Brevet FR3011120A1 — publié le 20150327

B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 1 PUCE DE CIRCUITS INTÉGRÉS MONTÉE SUR UN SUPPORT Domaine La présente demande concerne un dispositif comprenant une puce de circuits intégrés montée un support et son procédé de fabrication. Exposé de l'art antérieur Dans un empilement de puces de circuits intégrés, deux puces peuvent être accolées directement ou bien séparées par une plaque intermédiaire, de préférence en le même matériau semiconducteur, couramment appelée plaque d'interposeur. Généralement, une couche isolante électriquement est disposée entre deux éléments successifs de l'empilement, c'est-à-dire entre une puce et une autre puce ou bien entre une puce et une plaque d'interposeur. Cette couche permet notamment d'améliorer la tenue mécanique de l'empilement. La figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif 1 comportant une puce 3 de circuits intégrés montée sur un support 5. Une couche 7 isolante électriquement est disposée entre la puce 3 et le support 5. Des éléments conducteurs électriquement 9 traversent la couche 7 et relient des plots sur une face 11 de la puce 3 à des plots sur une face 13 du support 5, les faces 11 et 13 étant en regard l'une de l'autre. B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 2 La couche 7 est isolante électriquement afin de ne pas former de courts-circuits entre les éléments conducteurs 9. La couche 7 est en un matériau qui est un mauvais conducteur thermique. La conductivité thermique de la couche 7 est inférieure à 3 W.m-1.K-1. Lorsque le dispositif 1 est en fonctionnement, des régions de la puce 3 peuvent produire de l'énergie thermique. La couche 7, du fait de sa faible conductivité thermique, peut ne pas évacuer de façon convenable l'énergie thermique vers des régions moins chaudes du dispositif 1. La température de régions de la puce 3 peut alors augmenter jusqu'à entraîner une détérioration du dispositif 1. Il existe donc un besoin d'améliorer le transfert d'énergie thermique dans un dispositif comprenant une puce de circuits intégrés montée sur un support afin de réduire la température dans les régions les plus chaudes du dispositif. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif comprenant une puce de circuits intégrés, un support, une couche disposée entre la puce de circuits intégrés et le support, et des éléments conducteurs adaptés à conduire électriquement reliant la puce de circuits intégrés au support à travers la couche, la couche comprenant des particules métalliques réparties dans un matériau isolant électriquement, chaque élément conducteur électriquement étant revêtu latéralement d'une gaine isolante électriquement. Selon un mode de réalisation, le poids des particules métalliques est inférieur à 90 % du poids de la couche. Selon un mode de réalisation, les particules 30 métalliques ont un diamètre moyen compris entre 0,01 et 5 pin. Selon un mode de réalisation, la couche comprend en outre des particules additionnelles réparties dans le matériau isolant électriquement, les particules additionnelles comprenant un matériau à changement de phase. B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 3 Selon un mode de réalisation, le poids des particules métalliques et des particules additionnelles est inférieur à 90 % du poids de la couche. Selon un mode de réalisation, les particules 5 additionnelles ont un diamètre moyen compris entre 0,01 et 5 pin. Selon un mode de réalisation, les éléments conducteurs électriquement comprennent des piliers métalliques. Selon un mode de réalisation, le support est une plaque d'interposeur ou une puce de circuits intégrés 10 supplémentaire ou un boîtier de type à montage en surface. Selon un mode de réalisation, le matériau isolant électriquement comprend un premier polymère époxyde. Selon un mode de réalisation, la gaine isolante électriquement comprend un deuxième polymère époxyde. 15 Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : (a) prévoir un assemblage comprenant une puce de circuits intégrés montée sur un support, la puce de circuits intégrés et le support étant reliés par des éléments conducteurs 20 adaptés à conduire électriquement situés entre la puce de circuits intégrés et le support, chaque élément conducteur électriquement étant recouvert latéralement d'une gaine isolante électriquement ; (b) remplir le volume entre la puce de circuits inté25 grés et le support avec un matériau isolant électriquement dans lequel sont réparties des particules métalliques ; et (c) faire durcir le matériau isolant électriquement. Selon un mode de réalisation, le matériau isolant électriquement comprend en outre des particules additionnelles 30 comprenant un matériau à changement de phase. Selon un mode de réalisation, l'étape (a) comprend les étapes suivantes : (d) prévoir des premiers plots surmontés de joints de brasure disposés sur une face de la puce de circuits intégrés ; B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 4 (e) prévoir des deuxièmes plots disposés sur une face du support ; (f) assembler la puce de circuits intégrés sur le support, chaque joint de brasure étant au contact de l'un des premiers plots et de l'un des deuxièmes plots, l'ensemble des premier plot, joint de brasure et deuxième plot formant l'un des éléments conducteurs électriquement ; et (g) former les gaines isolantes autour des éléments conducteurs électriquement. Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : (h) prévoir un revêtement isolant recouvrant la face de la puce de circuits intégrés, les premiers plots et les joints de brasure ; (i) avant l'étape (f), graver ou imprimer le revêtement isolant en laissant des portions du revêtement isolant autour des premiers plots et au-dessus des joints de brasure ; et (j) à l'étape (g), faire fondre une partie des portions du revêtement isolant, la puce de circuits intégrés étant disposée au-dessus du support, la partie des portions du revêtement isolant ayant fondue s'écoulant par gravité sur les surfaces latérales des deuxièmes plots. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 25 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, décrite précédemment, est une vue schématique en coupe d'un exemple de dispositif comprenant une 30 puce de circuits intégrés montée sur un support ; la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif comprenant une puce de circuits intégrés montée sur un support ; B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif comprenant une puce de circuits intégrés montée sur un support ; et les figures 4A à 4E sont des vues schématiques en 5 coupe représentant des structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un dispositif comprenant une puce de circuits intégrés montée sur un support. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux 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. Description détaillée Afin d'améliorer le transfert de l'énergie thermique dans une couche isolante électriquement disposée entre une puce de circuits intégrés et un support, on propose d'introduire des particules métalliques dans cette couche. La figure 2 est une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif 15 comprenant les mêmes éléments que le dispositif 1, à la différence que la couche 7 du dispositif 1 est remplacée dans le dispositif 15 par une couche 17. La couche 17 contient des particules métalliques 19 réparties dans un matériau isolant électriquement 21. Le dispositif 15 comprend en outre des gaines isolantes 23 recouvrant la ou les faces latérales de l'élément conducteur 9, c'est-à-dire les surfaces des éléments conducteurs 9 qui ne sont pas en contact avec la face 13 ou la face 11. Selon un mode de réalisation, la puce 3 a une épaisseur comprise entre 600 et 1000 pin, par exemple 800 pin. Il peut aussi s'agir d'une puce amincie à une épaisseur inférieure à 600 pin. Les circuits intégrés de la puce 3 peuvent être formés dans un substrat massif, par exemple en silicium, ou peuvent être formés dans une couche de semiconducteur d'une structure de type semiconducteur sur isolant (SOI). En outre, les circuits B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 6 intégrés comprennent généralement une structure d'interconnexion comprenant un empilement de couches isolantes dans lequel peuvent être disposés un ou plusieurs niveaux de métallisation. Le support 5 peut être une plaque d'interposeur ou une 5 puce de circuits intégrés, par exemple de type à montage en surface. Cette puce de circuits intégrés, éventuellement similaire à la puce 3, peut être incluse dans une plaque comprenant plusieurs puces de circuits intégrés. Selon un mode de réalisation, le support 5 a une épaisseur comprise entre 50 10 et 1000 pin, par exemple 80 pin. La couche 17 peut avoir une épaisseur comprise entre 10 et 150 pin, par exemple 40 pin. A titre d'exemple, le matériau 21 est une résine. De préférence, il s'agit d'un polymère thermodurcissable. Le 15 polymère peut être un polymère époxyde. Le matériau 21 peut, en outre, comprendre des charges supplémentaires, par exemple des particules de 5i02 ou de A1203. On définit le diamètre moyen d'une particule comme étant le diamètre de la sphère ayant le même volume que cette 20 particule. Les particules métalliques 19 peuvent avoir un diamètre moyen compris entre 0,01 et 5 pin, de préférence entre 0,1 et 0,5 gm. Le poids de l'ensemble des particules métalliques 19 peut être inférieur à 90 % du poids de la couche 17, de préférence compris entre 70 et 90 % du poids de la couche 17. 25 Les particules métalliques 19 comprennent un métal ou un alliage métallique dont la conductivité thermique est supérieure à 300 W.m-1.K-1. Les particules 19 sont en un matériau pouvant être choisi parmi l'or, l'argent, le zinc, le cuivre ou l'un de leurs alliages. 30 Selon un mode de réalisation, les éléments conducteurs 9 sont des piliers métalliques d'un diamètre compris entre 10 et 150 pin, par exemple 25 pin. Les éléments conducteurs 9 sont espacés les uns des autres, centre à centre, d'une distance au moins supérieure à 20 pin, par exemple 50 pin. B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 7 Les gaines isolantes 23 ont une épaisseur pouvant être comprise entre 1 et 5 pin, par exemple 2,5 pin. A titre d'exemple, les gaines isolantes 23 comprennent un polymère éventuellement chargé, par exemple avec de l'oxyde de silicium. Le polymère 5 peut être un polymère époxyde, par exemple tel que décrit sous le terme WLUF ("Wafer Level Underfill") dans l'article "Performances of Wafer-Level Underfill with 50gm pitch interconnections: Comparison with conventional underfill" de A. Taluy et al. paru en 2011 dans Electronics Packaging Technology 10 Conference. La présence des particules métalliques 19 dans le matériau isolant 21 permet avantageusement d'obtenir une conductivité thermique pour la couche 17 supérieure à 150 W.m-1.K-1 dès que le poids des particules 19 est supérieur à 15 50 % du poids de la couche 17. Ainsi la couche 17 a une conductivité thermique plus élevée que celle de la couche 7 du dispositif 1. Par rapport à la couche 7, la couche 17 peut donc transférer une plus grande quantité d'énergie thermique de régions chaudes à des régions 20 moins chaudes du dispositif 15. Les gaines isolantes 23 empêchent avantageusement que des agrégats de particules métalliques 19 ne forment des courts-circuits entre les éléments conducteurs 9. La figure 3 est une vue en coupe d'un deuxième mode de 25 réalisation d'un dispositif 25 comprenant les mêmes éléments que le dispositif 15 à la différence que la couche 17 est remplacée par une couche 27 comprenant des particules additionnelles 29 en plus des particules métalliques 19. Les particules 19 et 29 sont réparties dans le matériau isolant 21. 30 Les particules additionnelles 29 comprennent un matériau à changement de phase. Un matériau à changement de phase absorbe une grande quantité d'énergie thermique lors d'un changement de phase, par exemple le passage de l'état solide à l'état liquide, permettant de limiter l'élévation de température 35 du milieu environnant tant que dure la transition de phase. Le B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 8 matériau à changement de phase peut être un alcane (la paraffine) ou encore un hydrate de sel. Les particules additionnelles 29 peuvent avoir un diamètre moyen compris entre 0,01 et 5 pin, de préférence entre 0,1 et 0,5 pin. Le poids de l'ensemble des particules métalliques 19 et de l'ensemble des particules additionnelles 29 peut-être inférieur à 90 % du poids de la couche 27, de préférence entre 70 et 86 % du poids de la couche 27. La température du dispositif 25 en fonctionnement peut être comprise entre -40 et 165 °C et au-delà, les températures de fonctionnement proches de 100 °C et plus, pouvant détériorer les performances des composants électroniques formés dans la puce 3. Le matériau à changement de phase est choisi pour que sa température de fusion soit légèrement supérieure à la température moyenne du dispositif 25 en fonctionnement, par exemple 80 °C. La présence des particules additionnelles 29 permet avantageusement de lisser d'éventuels pics de température dans le dispositif 25. La présence des particules métalliques 19 dans la couche 27 améliore l'évacuation de l'énergie thermique restituée par les particules additionnelles 29, par exemple lors du passage de l'état liquide à l'état solide du matériau à changement de phase. Les figures 4A. à 4E représentent des structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un dispositif comprenant une puce de circuits intégrés montée sur un support. La figure 4A. est une vue en coupe d'une plaque 30 30 comprenant plusieurs puces de circuits intégrés. Des plots de contact 32, surmontés de joints de brasure 34, sont disposés sur une face 36 de la plaque 30. Un revêtement isolant 38 recouvre la face 36, les plots de contact 32 et les joints de brasure 34. L'épaisseur du 35 revêtement 38 au-dessus de chaque joint de brasure peut être B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 9 comprise entre 5 et 15 pin, par exemple 10 pin. A titre d'exemple, le revêtement isolant 38 comprend un polymère éventuellement chargé, par exemple avec de l'oxyde de silicium. Le polymère peut être un polymère époxyde, par exemple du WLUF. Les plots de contact 32 peuvent être des piliers métalliques, par exemple en cuivre, d'un diamètre pouvant être compris entre 10 et 150 pin, par exemple 25 pin, et d'une hauteur pouvant être comprise entre 10 et 150 pin, par exemple 30 pin. Les plots de contact 32 peuvent être séparés les uns des autres, centre à centre, d'une distance au moins supérieure à 20 pin, par exemple 50 pin. A titre d'exemple, les joints de brasure 34 sont en un alliage de SnAgCu ou de SnAg. La figure 4B représente la structure obtenue après une étape durant laquelle des parties du revêtement 38 disposées entre les plots de contact 32 ont été retirées jusqu'à la face 36 et des portions 40 du revêtement isolant 38 ont été laissées autour des plots de contact 32. L'épaisseur de la partie des portions isolantes 40 disposée sur les faces latérales des plots 32 est comprise entre 1 et 5 pin, par exemple 2,5 um. Cette étape peut être réalisée par gravure sèche ou par nano-impression. La figure 4C représente la structure obtenue après les étapes suivantes : prévoir un support 5, tel que décrit précédemment en 25 relation avec les figures 2 et 3, comprenant des plots de contact 44 disposés sur une face 42 du support 5 ; découper la plaque 30 pour obtenir la puce 3 de circuits intégrés telle que décrite précédemment en relation avec les figures 1 à 3 ; et 30 disposer la puce 3 au-dessus du support 5 de manière à aligner selon un axe vertical les plots 32 avec les plots 44, la partie des portions isolantes 40 au-dessus des joints de brasure 34 étant en contact avec les plots 44. Les plots de contact 44 peuvent être des piliers 35 métalliques, par exemple en cuivre. Les plots 44 peuvent avoir B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 10 un diamètre similaire à celui des plots 32 et peuvent avoir une hauteur inférieure à 150 pin, par exemple 10 pin. La figure 4D représente la structure obtenue après une étape de chauffage durant laquelle la puce 3 est maintenue 5 contre le support 5. La température lors de cette étape doit au moins être égale à température de fusion des joints de brasure 34 et à la température de viscosité minimale des portions isolantes 40. Par exemple, lorsque les joints de brasure 34 sont en SnAgCu et que les portions isolantes 40 sont en WLUF, la 10 température de chauffage est 218 °C. La durée de l'étape de chauffage peut être comprise entre 2 et 30 secondes, par exemple 5 secondes. Une force supérieure à 10 N peut être appliquée sur la puce 3 afin de favoriser la connexion des plots de contact 32 et 44 au moyen des joints de brasure 34. 15 Lors de l'étape de chauffage, les portions isolantes 40 et les joints de brasure 34 fondent au moins en partie. La puce 3 étant disposée au-dessus du support 5, une partie des portions isolantes 40 s'écoule par gravité le long des surfaces latérales des plots 44 formant les gaines isolantes 23, telles 20 que décrites précédemment en relation avec les figures 2 et 3. En outre, la partie des portions isolantes 40 recouvrant les joints de brasure 34 est chassée latéralement, les joints de brasure 34 venant alors au contact des plots 44. Les joints de brasure 34 partiellement fondus permet- 25 tent d'effectuer la fixation des plots 32 aux plots 44. On obtient ainsi les éléments conducteurs 9 tels que décrits précédemment en relation avec les figures 2 et 3. Chaque élément conducteur 9 est constitué d'un plot 32 et d'un plot 44, reliés entre eux par un joint de brasure 34. 30 La figure 4E représente la structure obtenue après les étapes suivantes : remplir le volume disponible entre la puce 3, le support 5 et les éléments conducteurs 9 d'un mélange liquide ou visqueux à température ambiante ; et B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 11 faire durcir le mélange pour obtenir la couche 17 représentée en figure 2 ou la couche 27 représentée en figure 3. Le mélange comprend le matériau 21 dans lequel sont réparties des particules métalliques 19 et éventuellement des particules additionnelles 29. On notera que la valeur maximum indiquée précédemment du rapport entre le poids de l'ensemble des particules 19 et 29 et le poids de la couche 27 est choisie, notamment, pour éviter la sédimentation des particules 19 et 29 dans le matériau 21 lors du durcissement ou pour optimiser l'écoulement du polymère entre les parties 3 et 5. Le mélange peut être coulé sur la face 42 afin d'effectuer le remplissage du volume disponible par capillarité. Dans le cas d'un matériau 21 en un polymère thermodurcissable, pour faire durcir le mélange, la structure est chauffée à une température supérieure à la température de réticulation du matériau 21 et des portions isolantes 40 et inférieure à la température de fusion des joints de brasure 34. A titre d'exemple, la température de chauffage est supérieure à 100 °C et inférieure à 200 °C, par exemple 180 °C. La durée de chauffage peut être comprise entre 60 et 180 minutes, par exemple 120 minutes. Une étape supplémentaire d'amincissement pourra être réalisée sur la puce 3 ou sur le support 5. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. 25 Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dispositifs décrits précédemment en relation avec les figures 2 et 3 comprennent des piliers métalliques. Toutefois, ces piliers peuvent être remplacés par d'autres éléments conducteurs, par exemple des billes métal- 30 ligues. En outre, chaque élément de contact, formé par la connexion d'un plot 32 et d'un plot 44 par un joint de brasure 34, peut être formé par un seul plot de contact disposé à la surface de la puce 3 (inversement du support) relié à l'aide B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 12 d'un joint de brasure à une surface de contact du support 5 (inversement de la puce). Bien que le mode de réalisation du procédé décrit précédemment prévoie des portions isolantes 40 uniquement sur les plots 32 de la puce 3, des portions isolantes peuvent être prévues uniquement sur les plots 44 du support 5 ou à la fois sur les plots 32 et 44. REVENDICATIONS1. Dispositif (15 ; 25) comprenant une puce (3) de circuits intégrés, un support (5), une couche (17 ; 27) disposée entre la puce de circuits intégrés et le support, et des éléments conducteurs (9) adaptés à conduire électriquement reliant la puce de circuits intégrés au support à travers la couche, la couche comprenant des particules métalliques (19) réparties dans un matériau isolant électriquement (21), chaque élément conducteur électriquement étant revêtu latéralement d'une gaine isolante électriquement (23). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le poids des particules métalliques (19) est inférieur à 90 % du poids de la couche (17). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les particules métalliques (19) ont un diamètre moyen compris entre 0,01 et 5 pin. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche (27) comprend en outre des particules additionnelles (29) réparties dans le matériau isolant électriquement (21), les particules addition- nelles comprenant un matériau à changement de phase. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le poids des particules métalliques (19) et des particules additionnelles (29) est inférieur à 90 % du poids de la couche (27). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les particules additionnelles (29) ont un diamètre moyen compris entre 0,01 et 5 pin. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les éléments conducteurs 30 électriquement (9) comprennent des piliers métalliques. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le support (5) est une plaque d'interposeur ou une puce de circuits intégrés supplémentaire ou un boîtier de type à montage en surface.B12685 - 12-GR3C0-0459FR01 14 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau isolant électriquement (21) comprend un premier polymère époxyde. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendi5 cations 1 à 9, dans lequel la gaine isolante électriquement (23) comprend un deuxième polymère époxyde. 11. Procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : (a) prévoir un assemblage comprenant une puce de 10 circuits intégrés (3) montée sur un support (5), la puce de circuits intégrés et le support étant reliés par des éléments conducteurs (9) adaptés à conduire électriquement situés entre la puce de circuits intégrés et le support, chaque élément conducteur électriquement étant recouvert latéralement d'une 15 gaine isolante électriquement (23) ; (b) remplir le volume entre la puce de circuits intégrés et le support avec un matériau isolant électriquement (21) dans lequel sont réparties des particules métalliques (19) ; et (c) faire durcir le matériau isolant électriquement. 20 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, dans lequel le matériau isolant électriquement (21) comprend en (29) comprenant un matériau outre des particules additionnelles à changement de phase. 13. Procédé de fabrication selon la revendication 11 ou 25 12, dans lequel l'étape (a) comprend les étapes suivantes : (d) prévoir des premiers plots (32) surmontés de joints de brasure (34) disposés sur une face (36) de la puce de circuits intégrés (3) ; (e) prévoir des deuxièmes plots (44) disposés sur une 30 face (42) du support (5) ; (f) assembler la puce de circuits intégrés sur le support, chaque joint de brasure étant au contact de l'un des premiers plots et de l'un des deuxièmes plots, l'ensemble desdits premier plot, joint de brasure et deuxième plot formant 35 l'un des éléments conducteurs électriquement (9) ; etB12685 - 12-GR3C0-0459FR01 15 (g) former les gaines isolantes (23) autour des éléments conducteurs électriquement. 14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, comprenant les étapes suivantes : (h) prévoir un revêtement isolant (38) recouvrant la face (36) de la puce de circuits intégrés (3), les premiers plots (32) et les joints de brasure (34) ; (i) avant l'étape (f), graver ou imprimer le revêtement isolant en laissant des portions (40) du revêtement isolant 10 autour des premiers plots et au-dessus des joints de brasure ; et (j) à l'étape (g), faire fondre une partie des portions du revêtement isolant, la puce de circuits intégrés étant disposée au-dessus du support (5), la partie des portions du 15 revêtement isolant ayant fondue s'écoulant par gravité sur les surfaces latérales des deuxièmes plots (44).