm et les cales ont une hauteur de 800 pm, soit 80 % de la hauteur des plots de connexion. Après mise en place des connecteurs, I'empilement ainsi formé est transporté, notamment par un convoyeur, jusqu'à un four de brasage. Lors du transport, le circuit est maintenu à plat et les différents éléments le cons- tituant sont maintenus en position les uns par rapport aux autres par l'action des cales 40 coopérant avec la périphérie des puces et des cales 50 coopé- rant avec les plots de connexion 31. Une fois dans le four de brasage, la température des feuillards 62 et des plots de connexion 31 est amenée à une valeur suffisante pour provo- quer la fusion du matériau de brasage. Cette température est par exemple de 300 C. Afin de garantir une brasure satisfaisante, une pression est appli- quée perpendiculairement au plan principal du circuit lors de la fusion du matériau de brasage. Après refroidissement, le matériau de brasage assure la liaison des puces 22, 24, d'une part, avec le substrat 20 et, d'autre part, avec les connecteurs 26 à 30. Pendant le brasage, la hauteur des cales 50 limite l'écrasement des plots de connexion 31, lors de la mise sous pression des conducteurs 26 à 30. Le maintien des différents éléments du circuit assuré par les cales 40 et 50, permet le transport de l'empilement sans qu'il soit nécessaire de re- courir à un outillage spécifique. De plus, la simplicité des moyens de calage utilisés rend possible la solidarisation des deux faces de la puce lors d'une même étape, ce qui in- duit une réduction du coût de fabrication du circuit. De plus, le brasage si- multané des deux faces de la puce améliore la structure métallurgique des brasures, dont aucune n'a à subir deux phases de chauffage successives. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'assemblage par brasage d'une puce électronique (22, 24) à un élément de circuit (20, 26, 28, 30), du type dans lequel un matériau de brasage est interposé pour former une interface de liaison entre la puce (22, 24) et l'élément de circuit (20, 26, 28, 30) puis le matériau de brasage est chauffé à une température de brasage assurant la liaison entre la puce et l'élément de circuit (20, 26, 28, 30), caractérisé en ce que, avant l'étape de chauffage dudit matériau de brasage, au moins une cale fixe (40, 50) est ménagée à la surface de l'élément de circuit (20, 26, 28, 30), sensiblement au contact de la puce pour maintenir ta puce par rapport à l'élément de cir- cuit suivant une direction sensiblement parallèle à l'interface de liaison. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de l'étape de chauffage, la puce (22, 24) et l'élément de circuit (20, 26, 28) sont pressés l'un contre l'autre suivant une direction sensiblement perpendicu- laire à ladite interface (31, 62), 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la ou chaque cale (40) est disposée sur le pourtour de la puce (22, 24) et est sen- siblement au contact d'une paroi latérale de la puce. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la hauteur de la ou chaque cale (40) est comprise entre le quart et les trois- quarts de la hauteur totale de la puce (22, 24) et du matériau de brasage (62) consti- tuant l'interface de liaison. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite pucEt.(22, 24) comporte, dans le plan de I'interface de liaison, au moins deux parties en saillie (31) disjointes, et en ce qu'au moins une cale (50) solidaire de l'élément de circuit (26, 28, 30) est reçue dans l'intervalle délimité par les deux parties en saillie (31) en étant sensiblement en contact avec celles-ci. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites parties en saillie de la puce (22, 24) forment des plots de connexion (31) réalisés dans un matériau de brasage, et en ce que l'élément de circuit por- tant au moins une cale (50) est un conducteur (26, 28, 30) destiné à être brasé à au moins un plot de connexion (31). 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la hauteur de la ou chaque cale (50) mesurée suivant une direction perpendiculaire à l'interface de liaison est supérieure à 70 %, et notamment supérieure à 80 % de la hauteur correspondante des plots de connexion. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou chaque cale (40, 50) est formée d'une butée isolante rapportée sur l'élément de circuit (20, 26, 28, 30). 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la ou cha- que cale est constituée de verre ou de polymère. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puce (22, 24) est liée par brasage, simultanément suivant des faces opposées, à au moins deux éléments de circuit (20, 26, 28, 30), lors d'une même phase de chauffage des matériaux de brasage cor- respondant.