Brevet FR2793606A1 — publié le 20001117

Boîtier PBGA à grille de billage intégrée La présente invention se rapporte au domaine de la connectique des boîtiers BGA, abréviations anglo-saxonnes pour "Ball Grid Array", sur des cartes électroniques et concerne plus particulièrement les boîtiers PBGA, abréviations anglo-saxonnes pour "Plastic BGA". Les boîtiers standards de type PBGA à cavité, appelée "cavity down" en terminologie anglo-saxonne, comportent une cavité dans laquelle est logé un circuit intégré, appelé également "puce" ou "chip" en terminologie anglo- saxonne. Dans ce type de boîtier, les zones de connexion de la puce sur le boîtier et les zones de connexion d'un réseau de billes de soudure sur le boîtier sont disposées sur un même niveau du boîtier correspondant généralement à la face inférieure du boîtier, c'est-à-dire la face qui se trouve en regard de la carte de circuit imprimé quand le boîtier est assemblé sur la carte. Le réseau de billes relie électriquement et mécaniquement la puce à la carte de circuit imprimé. Pour protéger mécaniquement et vis-à-vis de l'environnement, la face active de la puce, constituée d'une couche semi-conductrice, et les connexions, par exemple des fils de bonding, on utilise un matériau d'encapsulation, par exemple une résine thermodurcissable et électriquement neutre, qui enrobe l'extérieur de la puce et ses connexions. Un tel procédé est notamment décrit dans le brevet américain US5397921A. Ce procédé appliqué au type de boîtier BGA tel que décrit ci-dessus a pour inconvénient que la hauteur des fils ainsi enrobés par la résine doit être compatible avec la hauteur des billes qui est typiquement de l'ordre de 0,6 mm pour un pas entre les billes de l'ordre de 1,27 mm. Ceci impose quasi exclusivement l'emploi de la technique "Or", dite "bail bonding" en terminologie anglo-saxonne, et le boîtier doit alors comporter une métallisation "Or électrolytique" nécessitant l'emploi de "nourrices" qui après métallisation laisse subsister des bouts de fils qui sont autant d'antennes pour les hautes fréquences et notamment pour les signaux d'horloge. Outre la maîtrise des boucles de câblage des fils, il faut également maîtriser la hauteur de l'enrobage pour recouvrir complètement les fils. En général, un cordon de colle très visqueuse est déposé autour des zones de connexions des fils sur le boîtier afin de servir de mur d'arrêt à la résine d'enrobage qui elle au contraire est par nature très fluide afin d'enrober correctement les fils et la puce. Ce mur permet également d'éviter un débordement de la résine d'enrobage sur les zones de connexion des billes sur le boîtier. Un autre type d'inconvénient concerne le phénomène d'affaissement des billes lors de l'assemblage du boîtier sur la carte de circuit imprimé. Ce phénomène est également connu sous la terminologie anglo-saxonne "collapse". En effet, lors de l'assemblage, les forces de tension superficielle de l'alliage constituant les billes, typiquement de l'Etain-Plomb refondu, entraîne un affaissement des billes sur la carte. Ainsi, une bille ayant typiquement une hauteur de 0,6 mm pour un pas de 1,27 mm et un diamètre initial avant assemblage de 0,76 mm verra sa hauteur décroître de 0,2 mm environ. Ce phénomène est amplifié notamment quant un dissipateur thermique intégré recouvre toute la surface supérieure du boîtier; les conséquences pouvant être alors de court-circuiter les billes entre elles. L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet, I'invention a pour objet un boîtier pour circuit intégré, du type comportant une cavité dans laquelle est fixé le circuit intégré, la face active du circuit intégré étant connectée électriquement au boîtier au niveau de connexion d'un réseau de billes sur le boîtier assurant une liaison mécanique et électrique entre le circuit intégré et une carte de circuit imprimé sur laquelle doit être assemblé le boîtier. Le boîtier est caractérisé en ce qu'il comporte une couche supplémentaire, rigide et électriquement neutre, rapportée sur le niveau de connexion du circuit intégré et des billes, et contenant les billes. L'invention a notamment pour avantage de rendre à la fois plus facile le montage des billes sur le boîtier, appelé également "billage" du boîtier, et d'assurer la protection des connexions et de la puce. Elle permet de plus, de garantir un éloignement prédéfini du boîtier par rapport à la carte, jouant ainsi un rôle d'entretoise entre le boîtier et la carte. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit faite en référence aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue de dessous d'un boîtier PBGA équipée d'un réseau de io billes; - la figure 2, une vue en coupe partielle transversale du boîtier illustré à la figure 1; et - la figure 3, une vue en coupe partielle transversale d'un boîtier selon l'invention. Sur ces figures les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références et l'échelle des dessins n'est pas respectée. D'autre part, la carte de circuit imprimé sur laquelle est assemblée le boîtier n'est pas représentée. Les méthodes de montage des billes sur le boîtier PBGA, de montage de la puce sur le boîtier, de connexion de la puce sur le boîtier ainsi que l'assemblage du boîtier sur la carte sont supposées connues et ne seront pas décrites. La figure 1 illustre la face inférieure d'un boîtier PBGA. La figure 2 illustre le boîtier de la figure 1 en coupe partielle suivant l'axe de coupe AA de la figure 1. De façon classique, un boîtier PBGA "cavity down" est constitué d'un support rigide 1 de forme générale parallélépipèdique en cuivre, comportant une cavité 2, généralement centrale, renfermant une puce 3 qui est fixée sur le fond 4 de la cavité 2 par l'intermédiaire d'une colle 5 thermiquement conductrice. Le support 1 supporte en outre un substrat diélectrique 6, généralement flexible, disposé à la périphérie de la cavité 2 et donc de la puce 3. Le substrat 6 supporte, sur une de ses faces, des pistes conductrices 7i disposées suivant un design déterminé comportant les zones de connexion des fils de bonding et des billes. Il supporte sur son autre face, un plan conducteur 8 qui est fixé sur le support 1 par exemple en utilisant la même colle 9 que celle fixant la puce 3 sur le fond 4 de la cavité 2. La face active 10 de la puce 3, opposée au fond 4 de la cavité 2, est reliée électriquement aux pistes 7i par l'intermédiaires de connexions 11i, ici des fils de connexion appelés également fils de "bonding". o Les pistes conductrices 7i s'étendent à partir de la cavité 2 et radialement par rapport à la cavité 2 et se terminent respectivement par des plots conducteurs 12i disposés suivant un design déterminé, à la périphérie du boîtier, et tels qu'illustré à la figure 1. Les plots 12i sont destinés à recevoir respectivement des billes de soudure 13i telles que représentées aux figures 2 et 3. Ses billes 13i, formant un réseau de billes, assurent la liaison mécanique et électrique entre la puce 3 et la carte une fois l'assemblage du boîtier sur la carte effectué. Le câblage des fils 11i et des billes 13i sur le boîtier est réalisé sur un même niveau Nc correspondant au plan des pistes 7i et des plots conducteurs 12i. La figure 3 illustre schématiquement, également suivant une coupe partielle transversale suivant l'axe de coupe AA de la figure 1, un boîtier PBGA selon l'invention. Il comporte la même structure de base du boîtier illustré à la figure 2 et comporte en outre, à un niveau inférieur au niveau Nc de connexion des fils 11 i et des billes 13i sur le boîtier, une couche supplémentaire 14 contenant les billes 13i et qui s'étend entre les billes 13i tout en restant en retrait par rapport à la cavité 2 de manière à ne pas recouvrir la zone de connexion Zc des fils 11 i sur le bottier. La couche 14 a une rigidité mécanique déterminée et est électriquement neutre. Cette couche 14 définit une grille comportant une pluralité d'ouvertures 15i dans lesquelles les billes 13i sont respectivement logées. Les ouvertures sont choisies suffisamment larges pour contenir les billes 13i avec un léger jeu de l'ordre de 0,2 mm. La grille 14 peut être rapportée par collage sous forme de résine ou sous forme de préforme, au moment de l'assemblage du boîtier sur la carte, ou être intégré à la structure du boîtier lors de sa fabrication. Selon le mode de réalisation décrit, la grille 14 est rapportée par collage. Une couche de colle 16 est appliquée de telle manière qu'elle ne recouvre pas les plots de connexion 12i et qu'elle ne puisse pas pénétrer à l'intérieur des ouvertures 15i de la grille 14 en utilisant, par exemple, un écran de sérigraphie ou une préforme. Un matériau d'enrobage 17 comble l'espace laissé libre par la grille 14 et qui forme une deuxième cavité 18 plus large que la première cavité 2 contenant la puce 3. On comprend alors que la grille 14 joue le double rôle de grille de positionnement des billes 13i et d'obstacle pour le matériau d'enrobage 17 recouvrant la face active 10 de la puce 3 et ses fils de connexions 11i. Le pourtour intérieur de la grille 14, collé sur le niveau de connexion Nc, formant un mur d'arrêt entre les billes 13i et les fils 11 i. De plus, en fonction d'une épaisseur déterminée, cette couche supplémentaire ou grille 14 joue également le rôle d'entretoise dans le cas de boîtiers à poids par bille très élevé, typiquement au delà de 50 mg par bille. C'est notamment le cas des boîtiers ayant un dissipateur thermique intégré couvrant toute la surface du boîtier. Ce rôle d'entretoise permet de garantir un éloignement prédéfini du boîtier par rapport à la carte et évite un affaissement non contrôlé des billes. Enfin, cette couche permet de garantir une isolation électrique entre les billes lorsque le boîtier est monté sur la carte. Elle a pour avantage supplémentaire de pouvoir augmenter le volume de soudure en prenant des billes de diamètre plus élevé, par exemple de 0, 96 mm au lieu de 0,76 mm pour un même pas entre billes de 1,27 mm. La fiabilité sous cycle thermique du boîtier assemblé est alors augmentée. Cette caractéristique est particulièrement importante dans des applications à forte contrainte de température, notamment dans les applications automobiles. La hauteur des joints soudés sur carte, "ring" en terminologie anglosaxonne, peut être plus grande, typiquement de 0,7 mm au lieu de 0,5 mm. Un joint soudé correspond typiquement à un dépôt cuivre sur lequel sont soudés les io composants à la périphérie du boîtier. Ceci a pour conséquence une relaxation des contraintes de câblage et l'emploi de fils en aluminium selon une technique connue sous la terminologie anglo- saxonne "'wedge", est alors envisageable. Le boîtier peut alors avoir une finition "Or electroless" moins chère qu'une finition "Or électrolytique" et sans présence d'antennes (nourrices de métallisation). A titre d'exemple non limitatif, on donne ci-après les dimensions d'un boîtier selon l'invention ainsi que les matériaux utilisés pour chacune des couches constitutives du boîtier et leurs épaisseurs respectives. Cet exemple, donné à titre indicatif, ne tient pas compte des tolérances dimensionnelles. Le boîtier définit un parallélépipède de 35 mm de côté. La cavité centrale 2 définit un carrée de 15 mm de côté et sa profondeur est de mm. Elle est destinée à recevoir une puce 3 de forme générale parallélépipèdique de 13 mm de côté et de 0,40 mm d'épaisseur. La puce 5 est fixée sur le fond 4 de la cavité 2 par l'intermédiaire d'une colle 5 de 0,10 mm d'épaisseur qui est une résine époxy chargée à l'argent. Les côtés de la cavité 2 sont respectivement parallèles aux cotés du boîtier. Le boîtier est constitué d'un support 1 de 0,7 mm d'épaisseur hors tout et I'épaisseur du fond du support 1, correspondant au fond 4 de la cavité 2, est égale à 0,3 mm. Le support 1 est en cuivre. Le support 1 reçoit sur sa face inférieure, un empilement de plusieurs couches qui sont décrites successivement dans l'ordre croissant de l'épaisseur du boîtier. La première couche 9 est une couche de colle époxy de 0,10 mm d'épaisseur. Elle sert à fixer le substrat flexible 6 sur le support 1. La deuxième couche 8 correspond au plan conducteur qui est en cuivre d'épaisseur de 17 pm. La troisième couche 6 correspond au substrat flexible proprement dit qui est en io polyimide d'épaisseur de 50 pm. La quatrième couche 7i correspond aux pistes conductrices qui sont en cuivre d'épaisseur de 17 pm. C'est sur cette quatrième couche 7i que sont fixés les billes 13i et les fils de connexion 11 i. La cinquième couche 16 est une couche de colle de 0,10 mm d'épaisseur destinée à fixer la sixième couche 14 dite "couche supplémentaire" sur la quatrième couche 7i de l'empilement, c'est-à-dire sur le niveau de connexion Nc. La couche supplémentaire 14 est en résine époxy d'épaisseur de 0,5 mm. Elle définit une grille au pas de 1,27 mm comportant une pluralité d'ouvertures 15i destinées à contenir la pluralité de billes 13i qui dans l'exemple choisi ont un diamètre de 0, 96 mm. Les ouvertures 15i ont une forme générale cylindrique de section circulaire. Le diamètre des ouvertures 15i de la grille 14 est sensiblement supérieure au diamètre des billes 13i et est de l'ordre de 1,05 mm. Le diamètre des billes et la hauteur maximale acceptable après refusion définissent l'épaisseur maximale de la grille 14 jouant son rôle d'entretoise et de positionnement des billes 13i sur le boîtier. Un matériau d'enrobage 17, par exemple une colle époxy, recouvre la face active 10 de la puce 3 ainsi que les fils de connexion 11i. Il est stoppé dans son expansion par les cinquième et sixième couches de l'empilement, respectivement 16 et 14, et est enfermé dans une deuxième cavité 18 plus large que la première et définie par le pourtour intérieur de la grille 14 collée sur le substrat flexible 6. REVENDICATIONS 1. Boîtier pour circuit intégré, du type comportant une cavité (2) dans laquelle est fixé le circuit intégré (3), la face active (10) du circuit intégré (3) étant connectée électriquement au boîtier au niveau de connexion (Nc) d'un réseau de billes (13i) sur le boîtier assurant une liaison mécanique et électrique entre le circuit intégré (3) et une carte de circuit imprimé sur laquelle doit être assemblé le boîtier, caractérisé en ce qu'il comporte une couche supplémentaire (14), rigide et électriquement neutre, rapportée sur le niveau de connexion (Nc) du circuit intégré (3) et des billes (13i), et contenant les billes (13i). 2. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche supplémentaire (14) définit une entretoise dont l'épaisseur est déterminée en fonction du diamètre des billes (13i) et de leur hauteur maximale acceptable après assemblage du boîtier sur la carte. 3. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche supplémentaire (14) définit une grille de positionnement pour les billes (13i) qu'elle contient. 4. Boîtier selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que la couche supplémentaire (14) définit un obstacle ente la zone de connexion (Zc) du circuit intégré (3) sur le boîtier et le réseau de billes (1 3i). 5. Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche supplémentaire (14) définit une deuxième cavité (18) plus large que la première cavité (2) dans laquelle est fixée le circuit intégré (3), et dont lI'ouverture est délimitée par la zone de connexion (Zc) du circuit intégré (3) sur le boîtier. 6. Boîtier selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième cavité (18) contient un matériau (17) recouvrant complètement la face active (10) du circuit intégré (3) et ses connexions (11 i) au boîtier. 7. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche supplémentaire (14) est rapportée par collage au moment de l'assemblage du boîtier. 1o 8. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche supplémentaire (14) est intégrée à la structure du boîtier lors de sa fabrication.