Brevet FR3034253A1 — publié le 20160930

Dispositif de puce électronique à résistance thermique améliorée, et procédé de fabrication associé La présente invention porte sur un dispositif de puce électronique et un procédé fabrication associé. Un dispositif de puce électronique s'entend par la puce électronique elle-même et des éléments additionnels. Il est connu d'utiliser un radiateur ou échangeur thermique de très 10 haute conductivité thermique pour évacuer la chaleur dégagée par une puce électronique ou un empilement de puces électroniques. De tels échangeurs thermiques en cuivre ont une conductivité thermique de l'ordre de 350 W/m/°C, en Diamant (ou "like carbon" en langue 15 anglaise) une conductivité thermique de l'ordre de 1500 à 1800 W/m/°C, et en nanotubes de carbone une conductivité thermique de l'ordre de 1500 à 1800 W/m/°C. De tels radiateurs ou échangeurs thermiques ne permettent pas 20 de transmettre de chaleur dans la proportion de leur conductivité thermique respective car le paramètre prépondérant reste la résistance thermique de l'interface puce/radiateur, que ces radiateurs soient collés ou brasés. Comme illustré sur la figure 1, les résistivités thermiques (inverses 25 des conductivités thermiques) de chaque constituant de la chaîne thermique d'un dispositif de puce électronique, de la puce électronique 1 à l'élément d'échange thermique 2 s'ajoutent: - de l'interface 3, de résistivité R1, entre le matériau liant le radiateur et la 30 face arrière 4 de la puce (face opposée à la face active 5). L'interface est en général constituée d'un dépôt métallique sur la face arrière de la puce 1 afin d'éviter l'effet isolant thermique de la silice native 6 qui recouvre plus ou moins cette face en silicium et est de résistivité élevée. Ces matériaux peuvent être des alliages de tungstène W et de titane Ti, ou des alliages de 35 nickel Ni, de chrome Cr et d'or Au ...; 3034253 2 - de la résistivité R2 du matériau 7 qui assure la liaison mécanique avec l'élément d'échange thermique 2 qui peut être, par exemple, une colle thermique (dont la conductivité thermique varie d'environ 5 W/m/°C à 20 5 W/m/°C) ou une brasure plus ou moins riche en plorrb (dont la conductivité thermique varie de 35 à 50 W/m/°C; et - de la résistivité R3 du matériau 8 déposé sur l'élément d'échange thermique 2 pour assurer sa liaison, pouvant, par exemple, être un dépôt métallique réalisé sous vide. Plusieurs grands fabricants d'ordinateurs ont tenté de contourner la difficulté liée à la résistance thermique de l'interface en utilisant des techniques relativement efficaces mais très compliquées à mettre en oeuvre, comme IBM avec son calculateur IBM 3081, avait évité les résistances ou résistivités R1 + R2 + R3 des matériaux en mettant en contact directement les deux surfaces (face arrière de la puce et élément d'échange thermique ou radiateur). Les surfaces étaient polies de façon à aboutir à un pseudo collage des deux parties et conséquemment à supprimer quasiment la résistance inter faciale. Ce système très encombrant et coûteux a depuis été abandonné (cf R.0 Chu, U.P. Hwang and R.E. Simons, "Conduction Cooling for an LSI Package : A one dimensional Approach", IBM J. Res.Div., Vol 26, P45-54, 1982). Hitachi, avec son calculateur FACOM M-780, a contourné la difficulté en injectant le liquide de refroidissement sous pression directement sur la face arrière de la puce (cf H.Yamamoto, T.Udagawa and M.Suzuki, Cooling System for FACOM M-780, "Large Scale Computer in Cooling Technology for Electronic Equipment", W.Aung, Ed, Hemishere Publishing, p701-714, 1984). AT&T, avec son calculateur WE 32100 MICROPAC, a utilisé un substrat en silicium à la place du PCB, ainsi la chaleur traverse le silicium de la puce jusqu'au plan masse qui est lié au radiateur par un matériau organique (adhésif) donc peu conducteur de la chaleur (aux alentours de 5 à 3034253 3 10 °C/VV) (cf C.J.Bartlett, J.M. Segelken and N.A Tereketges, "Multichip Packaging Design for VLSI-based Systems", IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol., Vol CHMT-12 (N°4) p 647- 653, 1987). 5 La figure 2 représente une coupe d'un dispositif de puce 10 retournée ou "Flip chip" en langue anglaise, reportée sur un substrat. La puce électronique 10 comprend des plots 11 généralement répartis sur tout ou partie de sa surface active, sur lesquels des billes de brasure 12 ont été déposées. L'interconnexion électrique de la puce billée avec le substrat 13 10 est effectuée par re-fusion. La face arrière 14 de la puce 10 ou face non active peut être liée à un élément d'échange thermique 15 ou radiateur, afin de dissiper la chaleur générée par la puce 10 lors de son fonctionnement. Une partie de la chaleur se dirige vers les billes 12 15 d'interconnexion électrique en fonction de la résistance thermique du substrat 13 (générallement un PCB peu conducteur thermique). Les plots 11 sur lesquels sont brasées les billes 12 ont en général une métallurgie compliquée, du type Aluminium/Titane/Tungstène/Nickel/Or, l'épaisseur totale étant d'environ 1 pm. Lors de la re-fusion des billes 12, des alliages 20 intermétalliques se forment entre l'or, le nickel et la brasure à base de plomb, ces alliages sont en général assez peu conducteur thermiques (20 à 50 W/m/°C). Une autre partie de la chaleur va se diriger vers la face arrière 14 25 de la puce 10, c'est pourquoi l' élément d'échange thermique 15 est en général placé sur cette face arrière 14. La chaleur traverse le silicium constituant la puce 10 et dont la conduction thermique est de 140 W/m/°C, ce qui est beaucoup plus élevé 30 que celle des billes 12 mais beaucoup moins élevé que celle de l'élément d'échange thermique 15, généralement en cuivre (390 W/m/°C). Le flux thermique traverse ensuite l'interface 16 constituée d'un dépôt métallique (environ 1 pm), puis la brasure elle-même 17 dont la 35 conductivité thermique est de l'ordre de 40 W/m/°C. 3034253 4 Le flux thermique arrive ensuite dans l'élément d'échange thermique 15 pour y être dissipé. 5 Lors de la conception de la puce, les zones de noeuds de courant (points chauds) sont connus et localisées afin d'ajouter préférentiellement des plots thermiques à ces endroits sur le masque de photogravure qui de toute façon est nécessaire pour les plots électriques. 10 L'utilisation du câblage par écrasement de boule, ou "bail bonding" en langue anglaise, aux ultrasons, permet de souder un fil sur un plot, généralement en aluminium, des puces. Le frottement induit par le déplacement de l'outil de soudure aux ultra sons qui, à la fréquence des ultra sons, est de l'ordre de 0,1 pm permet d'élever la température de l'interface à 15 une température de 500°C à 600 °C. Cette températue élevée eu égard aux températures de fusion de l'aluminium constituant généralement les plots (660°C) et de l'or (1064 °C) constituant généralemOElt le fil, permet une auto-diffusion des atomes d'aluminium du plot et des atomes d'or du fil ; autrement dit, cela constitue une liaison métallurgique parfaite, également 20 nommée "solution solide", sans aucune interface puisqu'il y a "interpénétration" des atomes respectifs d'or et d'aluminium, de l'ordre de quelques ilm. La figure 3A représente un plot 20 en aluminium ou alliage 25 d'aluminium recouvert d'une couche native 21 plus ou moins continue d'oxyde d'aluminium A1203. La figure 3B représente la même surface de plot après soudure aux ultrasons de la boule 22 du fil (par exemple en or), où l'oxyde 30 d'aluminium a été détruit grâce aux ultrasons, et la liaison entre la boule en or et le plot en aluminium est le résultat d'une auto diffusion ou inter diffusion 23 des atomes d'or et d'aluminium lors de la soudure, en d'autres termes, il y a une liaison métallurgique sans interface. 3034253 5 Aussi, en référence à la puce retournée de la figure 2, on observe que l'interface entre la bille 12 et le plot 11 de la puce 10 est supprimée, par ailleurs, la conductivité thermique de la bille 12 qui est de l'ordre de 30 à 40 W/m/°C est remplacée par celle des fils en or (317 W/m/°C) ou argent (429 5 W/m/°C) soit environ dix fois plus. D'autre part, la partie du flux thermique passant par la face arrière 14 doit traverser le silicium (140 W/m/°C) et les interfaces 16 et 17 avant d'arriver sur l'élément d'échange thermique 15. Un but de l'invention est de pallier ces problèmes. 10 Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un dispositif de puce électronique à résistance thermique améliorée, comprenant au moins un plot de connexion électrique avec liaison d'interconnexion électrique, au moins un plot thermique disposé sur une face de la puce, au moins un élément 15 d'échange thermique, et au moins une liaison thermique entre un plot thermique et un élément d'échange thermique. Ainsi, l'évacuation de la chaleur dégagée par l'activité de la puce électronique est améliorée, en évitant la présence d'une interface entre la 20 puce et l'élément d'échange thermique ou radiateur. On se retrouve dans la situation des fabricants de gros ordinateurs qui dans les années 1980 avaient cherché à réduire la résistance thermique de l'interface avec la puce en utilisant des moyens très lourds qui 25 n'éliminaient pas totalement cette résistance thermique. Selon un mode de réalisation, une partie dudit élément d'échange thermique disposée en vis-à-vis d'un plot thermique comprend une ouverture. 30 Ainsi, il est aisé de réaliser les liaisons thermiques entre la puce et l'élément d'échange thermique. Dans un mode de réalisation, ladite liaison thermique comprend 35 au moins un fil thermiquement conducteur, par exemple sous forme de 3034253 6 nappe. Des rubans en or, cuivre ou argent peuvent être soudés également mais in fine ce qui compte c'est la somme des aires soudées que ce soit avec des fils cylindriques ou des rubans. 5 L'utilisation de fils thermiquement conducteur comme liaison thermique est maintenant aisée à réaliser et de coût réduit. Dans un mode de réalisation, la face de la puce comprenant au moins un plot thermique peut être la face active ou face avant de la puce. 10 Ainsi, on a une conduction de la chaleur, directement des points chauds de la face active (avant) de la puce sans passer par la face passive (arrière) de al puce. 15 En outre, une unique étape de photogravure de la face active de la puce permet de réaliser les plots de connexion électrique et les plots de connexion thermique. Par exemple, une partie d'un élément d'échange thermique, située 20 en vis-à-vis d'un plot de connexion électrique avec liaison d'interconnexion électrique de la puce électronique, est surélevée de manière à éviter un contact avec ladite liaison d'interconnexion électrique. Ainsi, l'évacuation de la chaleur est améliorée sans créer de 25 problèmes sur la liaison électrique des plots électriques. En variante, la face de la puce comprenant au moins un plot thermique est la face passive ou face arrière de la puce. 30 Ceci est particulièrement utile lorsque la face active de la puce a trop de plots électriques par rapport à sa surface ou lorsque les fréquences élevées de travail de la puce seraient perturbées par des plots thermiques qui pourraient faire un couplage électronique avec certains signaux. 3034253 7 Par exemple, le dispositif de puce électronique comprend un substrat dans lequel, une partie, située en vis-à-vis de plots de connexion électrique avec liaison d'interconnexion électrique de la face active, est munie d'une ouverture de manière à éviter un contact avec ladite liaison 5 d'interconnexion électrique. Ainsi, lorsque des puces, avec face active en bas, sont câblées directement sur le substrat, grâce à une ouverture dans celui-ci comme; il n'est pas possible de placer des plots thermiques sur cette face active, alors 10 ils peuvent être placés sur la face non active (passive) et être connectés à l'élément d'échange thermique grâce à des fils thermiques. Il est également proposé un empilement d'au moins un dispositif de puce électronique tels que décrits précédemment, dans lequel une partie 15 d'un élément d'échange thermique, située en vis-à-vis d'un plot de connexion électrique avec liaison d'interconnexion électrique d'une puce électronique, comprend une ouverture évitant un contact avec ladite liaison d'interconnexion électrique. 20 Un tel empilement de puces est la densification de la fonction électronique mais cela conduit à accroître la densité de puissance par unité de volume et limite ainsi le nombre de puces empilables. Il est également proposé, selon un aspect de l'invention, un 25 procédé de fabrication d'un dispositif de puce électronique ou d'un empilement de dispositifs de puce électronique, comprenant une étape de photogravure sur la face active de la puce ou des puces, utilisant un masque comprenant au moins une ouverture destinée à un plot de connexion électrique, et au moins une ouverture destinée à un plot thermique. 30 L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 et 2 illustrent schématiquement des puces électroniques 35 selon l'état de la technique connu; 3034253 8 - les figures 3a et 3b illustrent schématiquement un câblage ..... selon l'état de la technique connu; 5 - les figures 4 et 5 illustrent un dispositif de puce (2D), selon un aspect de l'invention; et - la figure 6 illustre un empilement de dispositifs de puce électronique, selon un aspect de l'invention. 10 Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires. les modes de réalisation décrits sont nullement limitatifs. 15 Dans la présente description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails. La figure 4 représente un dispositif 30 de puce électronique 2D 31, sous forme de boîtier. Un plot de connexion électrique 32 avec des liaisons 20 d'interconnections électriques, tel un fil électrique 33. Des plots thermiques 34 sont reliés par des liaisons thermiques 35, à un élément d'échange thermique 36. 25 Sur l'exemple représenté, particulièrement intéressant, une partie 37 de l'élément d'échange thermique 36, située au-dessus de plots de connexion électrique 32 avec liaisons d'interconnections électriques 33 de la puce électronique 31, est surélevée de manière à éviter un contact avec lesdites liaisons d'interconnections électriques 33. 30 L'élément d'échange thermique 36 ou radiateur peut être collé avec une colle souple du type élastomère, ce qui est très important car les nouvelles technologies de puces à faible constante diélectrique appelées " Cu/low-k devices" en langue anglaise acceptent très mal les contraintes 35 mécaniques. La colle souple peut être à base silicone donc très déformable ; ces colles sont très mauvaises conductrices de la chaleur (inférieure à 3034253 9 1W/m/°C) et conduisent à des résistances thermiques très élevées (de l'ordre de quelques °C/W à quelques dizaines de °CW). Ceci est totalement évité grâce au câblage des fils de liaison thermique 35 sur l'élément d'échange thermique 36 qui assure un découplage mécanique total. La puce 31 est collé au substrat 39 par une colle 40. Des plots 41 du substrat peuvent relier électriquement le substrat 39 à des plots électriques 32 de la puce 31 par les fils électriques 33 en ne contraignant pas mécaniquement la puce. L'élément d'échange thermique 36 comprend des parties surélevées afin d'éviter de toucher les fils de liaison électrique 33. L'élément d'échange thermique 36 pourrait dépasser du boîtier sur 15 un ou 4 côtés de façon à constituer des ailettes qui permettraient encore un meilleur refroidissement dans le cas d'un refroidissement par convection. Sur la figure 4, l'élément d'échange thermique 36 affleure un ou plusieurs côtés du boîtier, il peut ensuite être lié à une source froide. 20 Dans les modes de réalisations décrits, lors de la conception de la puce, les zones de noeuds de courant (points chauds) sont regroupés, de manière à ajouter préférentiellement des plots thermiques à ces endroits sur le masque de photogravure également nécessaire pour les plots électriques. 25 Sur la figure 4, la face active ou face avant 42 est au-dessus et la face passive ou face arrière 43 est au-dessous. La puce 31 est prise dans de la résine 44. Le substrat 39 est muni de billes 45 prêtes pour être reportées sur 30 un substrat par exemple un circuit imprimé. La figure 5, représente une variante pour un dispositif 50 de puce 2D 51, sous forme de boîtier. Beaucoup de dispositifs 50 de puce 51 utilisés comme mémoires, sont câblées comme sur la figure 5, avec la face active 35 52 vers le bas, directement câblée sur le substrat 53, au moyen de plots de 5 10 3034253 10 connexion électrique 54 et de fils électriques 55 passant par une ouverture 64 dans le substrat 53. Il est donc possible d'utiliser la face passive 56 de la puce 51 pour transférer de la chaleur via les fils thermiques 57, et l'élément d'échange thermique 58. l'intérêt de cette approche est l'utilisation d'un élément d'échange thermique 59 qui doit être découplé mécaniquement pour ne pas contraindre la puce 51; la colle souple 60 utilisée, généralement de la famille des élastomères, conduit très mal la chaleur (moins de 1W/m/°C). La colle souple 60 est disposée sur un dépôt 61, généralement d'or et de nickel, considéré comme un plot thermique de grande taille sur la puce électronique 51. La puce électronique 51 est prise dans de la résine 62, et est collée au substrat 53 par de la colle 63. Le substrat 53 est muni de billes 61 prêtes pour être reportées sur un substrat par exemple un circuit imprimé. La figure 6 présente une application 3D, permettant de réaliser un 20 empilement d'au moins un dispositif de puce électronique lorsque les niveaux ou dispositifs de puce électronique sont empilés. La figure 6 représente une vue de dessus d'un dispositif de l'empilement. Le radiateur ou élément d'échange thermique 70 transfère la 25 chaleur par exemple grâce à quatre bretelles ou pattes 71 situées dans les quatre coins de l'élément d'échange thermique 70, disposés au-dessus des quatre coins de la puce électronique 72. D'autres dispositions des bretelles ou pattes 71 peuvent, en 30 variante, être utilisée, cela dépendant de la position des plots électriques 73 et fils électriques 74 de liaison électrique de la puce électronique 72. Sur la figure 6, les plots électriques 73 et fils électriques 74 étant situés sur des bords de la puce électronique 72, le radiateur ou élément 35 d'échange thermique 70 peut ou non être surélevé de manière à éviter un 5 10 15 3034253 11 contact avec les fils électriques 74. De toute façon, il ne peut y avoir de fils électriques 74 sous le radiateur 70 ou sous les bretelles 71 car, après empilage, le sciage du module mettrait en correspondance les sections des fils électriques 74 avec les sections des bretelles 71 du radiateur 70 ce qui 5 établirait un court-circuit. Dans le mode particulièrement intéressant de la figure 6, l'élément d'échange thermique 70 comprend une découpe pertinente de sorte à éviter tout contact avec les fils électriques 74. 10 Des fils de liaison thermique 75 sont câblés sur des plots thermiques 76 disposés sur la face active de la puce électronique 72. Les fils thermiques 75 sont connectés à l'élément d'échange 15 thermique 70 par câblage au travers d'ouvertures 77 réalisées dans l'élément d'échange thermique 70, en vis-à-vis des plots thermiques 76. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un dispositif de puce électronique 30, 50 ou d'un empilement (puce 3D) de 20 dispositifs de puce électronique 30, 50, comprenant une étape de photogravure sur la face active de la puce ou des puces, utilisant un masque comprenant au moins une ouverture destinée à un plot de connexion électrique, et au moins une ouverture destinée à un plot thermique. 25 Ainsi, la présente invention permet d'améliorer transfert de chaleur depuis les points chauds de la surface active très fine de la puce (moins de 1 pm) jusqu'à l'évacuation de celle-ci sans passer par les résistances thermiques des interfaces. 30 En outre, l'invention ne nécessite pas d'étapes supplémentaires de traitement des puces. L'invention met en oeuvre une interconnexion thermique directement à la source de l'émission de chaleur, et non après que la chaleur ait traversé la puce pour se connecter sur la face passive. 35 3034253 12 L'invention met en oeuvre une méthode de câblage par écrasement de boule, ou "bail bonding" en langue anglaise très largement utilisée dans l'interconnexion des puces, y compris des puces de dernières générations. En effet, celles-ci étant constituées de diélectriques très 5 sensibles aux contraintes appelés "Cu/low-k devices" en langue anglaise, leur câblage nécessite des équipements industriels spéciaux et notamment un câblage "en douceur" ou "soft landing" en langue anglaise, le câblage des plots thermiques utilsise ce même procédé. 10 Ces puces de dernières générations supportent très mal les contraintes thermo-mécaniques, c'est pourquoi, les fabricants de boîtiers plastiques les encapsulant ont dû modifier les propriétés des résines (coefficient de dilatation passant de 12 à 7 ppm/°Q ; autrement dit, les techniques utilisant des fils coupés à une hauteur d'environ 30 à 50 ilm ou 15 "studs" en langue anglaise, qui doivent ensuite être liés par brasure par exemple à un radiateur en cuivre; la liaison entre le radiateur et la puce est quasi rigide et les contraintes imposées par le radiateur sont reportées sur la puce, par ailleurs, la liaison par brasage d'une multitude de studs est délicate à réaliser à cause des contraintes de dilatation différentielles. 20 Enfin, il n'est pas interdit de réaliser la même approche sur la face arrière de la puce, avec l'inconvénient de devoir traverser l'épaisseur de silicium, à condition de métalliser celle-ci comme les plots de la face active. 25 REVENDICATIONS1. Dispositif (30, 50) de puce électronique (31, 51, 72) à résistance thermique améliorée, comprenant au moins un plot de connexion électrique (32, 54, 73) avec liaison d'interconnexion électrique (33, 55, 74), au moins un plot thermique (34, 61, 76) disposé sur une face de la puce, au moins un élément d'échange thermique (36, 59, 70), et au moins une liaison thermique (35, 57, 75) entre un plot thermique (34, 61, 76) et un élément d'échange thermique (36, 59, 70). 2. Dispositif de puce électronique selon la revendication 1, dans lequel une partie dudit élément d'échange thermique (36, 59) disposée en vis-à-vis d'un plot thermique (34, 61) comprend une ouverture. 3. Dispositif de puce électronique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite liaison thermique comprend au moins un fil thermiquement conducteur (35, 57). 4. Dispositif de puce électronique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la face de la puce comprenant au moins un plot thermique (34) est la face active (42) de la puce. 5. Dispositif de puce électronique selon la revendication 4, dans lequel une partie (37) d'un élément d'échange thermique, située en vis-à-vis de plots de connexion électrique (32) avec liaison d'interconnexion électrique (33) de la puce électronique, est surélevée de manière à éviter un contact avec ladite liaison d'interconnexion électrique (33). 6. Dispositif de puce électronique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la face de la puce comprenant au moins un plot thermique (61) est la face passive (56) de la puce. 7. Dispositif de puce électronique selon la revendication 6, dans lequel le dispositif de puce électronique comprend un substrat (53) 3034253 14 dans lequel, une partie, située en vis-à-vis de plots de connexion électrique (54) avec liaison d'interconnexion électrique (55) de la face active (52), est munie d'une ouverture de manière à éviter un contact avec ladite liaison d'interconnexion électrique (55). 5 8. Empilement d'au moins un dispositif de puce électronique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel une partie d'un élément d'échange thermique (70), située en vis-à-vis d'un plot de connexion électrique (73) avec liaison d'interconnexion électrique (74) 10 d'une puce électronique (72), comprend une ouverture (77) évitant un contact avec ladite liaison d'interconnexion électrique (74). 9. Empilement selon la revendication 8, dans lequel ledit élément d'échange thermique (70) comprend des pattes (71) disposées en 15 vis-à-vis des coins de la puce correspondante. 10. Procédé de fabrication d'un dispositif de puce électronique (30, 50) selon l'une des revendications 1 à 7, ou d'un empilement de dispositifs de puce électronique (30, 50) selon l'une des 20 revendications 8 ou 9, comprenant une étape de photogravure sur la face active de la puce ou des puces, utilisant un masque comprenant au moins une ouverture destinée à un plot de connexion électrique, et au moins une ouverture destinée à un plot thermique. 25