Brevet FR2974234A1 — publié le 20121019

B10831 - 10-GR2-1224 1 ASSEMBLAGE DE DISPOSITIFS À COMPOSANTS SEMICONDUCTEURS EMPILÉS Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre des premier et second dispositifs à composants semiconducteurs comprenant des billes conductrices en regard. Elle vise aussi un tel assemblage. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un assemblage comprenant des premier et second dispositifs à composants semiconducteurs empilés, respectivement 1 (dispositif inférieur) et 2 (dispositif supérieur). Les dispositifs 1 et 2 comprennent chacun une puce semiconductrice, respectivement 3 et 4, encapsulée dans un boîtier. Chacune des puces 3 et 4 est formée à partir d'un substrat semiconducteur, par exemple en silicium. Les substrats sont généralement amincis de façon que l'épaisseur de la puce ne dépasse pas 100 à 200 µm. De tels assemblages sont couramment désignés dans la technique par le sigle PoP, de l'anglais "Package on Package" - boîtier sur boîtier. A titre d'exemple, la puce inférieure 3 comprend un microprocesseur, et la puce supérieure 4 comprend un ensemble de mémoires auxquelles le microprocesseur peut accéder. B10831 - 10-GR2-1224 2 Le boîtier du dispositif 1 comprend une plaque support 5 sur la face supérieure de laquelle est montée la puce 3. La surface de la plaque 5 est, en vue de dessus, nettement supérieure à la surface de la puce 3. La plaque 5 est destinée à supporter des billes conductrices permettant de connecter la puce 3 au dispositif supérieur 2. La plaque 5 est généralement en un matériau organique et peut comprendre divers niveaux de métallisation (par exemple en cuivre). Le niveau supérieur comprend des plages de contact (notamment destinées à recevoir les billes conductrices). Sur la face supérieure de la plaque 5, sont fixées des billes 7 destinées à assurer des connexions vers le dispositif supérieur 2. En vue de dessus, les billes 7 sont disposées en couronne autour de la puce 3. Dans cet exemple, des billes 9 sont en outre fixées sur la face inférieure de la plaque 5, et sont destinées à assurer des connexions vers un dispositif extérieur non représenté, par exemple une carte de circuit imprimé. La puce 3 est reliée à des plages de contact de la plaque 5 au moyen de fils de contact 11, par exemple en or. Les faces supérieure et latérales de la puce 3, et les fils de contact 11, sont noyés dans une résine de protection 13 formant la partie supérieure du boîtier du dispositif 1. La résine 13 forme, avec la puce 3, un îlot reposant sur la partie centrale de la plaque 5, entre les billes conductrices 7. Le boîtier du dispositif supérieur 2 est similaire au boîtier du dispositif 1. Il comprend, dans sa partie inférieure, une plaque support 15 sur la face supérieure de laquelle est montée la puce 4, et, dans sa partie supérieure, une résine de protection 17 dans laquelle sont noyés les faces supérieure et latérales de la puce 4 et des fils de contact assurant les connexions de la puce 4 à la plaque 15. Du côté de sa face inférieure, la plaque 15 comprend des plages de contact métalliques destinées à être connectées aux billes conductrices 7 assurant les connexions vers le dispositif 1. On notera qu'un tel assemblage ne peut être réalisé 35 que si la hauteur Hb des billes 7 est supérieure à la hauteur Hr B10831 - 10-GR2-1224 3 de l'îlot central constitué par la résine 13 et la puce 3. Ceci constitue une limitation de ce type d'assemblage lorsqu'on souhaite augmenter le nombre de billes 7 par unité de surface (pour augmenter le nombre de connexions entre les dispositifs 1 et 2 sans augmenter la surface des plaques support 5 et 15). En effet, pour augmenter le nombre de billes par unité de surface, il est nécessaire de réduire le diamètre des billes, et par conséquent de réduire la hauteur Hb. Le nombre de billes 7 par unité de surface est donc limité par la hauteur Hr de l'îlot central. On peut réduire légèrement la hauteur Hr en prévoyant un montage en surface (flip-chip) entre la puce 3 et la plaque 5. Dans ce cas, la puce 3 est connectée à la plaque 5 non pas par des fils conducteurs, mais par des billes ou plots de contact disposés sous la puce 3. Il est alors possible de se passer de la résine de protection 13 (qui sert essentiellement, dans l'exemple de la figure 1, à protéger les fils 11), et donc de réduire la hauteur Hr. Toutefois, en pratique, la hauteur Hr de l'îlot central contenant la puce 3 est d'au moins 250 à 300 µm. Compte tenu du fait que les billes 7 sont partiellement écrasées au moment de leur assemblage, il n'est pas possible d'utiliser des billes de moins que 350 à 450 µm de diamètre, correspondant à un pas inter-billes (centre à centre) de l'ordre de 650 µm. Les figures 2A à 2F sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes d'un exemple d'un procédé d'assemblage qui a été proposé pour permettre l'utilisation de billes conductrices de plus petit diamètre. La figure 2A illustre un dispositif 1, correspondant au dispositif inférieur 1 de la figure 1. Comme précédemment, le dispositif 1 comprend une puce semiconductrice 3, encapsulée dans un boîtier. Le boîtier du dispositif 1 comprend, dans sa partie inférieure, une plaque support 5 sur la face supérieure de laquelle est montée la puce 3, et, dans sa partie supérieure, une résine de protection 13 dans laquelle sont noyés les faces B10831 - 10-GR2-1224 4 supérieure et latérales de la puce 3 et les fils conducteurs 11 assurant les connexions de la puce 3 à la plaque 5. Lors d'une étape initiale du procédé d'assemblage, des billes conductrices 7 sont fixées sur des plages de contact de la face supérieure de la plaque 5, autour de l'îlot central constitué par la puce 3 et la résine 13. La figure 2B illustre une étape au cours de laquelle une couche de résine 21, de hauteur supérieure à la hauteur des billes 7, est formée sur toute la surface supérieure du dispo- sitif 1. A l'issue de cette étape, les billes 7 sont noyées dans la couche 21 et ne sont donc plus accessibles depuis la face supérieure du dispositif 1. La figure 2C illustre une étape au cours de laquelle des ouvertures sont formées dans la couche de résine 21 en regard des billes 7, par gravure laser, de façon à libérer l'accès à la partie supérieure des billes 7. La figure 2D illustre une étape au cours de laquelle un dispositif 2, correspondant au dispositif supérieur 2 de la figure 1, est reporté sur le dispositif 1. Comme précédemment, le dispositif 2 comprend une puce semiconductrice 4 encapsulée dans un boîtier. Le boîtier du dispositif 2 comprend, dans sa partie inférieure, une plaque support 15 sur la face supérieure de laquelle est montée la puce 4, et, dans sa partie supérieure, une résine de protection 17 dans laquelle sont noyés les faces supérieure et latérales de la puce 4 et les fils conducteurs assurant les connexions de la puce 4 à la plaque 15. Préalable-ment au report du dispositif 2 sur le dispositif 1, des billes de contact 7' sont fixées sur la face inférieure de la plaque 15, et sont destinées à venir contacter les billes 7 du disposi- tif inférieur 1. Les cavités formées dans la couche de résine 21 à l'étape 2C permettent, lors du report, de guider et d'aligner correctement les billes 7' par rapport aux billes 7. La figure 2E illustre l'assemblage final, après le report du dispositif 2 sur le dispositif 1 et après que l'ensemble a été chauffé pour souder les billes 7' aux billes 7. B10831 - 10-GR2-1224 On notera que des billes 9 peuvent être fixées à la face inférieure de la plaque 5 du dispositif 1, pour assurer des connexions vers un dispositif extérieur (non représenté), par exemple une carte de circuit imprimé. 5 Le procédé illustré par les figures 2A à 2E permet d'augmenter le nombre de connexions par unité de surface entre les dispositifs 1 et 2 par rapport à un assemblage du type décrit en relation avec la figure 1. Dans l'assemblage de la figure 2E, les dispositifs 1 et 2 comprennent des billes conduc- trices en regard, soudées les unes aux autres. Ainsi, pour un diamètre de bille donné, la hauteur Hb disponible entre la face supérieure de la plaque support 5 et la face inférieure de la plaque support 15 est approximativement deux fois plus importante que dans un assemblage du type décrit en relation avec la figure 1. Il est donc possible, pour une hauteur Hr donnée de l'îlot central contenant la puce 3, de réduire le diamètre des billes, et donc le pas inter-billes par rapport à un assemblage du type décrit en relation avec la figure 1. A titre d'exemple, le procédé d'assemblage décrit en relation avec les figures 2A à 2E permet, pour une hauteur Hr de l'îlot central de l'ordre de 250 à 300 µm, d'utiliser des billes d'environ 200 à 250 µm de diamètre, avec un pas inter-billes de l'ordre de 400 à 500 µm. Toutefois, un inconvénient de ce procédé est qu'il nécessite une étape longue et coûteuse de réalisation d'ouver- tures en regard des billes conductrices 7, par gravure laser de la couche de résine 21 (figure 2C). En outre, après avoir réalisé ces ouvertures, il est nécessaire de prévoir des étapes de nettoyage pour éviter que des résidus de résine 21 n'empêchent la formation d'un contact entre les billes 7 et 7'. Malgré ces étapes de nettoyage, il peut arriver que des résidus de résine ne soient pas éliminés, ce qui dégrade la qualité du contact électrique entre les billes 7 et 7'. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la 35 présente invention est de prévoir un procédé de réalisation d'un B10831 - 10-GR2-1224 6 assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre, des premier et second dispositifs à composants semiconducteurs comprenant des billes conductrices en regard, ce procédé palliant au moins en partie certains des inconvénients des solutions existantes. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel procédé ne nécessitant pas la prévision d'une étape de réalisation d'ouvertures localisées, dans une couche de résine dans laquelle sont noyées des billes conductrices. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel procédé permettant d'améliorer la qualité des contacts électriques entre les premier et second dispositifs par rapport aux procédés actuels. Un objet d'un mode de réalisation de la présente 15 invention est de prévoir un assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre, des premier et second dispositifs à composants semiconducteurs. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de réalisation d'un assemblage comprenant, 20 empilés l'un sur l'autre, des premier et second dispositifs à composants semiconducteurs comprenant des billes conductrices en regard, ce procédé comportant les étapes suivantes : a) former, sur le premier dispositif, au moins un motif en résine, voisin d'au moins certaines des billes conduc- 25 trices d'une distance inférieure ou égale à la moitié du diamètre des billes, et de hauteur supérieure à la hauteur des billes ; et b) reporter le second dispositif sur le premier dispositif, en utilisant ledit au moins un motif pour guider les 30 billes du second dispositif vers les billes correspondantes du premier dispositif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit au moins un motif a la forme d'un cadre entourant l'ensemble des billes du premier dispositif. 10 B10831 - 10-GR2-1224 7 Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit cadre comporte, sur son bord intérieur, des crénelures pénétrant, en vue de dessus, dans l'espace séparant des billes voisines du premier dispositif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la hauteur dudit au moins un motif est comprise entre 130 et 170 % de la hauteur des billes du premier dispositif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les billes du premier dispositif sont disposées en couronne sur 10 une face de ce dispositif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, sur la face du premier dispositif comportant les billes en couronne, est formé un îlot contenant une puce semiconductrice, situé, en vue de dessus, à l'intérieur de la couronne. 15 Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'épaisseur dudit îlot est supérieure à la hauteur des billes du premier dispositif. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre, des 20 premier et second dispositifs à composants semiconducteurs comprenant des billes conductrices en regard, comportant, sur le premier dispositif, au moins un motif en résine, voisin d'au moins certaines des billes conductrices d'une distance inférieure ou égale à la moitié du diamètre des billes, et de 25 hauteur supérieure à la hauteur des billes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit au moins un motif a la forme d'un cadre entourant l'ensemble des billes du premier dispositif. Brève description des dessins 30 Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est une vue en 35 coupe représentant de façon schématique un assemblage B10831 - 10-GR2-1224 8 comprenant, empilés l'un sur l'autre, des premier et second dispositifs à composants semiconducteurs ; les figures 2A à 2E, précédemment décrites, sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes d'un procédé de réalisation d'un assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre, des premier et second dispositifs à composants semiconducteurs comprenant des billes conductrices en regard ; les figures 3A à 3D sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes d'un mode de réalisation d'un procédé de réalisation d'un assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre, des premier et second dispositifs à composants semiconducteurs comprenant des billes conductrices en regard ; les figures 4A à 4F sont des vues de dessus simplifiées représentant des exemples de réalisation du dispo- sitif inférieur utilisé dans le procédé décrit en relation avec les figures 3A à 3D. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références sur les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Les figures 3A à 3D sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre, des premier et second dispositifs à composants semi-conducteurs comprenant des billes conductrices en regard. La figure 3A illustre un dispositif inférieur 1, correspondant par exemple au dispositif inférieur 1 de la figure 1. Comme précédemment, le dispositif 1 comprend une puce semi-conductrice 3, encapsulée dans un boîtier. Le boîtier du dispositif 1 comprend, dans sa partie inférieure, une plaque support 5 sur la face supérieure de laquelle est montée la puce 3, et, dans sa partie supérieure, une résine de protection 13 dans laquelle sont noyés les faces supérieure et latérales de la B10831 - 10-GR2-1224 9 puce 3 et les fils conducteurs 11 assurant les connexions de la puce 3 à la plaque 5. Des billes conductrices 7 sont fixées sur des plages de contact de la face supérieure de la plaque 5. Dans cet exemple, en vue de dessus, les billes 7 sont disposées en couronne autour de la puce 3. La figure 3B illustre une étape au cours de laquelle un motif en résine 31, de hauteur supérieure à la hauteur des billes 7, est formé par moulage sur la face supérieure de la plaque support 5. Dans cet exemple, en vue de dessus, le motif 31 a la forme d'un cadre entourant l'ensemble des billes 7. A titre d'exemple, la hauteur du motif 31 correspond à environ 110% à 190%, et de préférence 130% à 170%, de la hauteur des billes 7. Le motif 31 est voisin des billes 7 formant la périphérie extérieure de la couronne de billes 7, d'une distance d inférieure ou égale à la moitié du diamètre des billes 7. En pratique, la distance d est choisie la plus faible possible, en tenant compte des contraintes de fabrication et notamment de l'épaisseur de la paroi du moule. Contrairement au procédé décrit en relation avec les figures 2A à 2E, dans le procédé proposé, la résine 31 ne recouvre pas les billes 7. La figure 3C illustre une étape au cours de laquelle un dispositif 2, correspondant par exemple au dispositif supé- rieur 2 de la figure 1, est reporté sur le dispositif 1. Dans cet exemple, comme précédemment, le dispositif 2 comprend une puce semiconductrice 4, encapsulée dans un boîtier. Le boîtier du dispositif 2 comprend, dans sa partie inférieure, une plaque support 15 sur la face supérieure de laquelle est montée la puce 4, et, dans sa partie supérieure, une résine de protection 17 dans laquelle sont noyés les faces supérieure et latérales de la puce 4 et les fils conducteurs assurant les connexions de la puce 4 à la plaque 15. Préalablement au report du dispositif 2 sur le dispositif 1, des billes de contact 7' destinées à venir contacter les billes 7 du dispositif inférieur 1, sont fixées sur la face inférieure de la plaque 15. Lors du report du dispositif 2 sur le dispositif 1, le cadre de résine 31 permet B10831 - 10-GR2-1224 10 de guider et d'aligner correctement les billes 7' par rapport aux billes 7. Des billes 7' sont susceptibles de venir buter directement contre les parois latérales intérieures du cadre 31, garantissant le bon alignement des billes, et permettant en particulier d'éviter qu'une bille 7' du dispositif 2 ne vienne court-circuiter deux billes 7 du dispositif 1. La figure 3D illustre l'assemblage final, après le report du dispositif 2 sur le dispositif 1 et après que l'ensemble ait été chauffé pour souder les billes 7' aux billes 7. Des billes 9 peuvent être fixées à la face inférieure de la plaque 5 du dispositif 1, pour assurer des connexions vers un dispositif extérieur (non représenté), par exemple une carte de circuit imprimé. On notera que le motif de résine 31 pourra prendre d'autres formes qu'un cadre entourant l'ensemble des billes 7. Les figures 4A à 4F sont des vues de dessus simplifiées d'un dispositif 1 du type décrit en relation avec la figure 3B, représentant diverses formes qu'est susceptible de prendre le motif de résine 31. La figure 4A illustre un exemple correspondant à la figure 3B, dans lequel le motif de résine 31 a la forme d'un cadre entourant les billes 7, à une distance du bord extérieur de la couronne de billes 7 inférieure ou égale au demi-diamètre d'une bille. La figure 4B illustre un exemple dans lequel le motif de résine 31 a la forme d'un cadre formé à l'intérieur de la couronne de billes 7, à une distance du bord intérieur de la couronne de billes 7 inférieure ou égale au demi-diamètre d'une bille. La figure 4C illustre un exemple dans lequel le motif de résine 31 a la forme de coins parallèles aux coins extérieurs de la couronne de billes 7, à une distance des coins extérieurs de la couronne de billes 7 inférieure ou égale au demi-diamètre d'une bille. B10831 - 10-GR2-1224 11 La figure 4D illustre un exemple dans lequel le motif de résine 31 a la forme de coins intérieurs parallèles aux coins intérieurs de la couronne de billes 7, à une distance de la couronne de billes 7 inférieure ou égale au demi-diamètre d'une bille. La figure 4E illustre un exemple dans lequel le motif de résine 31 a la forme de portions de bandes, parallèles à des bords extérieurs et intérieurs de la couronne de billes 7, à une distance des bords de la couronne de billes 7 inférieure ou égale au demi-diamètre d'une bille. La figure 4F illustre un exemple dans lequel le motif de résine 31 a la forme d'un cadre entourant les billes 7, ce cadre présentant, sur son bord intérieur, des crénelures pénétrant dans l'espace séparant des billes 7 du bord extérieur de la couronne de billes 7. Plus généralement, l'homme de l'art saura prévoir tout motif de résine adapté à garantir le bon alignement des billes 7' par rapport aux billes 7, ce motif étant voisin d'au moins certaines billes 7 d'une distance inférieure ou égale à la moitié du diamètre des billes. Le motif sera notamment choisi en fonction de la disposition des billes 7. On notera d'ailleurs que les billes 7 et 7' pourront être disposées autrement qu'en couronne. Les motifs de résine continus du type représenté aux figures 4A et 4F (cadre extérieur) et 4B (cadre intérieur), présentent l'avantage par rapport aux motifs discontinus (figures 4C, 4D et 4E) de ne nécessiter, pour leur réalisation, qu'une seule prise d'injection de résine lors du moulage. Par ailleurs, les motif de résine représentés sur les figures 4A et 4F (cadre extérieur en périphérie de la plaque 5), présentent l'avantage de rigidifier la plaque support 5, ce qui permet d'éviter un gauchissement de la structure lorsque l'ensemble est chauffé pour souder les billes 7 et 7'. Un avantage du procédé proposé est qu'il ne nécessite pas la prévision d'une étape coûteuse de réalisation d'ouver- B10831 - 10-GR2-1224 12 tures localisées dans une couche de résine dans laquelle sont noyées des billes conductrices. En outre, le procédé proposé garantit une bonne qualité du contact électrique entre les billes 7 et 7', aucun résidu de résine lié à une gravure n'étant susceptible de s'interposer entre des billes 7 et 7' correspondantes. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'invention ne se restreint pas aux seuls dispositifs à composants semiconducteurs du type décrit ci-dessus à titre d'exemple. Les puces semiconductrices des dispositifs 1 et/ou 2 pourront par exemple être reliées à leurs boîtiers respectifs par une connexion de type flip-chip (sans fils conducteurs et éventuellement sans résine de protection). De plus, les dispositifs 1 et 2 pourront chacun comprendre une ou plusieurs puces semiconductrices superposées. Plus générale-ment, le procédé proposé pourra être utilisé pour assembler tous types de dispositifs à composants semiconducteurs comprenant des billes conductrices en regard. En outre, l'invention ne se restreint pas aux dimensions mentionnées dans la présente description à titre d'exemple. Un procédé du type décrit en relation avec les figures 3A à 3D et 4A à 4E pourra notamment être utilisé pour assembler des dispositifs de plus petites dimensions, par exemple deux puces semiconductrices superposées comprenant des billes conductrices en regard. De plus, l'homme de l'art saura bien entendu utiliser le procédé proposé pour empiler les uns sur les autres plus de 30 deux dispositifs à composants semiconducteurs. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre, des premier (1) et second (2) dispositifs à composants semiconducteurs comprenant des billes conductrices (7, 7') en regard, ce procédé comportant les étapes suivantes : a) former, sur le premier dispositif (1), au moins un motif (31) en résine, voisin d'au moins certaines des billes conductrices (7) d'une distance inférieure ou égale à la moitié du diamètre des billes, et de hauteur supérieure à la hauteur des billes ; et b) reporter le second dispositif (2) sur le premier dispositif (1), en utilisant ledit au moins un motif (31) pour guider les billes (7') du second dispositif vers les billes (7) correspondantes du premier dispositif. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un motif (31) a la forme d'un cadre entourant l'ensemble des billes (7) du premier dispositif (1). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit cadre comporte, sur son bord intérieur, des crénelures 20 pénétrant, en vue de dessus, dans l'espace séparant des billes (7) voisines du premier dispositif. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la hauteur dudit au moins un motif (31) est comprise entre 130 et 170 % de la hauteur des billes (7) du 25 premier dispositif. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les billes (7) du premier dispositif (1) sont disposées en couronne sur une face de ce dispositif. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel, sur 30 la face du premier dispositif (1) comportant les billes (7) en couronne, est formé un îlot contenant une puce semiconductrice (3), situé, en vue de dessus, à l'intérieur de la couronne.B10831 - 10-GR2-1224 14 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'épaisseur (Hr) dudit îlot est supérieure à la hauteur des billes (7) du premier dispositif. 8. Assemblage comprenant, empilés l'un sur l'autre, des premier (1) et second (2) dispositifs à composants semi-conducteurs comprenant des billes conductrices (7, 7') en regard, comportant, sur le premier dispositif (1), au moins un motif (31) en résine, voisin d'au moins certaines des billes conductrices (7) d'une distance inférieure ou égale à la moitié du diamètre des billes, et de hauteur supérieure à la hauteur des billes. 9. Assemblage selon la revendication 8, dans lequel ledit au moins un motif (31) a la forme d'un cadre entourant l'ensemble des billes (7) du premier dispositif (1).