Brevet FR3011977A1 — publié le 20150417

Dispositif électronique à puce de circuits intégrés et système électronique La présente invention concerne le domaine de la microélectronique. Il est connu de constituer des systèmes électroniques qui comprennent des dispositifs électroniques empilés les uns au-dessus des autres et reliés électriquement entre eux, incluant respectivement au moins une puce de circuits intégrés. L'empilement de dispositifs électroniques présente notamment les avantages d'améliorer les performances des liaisons électriques et de réduire l'encombrement. Il arrive néanmoins, dans certains cas, que certaines des puces de circuits intégrés produisent de la chaleur et que la chaleur produite réchauffe d'autres puces de circuits intégrés et dégrade alors les performances de ces dernières. C'est le cas notamment lorsqu'un premier dispositif électronique comprend une puce de processeur qui produit de la chaleur et qu'un second dispositif électronique empilé sur le premier comprend une puce de mémoires, dont en particulier le fonctionnement se dégrade lorsque sa température croît. Les circonstances ci-dessus constituent un obstacle l'augmentation des performances desdits systèmes électroniques telles que notamment les vitesses d'exécution de programmes. La situation qui consiste aujourd'hui à adopter un compromis entre les performances souhaitées desdits systèmes électroniques et leur encombrement n'est cependant pas satisfaisante, notamment dans le domaine des appareils portatifs tels que les téléphones portables. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif électronique qui comprend une plaque de substrat en une matière isolante, qui est munie d'un réseau de connexion électrique et qui porte, au-dessus d'une face, au moins une puce de circuits intégrés et dans lequel la plaque de substrat présente au moins un canal interne. Ledit canal interne peut contenir une matière conductrice de la chaleur. Ledit canal interne peut être aménagé à distance du réseau de connexion électrique. Ledit canal peut être aménagé dans la plaque de substrat sous la forme d'une rainure et la plaque de substrat peut comprendre une couche superficielle recouvrant cette rainure. La plaque de substrat peut présenter des canaux internes complémentaires reliés audit canal interne et reliés à un moyen de circulation d'un fluide. Le réseau de connexion électrique peut comprendre, sur un plan interne, un niveau métallique incluant des plots de connexion électrique et la plaque de substrat peut comprendre, sur ce plan interne, une couche intermédiaire recouverte par ladite couche superficielle et dans laquelle est aménagée ladite rainure, la couche intermédiaire et ladite couche superficielle présentant des ouvertures au-dessus de plots de connexion électrique et ladite rainure étant à distance de ces ouvertures. La profondeur de ladite rainure peut être inférieure à la profondeur de la face frontale du niveau métallique. Ledit réseau de connexion électrique peut comprendre, dans ledit niveau métallique, des plots de connexion électrique reliés à la puce par des éléments intermédiaires de connexion électrique et des plots de connexion électrique situés autour de la puce et, de l'autre côté de la plaque de substrat, des plots de connexion électrique. Il est également proposé un système électronique qui comprend le dispositif électronique ci-dessus et qui comprend un autre dispositif électronique placé au-dessus dudit dispositif électronique et comprenant une autre plaque munie d'un autre réseau de connexion électrique relié audit réseau de connexion électrique et portant au moins une autre puce de circuits intégrés reliée à cet autre réseau de connexion électrique. Ledit système peut comprendre une plaque de circuits imprimés portant ledit dispositif électronique par l'intermédiaire d'éléments métalliques extérieurs reliés audit réseau de connexion électrique. Des dispositifs électroniques et des systèmes électroniques, selon des modes de réalisation particuliers de la présente invention, vont maintenant être décrits à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par le dessin sur lequel : - la figure 1 représente une coupe d'un dispositif électronique ; - la figure 2 représente une vue de dessus du dispositif électronique de la figure 1 sans sa couche superficielle ; - la figure 3 représente une coupe agrandie partielle du dispositif électronique de la figure 1 ; et - la figure 4 représente un système électronique incluant le dispositif électronique de la figure 1. Comme illustré sur la figure 1, un dispositif électronique 1 comprend une plaque de substrat 2 en une matière isolante qui est munie d'un réseau métallique intégré de connexion électrique 3 d'une face à l'autre. Le réseau de connexion électrique 3 comprend un niveau métallique M1 formé sur un plan antérieur interne 4 de la plaque de substrat 2 et comprenant une pluralité de plots et/ou des lignes de connexion électrique 5 comprenant une matrice de plots de connexion électrique 5a aménagés sur une zone centrale du plan 4 et une matrice de plots de connexion électrique 5b aménagés sur une zone entourant cette zone centrale. La plaque de substrat 2 comprend une couche intermédiaire 6 formée sur le plan 4 et recouvrant le niveau métallique 5. Dans la couche intermédiaire 6, la plaque de substrat 2 présente des rainures 7a s'étendant en profondeur depuis la surface 8 de cette couche 6. Ces rainures 7s sont formées en des endroits ne passant pas au-dessus des plots de connexion électrique 5a et 5b. La plaque de substrat 2 comprend en outre une couche superficielle 10 formée sur la surface 8 de la couche 6 et recouvrant les rainures 7a de façon à aménager des canaux internes 7 formés à l'intérieur de la plaque de substrat 2. Les canaux internes 7 sont remplis d'une matière fluide 9 conductrice de la chaleur ou caloporteuse. A titre de fluide caloporteur, on peut utiliser ceux commercialisés sous la marque Galden HT. Selon une variante de réalisation, la matière fluide 9 conductrice de la chaleur peut être injectée à l'aide d'une seringue au travers de la couche superficielle 10, un évent étant aménagé au travers de la couche superficielle 10 pour permettre le remplissage. Le trou laissé par la seringue et cet évent peuvent être ensuite obturés grâce à des points de colle. La couche 6 et la couche superficielle 10 présentent des ouvertures 11 a et llb découvrant respectivement les plots de connexion électrique 5a et 5b, au moins partiellement. Le dispositif électronique 1 comprend en outre une puce de circuits intégrés 12 placée au-dessus de la plaque de substrat 2, du côté de la couche superficielle 10 et comprend des éléments métalliques de connexion électrique 13, par exemple sous forme de colonnes, engagés dans les ouvertures lla et interposés entre la puce 12 et les plots de connexion électrique 5a de façon à connecter la puce 12 et le réseau de connexion électrique 3. Le dispositif électronique 1 comprend également une matière isolante d'encapsulation 14 remplissant l'espace entre la puce 12 et la plaque de substrat 2. Optionnellement, le dispositif électronique 1 peut comprendre une couche 15 en une matière isolante sur la face frontale de la plaque de substrat 2 et entourant la puce 12. Par exemple, cette couche 15 affleure la face arrière frontale de la puce 12. Dans la couche 15, sont aménagées des ouvertures 16 découvrant les ouvertures 1 lb des couches 6 et 10. Sur les plots de connexion électrique lla et dans les trous formés par les ouvertures llb et 16, peuvent être placés des éléments de connexion électrique 17 tels que des billes. Comme illustré sur la figure 2, les canaux 7 peuvent être aménagés de façon à s'étendre entre les rangées des matrices de plots de connexion électrique 5a et 5b et périphériquement, en formant un circuit fermé. D'autres dispositions sont possibles. En particulier, plusieurs circuits fermés de canaux pourraient être prévus. Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 2, les canaux 7 peuvent être reliés à des canaux complémentaires 18, par exemple d'aller-retour, aménagés dans la couche 6 de la plaque de substrat 2, ces canaux 18 débouchant latéralement à la plaque de substrat 2 et pouvant être reliés à un moyen extérieur adapté de circulation d'un fluide de refroidissement 9. Selon une autre variante de réalisation, le dispositif électronique 1 peut être équipé, d'un composant intégrant une micro-pompe, fixé sur l'une des faces du dispositif par exemple par collage, cette micro-pompe étant reliée aux canaux internes 7 par exemple en deux endroits distants, au travers de la couche superficielle 10, de façon à faire circuler le fluide caloporteur 9 dans ces canaux internes 7. Comme illustré sur la figure 3, la profondeur P1 des rainures 7a est inférieure à la profondeur P2 de la face frontale du niveau métallique Ml, de telle sorte que des rainures 7a peuvent être aménagées de façon à passer au-dessus de lignes de connexion électrique du niveau métallique M1 sans les découvrir. Selon un mode de réalisation, la puce de circuits intégrés 12, qui peut être une puce de processeur, peut dégager de la chaleur. Cette chaleur dégagée peut être, au moins en partie et préférentiellement, captée par la matière 9 remplissant les canaux internes 7 et répartie substantiellement dans tout le volume de la plaque de substrat 2, c'est-à-dire aussi bien dans la zone de la puce 12 que dans la zone périphérique de cette dernière. Ainsi, la matière 9 conductrice de la chaleur constitue un moyen de captation et de répartition dans la masse de la plaque de substrat 2, au moins partielle, de la chaleur produite par la puce 12. Comme illustré sur la figure 4, le dispositif électronique 1 peut être inclus dans un système électronique 100 comprenant en outre un autre dispositif électronique 101 empilé à distance au-dessus du dispositif électronique 1 du côté de la puce 12. Le dispositif électronique 101 peut comprendre, porté par une plaque en une matière isolante 102 munie d'un réseau de connexion électrique 103, une puce de circuits intégrés 104 reliée électriquement au réseau de connexion électrique 103 par des fils de connexion électrique 105 noyés dans la plaque 102. Le dispositif électronique 101 est monté sur le dispositif électronique 1 par l'intermédiaire d'éléments de connexion électrique 106, tels que des billes métalliques, qui sont interposés entre eux et qui relient électriquement et sélectivement le réseau de connexion électrique 103 du dispositif électronique 101 au réseau de connexion électrique 3 du dispositif électronique 1 en étant soudés sur les éléments de connexion électrique 17 placés sur les plots 5b. En outre, le dispositif électronique 1, et en conséquence le système électronique 100, sont montés sur une plaque de circuits imprimés 107 par l'intermédiaire d'éléments de connexion électrique 108 tels que des billes métalliques, interposés entre des plots de connexion électrique 19 du réseau de connexion électrique 3 et des plots de connexion électrique 109 de la plaque de circuits imprimés 107. La disposition décrite ci-dessus à titre d'exemple présente les avantages suivants. La chaleur produite par la puce 4 et, comme décrit précédemment, transférée et répartie dans la plaque de substrat 2 grâce à l'existence des canaux 7 et de la matière 9 qu'ils contiennent, peut être transférée, au moins partiellement, à la plaque de circuits imprimés 107 par l'intermédiaire des éléments de connexion électrique 108. Le réseau de connexion électrique 3 de la plaque de substrat 2 participe au transfert de la chaleur produite par la puce 12 vers la plaque de circuits imprimés 107. En outre, la chaleur produite par la puce 4 se diffuse également dans l'espace séparant le dispositif électronique 1 et le dispositif électronique 100.pour être évacuée vers l'extérieur. Dans la mesure où la matière 9 est amenée à circuler dans les canaux 7 par des moyens extérieurs par l'intermédiaire des canaux complémentaires 18, la chaleur produite par la puce 4 peut ainsi être évacuée au moins partiellement par ce moyen. Ainsi, la puce 12 est refroidie et la diffusion en direction de la puce 104 du dispositif électronique 101, de la chaleur produite par la puce 12 du dispositif électronique 1, est limitée, de telle sorte que la puce 104 est protégée contre toute élévation excessive de sa température. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. Bien des variantes de réalisation des dispositifs électroniques et des moyens de transfert thermique et de refroidissement sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif électronique comprenant : une plaque de substrat (2) en une matière isolante, qui est munie d'un réseau de connexion électrique (3) et qui porte, au-dessus d'une face, au moins une puce de circuits intégrés (12), et dans lequel la plaque de substrat présente au moins un canal interne (7). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit canal interne (7) contient une matière conductrice de la chaleur. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel ledit canal interne (7) est aménagé à distance du réseau de connexion électrique (3). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit canal est aménagé dans la plaque de substrat sous la forme d'une rainure (7a) et la plaque de substrat comprend une couche superficielle (10) recouvrant cette rainure. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la plaque de substrat présente des canaux internes complémentaires (18) reliés audit canal interne (7) et reliés à un moyen de circulation d'un fluide. 6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le réseau de connexion électrique (3) comprend, sur un plan interne (4), un niveau métallique (M1) incluant des plots de connexion électrique (5) et la plaque de substrat comprend, sur ce plan interne, une couche intermédiaire (6) recouverte par ladite couche superficielle (10) et dans laquelle est aménagée ladite rainure (7a), la couche intermédiaire (6) et ladite couche superficielle présentant des ouvertures (11a, 11b) au-dessus de plots de connexion électrique et ladite rainure (a) étant à distance de ces ouvertures. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la profondeur de ladite rainure (7a) est inférieure à la profondeur de la face frontale du niveau métallique (M1). 8. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ledit réseau de connexion électrique (3) comprend, dans ledit niveau métallique (M1), des plots de connexion électrique (5a) reliés à la puce (12) par deséléments intermédiaires de connexion électrique (13) et des plots de connexion électrique (5b) situés autour de la puce et, de l'autre côté de la plaque de substrat, des plots de connexion électrique (19). 9. Système électronique comprenant un dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comprenant un autre dispositif électronique (101) placé au-dessus dudit dispositif électronique et comprenant une autre plaque (102) munie d'un autre réseau de connexion électrique (103) relié audit réseau de connexion électrique (3) et portant au moins une autre puce de circuits intégrés (104) reliée à cet autre réseau de connexion électrique (104). 10. Système selon la revendication 9, comprenant une plaque de circuits imprimés (107) portant ledit dispositif électronique (1) par l'intermédiaire d'éléments métalliques extérieurs (108) reliés audit réseau de connexion électrique (3).