Brevet FR3047111A1 — publié le 20170728

Assemblage comprenant des moyens d'interconnexion mixtes comportant des éléments intermédiaires d'interconnexion et des joints frittés métalliques et procédé de fabrication Le domaine de l'invention est celui de l'assemblage 3D de semi- conducteurs comprenant des interconnexions électriques. Les solutions d'assemblage 3D présentent un grand intérêt pour différentes applications en microélectronique et en électronique de puissance. La connectique entre la puce et le circuit peut être réalisée par différentes techniques et notamment par câblage filaire couramment dénommé « wire bonding », par des rubans ou par les technologies de type report « Flip Chip ». Le microcâblage ou assemblage par fils est la technologie la plus ancienne et la plus répandue dans l'industrie de la micro-électronique pour réaliser l'interconnexion d'un circuit en "puce" avec son environnement (boitier, circuit imprimé, circuit hybride ..), il peut s'agir de « Wedge bonding » ou de « Bali bonding » : dans la technique de « wedge bonding », un fil, le plus souvent en aluminium est amené par l'outil (appelé stylet ou aiguille), puis appliqué sur le plot à souder. La liaison entre le fil et la zone à connecter s'effectue en combinant pression et vibration ultrasonore. Il s'agit d'une soudure « à froid». C'est l'énergie ultrasonique qui entraine un ramollissement du fil semblable à l'effet obtenu par une élévation de température. Le fil est en suite guidé par l'outil sur le second plot et une soudure est effectuée ; dans la technique de « Ball bonding », par exemple un fil d'or passe à travers un capillaire chauffé (100 à 200 °Q. La boule formée à la sortie du capillaire (par la décharge d'un condensateur ou par une flamme d'hydrogène) est soudée sur un plot de sortie du circuit. Le capillaire est ensuite déplacé pour effectuer la deuxième soudure. Le fil est arraché par le capillaire, une nouvelle boule est reformée et une nouvelle connexion peut être effectuée. Les avantages des assemblages « Flip Chip » sont nombreux 35 comme la forte intégration, la faible inductance parasite, et une meilleure évacuation du flux thermique généré par les semi-conducteurs. 3047111 2 La réalisation des interconnexions avec des « bumps » en soudure figure parmi l'une des techniques les plus utilisées en assemblage « Flip Chip », et consiste à déposer de la pâte à braser sur des plots de connexion couramment dénommés par l'homme de l'art « pad » localisés sur 5 le circuit ou sur le composant électronique puis à aligner le composant et le circuit pour faire correspondre chaque « pad » de circuit au « pad » de semiconducteur. Le circuit et le substrat sont mis en contact et un procédé de brasage est réalisé permettant d'assurer le contact électrique et mécanique 10 entre le semi-conducteur et le substrat. Cette technique n'est pas pratique pour toutes les applications et peut avoir plusieurs désavantages comme la nécessité des couches métalliques spécifiques sur les plots à connecter impliquant des procédés additionnels et par suite des coûts élevés, la nécessité d'une température au moins égale à celle de la fusion de la 15 brasure, et la difficulté de rattraper une différence de plusieurs pm ou plusieurs dizaines de pm de hauteur pouvant être présente sur certains composants. De plus, le procédé de brasage induit un risque de court circuit non négligeable lorsque les distances entre électrodes sont faibles suite à l'écoulement de la brasure lors de sa fusion. 20 Une autre alternative comme le frittage direct de nanoparticules peut être utilisée comme décrit dans le brevet US 8,257,795 B2 « Nanoscale metal paste for interconnect and method of use». Elle consiste à remplacer la connexion dénommée couramment « bump » de brasure de la technique de « bump » en soudure par une pâte de nanoparticule (Ag, Au ou Cu) à fritter. 25 Cette technologie présente également des inconvénients comme la nécessité d'une métallisation adaptée des plots (Au ou Ag mais non compatible avec l'Al très souvent utilisée comme finition des puces électroniques). Un second désavantage de cette technique est la faible hauteur du joint (généralement 10 microns) qui peut limiter la fiabilité 30 thermomécanique des joints ainsi que le choix des underfills (matériaux encapsulant) qui doivent remplir les gaps (le plus souvent par capillarité). L'interconnexion par « stud bump » consiste quant à elle, à utiliser une machine de câblage « ball bonding ». Plus précisément, une bille du métal est attachée au plot par 35 utilisation des techniques de thermosonique ou thermo-compression. Le fil 3047111 3 est coupé juste après la bille formant la forme de « stud bump » encore dénommé élément intermédiaire d'interconnexion. Ensuite les « stud bumps » formés sur le plot de connexion du semi-conducteur ou sur celui du circuit sont attachés à l'autre plot de connexion par thermo-compression Un 5 inconvénient de cette technique est la possibilité d'avoir des problèmes d'adhésion entre la métallisation et le « stud bump » lors de la thermocompression due à l'absence ou à la faible épaisseur de la couche métallique nécessaire. Le brevet US 2002/0093108 Al « FLIP CHIP PACKAGED SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING DOUBLE STUD BUMPS io AND METHOD OF FORMING SAME » permet d'éviter ce problème en réalisant des « stud bumps » coté circuit et semi-conducteurs et en venant thermo-compresser « stud bump » sur « stud bump » après. Le second inconvénient est la nécessité d'une pression et d'une température élevée pour assurer l'assemblage par thermo-compression ce qui n'est pas 15 compatible avec les composants sensibles à la pression. De plus, cette technique d'assemblage ne permet pas de rattraper une différence de hauteur de plusieurs pm ou plusieurs dizaines de pm pouvant être présente sur certains composants suite au procédé de fabrication. La présente invention vise à résoudre un ou plusieurs des 20 inconvénients des différentes techniques citées ci-dessus. Elle consiste à réaliser des interconnexions électriques et mécaniques mixtes comprenant des éléments d'interconnexion dits intermédiaires pouvant correspondre par exemple à des « stud bumps » combinés avec des joints frittés obtenus par exemple à partir de pâte ou de film de microparticules ou de nanoparticules 25 métalliques. Plus précisément, la présente invention a pour objet un assemblage comprenant : - au moins un premier élément comprenant au moins un premier 30 plot de connexion électrique ; - au moins un second élément comprenant au moins un second plot de connexion électrique ; - des moyens d'interconnexion électrique et mécanique caractérisé en ce que lesdits moyens d'interconnexion électrique et 35 mécanique comprennent : 3047111 4 - au moins un premier élément intermédiaire métallique d'interconnexion, à la surface d'au moins le premier plot de connexion électrique ; - au moins un joint fritté de microparticules ou de nanoparticules 5 métalliques empilé avec ledit premier élément intermédiaire d'interconnexion ; - la température de fusion dudit premier élément intermédiaire d'interconnexion étant supérieure à la température de frittage desdites microparticules ou desdites nanoparticules io métalliques. Un des intérêts de la présente invention réside dans le fait que les éléments intermédiaires d'interconnexion sont préalablement définis, et présentent une tenue en température qui n'est pas altérée par le frittage des microparticules ou des nanoparticules métalliques, permettant de réaliser 15 des interconnexions d'éléments empilés hétérogènes qui assurent les fonctionnalités recherchées. Selon des variantes de l'invention, l'assemblage comporte en outre au moins un second élément intermédiaire métallique d'interconnexion, à la surface d'au moins un second plot de connexion 20 électrique. Selon des variantes de l'invention, au moins l'un des éléments comprend un composant semi-conducteur. Selon des variantes de l'invention, au moins l'un des éléments comprend un circuit électronique. 25 Selon des variantes de l'invention, au moins l'un des éléments est un substrat céramique pouvant être en A1203 ou en Si3N4 ou en AIN et pouvant comporter au moins une couche métallique sur l'une de ses faces. Selon des variantes de l'invention, le au moins premier plot de connexion et/ou le au moins second plot de connexion est(sont) en argent ou 30 en or ou en cuivre. Selon des variantes de l'invention, le au moins second plot de connexion est en aluminium, le au moins premier plot de connexion étant en argent ou en or ou en cuivre. En effet, cela permet la réalisation de l'opération de frittage nécessaire qui ne peut être réalisée sur un plot de connexion en aluminium. 3047111 5 Dans, le cas d'un assemblage comprenant au moins un premier élément intermédiaire d'interconnexion et au moins un second élément intermédiaire d'interconnexion, isolant ainsi au moins un premier plot de connexion d'au moins un joint fritté et au moins un second plot de connexion s dudit joint fritté, il est possible d'avoir des plots de connexion en aluminium au niveau d'au moins un des deux éléments. L'assemblage peut ainsi comprendre un au moins second plot de connexion en aluminium, et/ou un au moins premier plot de connexion en aluminium. Selon des variantes de l'invention, l'élément intermédiaire 10 d'interconnexion est une bille métallique pressée. Selon des variantes de l'invention, le joint fritté est en argent ou en or ou en cuivre ou en alliage de métaux comprenant deux des métaux précités. Selon des variantes de l'invention, le joint fritté a une épaisseur de 15 l'ordre de quelques microns, pouvant être comprise entre 1 micron et quelques dizaines de microns. Selon des variantes de l'invention, l'élément intermédiaire d'interconnexion a une épaisseur de l'ordre de plusieurs dizaines de microns, pouvant être comprise entre 10 microns et 100 microns. 20 Selon des variantes de l'invention, l'assemblage comportant plusieurs éléments intermédiaires d'interconnexion, au moins une partie des interconnexions comprenant lesdits joints et lesdits éléments intermédiaires d'interconnexion présentent des hauteurs différentes de joints et/ou d'éléments d'interconnexion. 25 L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un assemblage comportant : - au moins un premier élément comprenant au moins un premier plot de connexion électrique ; - au moins un second élément comprenant au moins un second 30 plot de connexion électrique ; - des moyens d'interconnexion électrique et mécanique comprenant au moins un premier élément intermédiaire métallique d'interconnexion, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : 3047111 6 - la réalisation d'au moins un premier élément intermédiaire d'interconnexion métallique sur au moins un premier plot de connexion; - l'utilisation d'au moins une pâte ou un film de microparticules ou s nanoparticules métalliques ; - une opération de frittage de ladite pâte ou dudit film de microparticules ou nanoparticules métalliques, de manière à réaliser un joint fritté empilé avec au moins ledit élément intermédiaire d'interconnexion ; io - la température de fusion dudit premier élément intermédiaire d'interconnexion étant supérieure à la température de frittage desdites microparticules ou des nanoparticules métalliques. Selon des variantes de l'invention, le procédé comprend en outre la réalisation d'au moins un second élément intermédiaire d'interconnexion 15 métallique sur au moins un second plot de connexion. Selon des variantes de l'invention, l'opération de frittage est réalisée à une faible pression inférieure à 100 g/cm2. Selon des variantes de l'invention, le procédé comprend en outre l'application d'une première pression sur au moins ledit premier élément 20 intermédiaire d'interconnexion, avant l'opération de frittage. Selon des variantes de l'invention, l'élément intermédiaire d'interconnexion est réalisé à la surface d'au moins un plot de connexion électrique, à partir d'un fil métallique en formant une bille métallique rendue solidaire dudit plot de connexion électrique par une technique thermosonique 25 ou par thermocompression. Selon des variantes de l'invention, l'élément intermédiaire est un pilier métallique, ledit pilier métallique (pouvant être en cuivre) peut être réalisé selon les procédés classiques de la microélectronique utilisant la photolithographie de résine et l'électro-déposition du cuivre pour former des 30 piliers métalliques sur des substrats. La découpe du substrat pour avoir des pièces unitaires (puces) peut être faite généralement après l'obtention des piliers. Selon des variantes de l'invention, l'opération de frittage est réalisée à une seconde pression inférieure à ladite première pression. 3047111 7 Selon des variantes de l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes : - la réalisation d'au moins un premier élément d'interconnexion électrique à la surface d'au moins un premier plot de connexion s électrique ; - le dépôt d'une pâte de microparticules ou de nanoparticules métalliques à la surface d'au moins ledit premier élément intermédiaire d'interconnexion ; - le positionnement d'au moins un second plot de connexion 10 électrique en regard d'au moins ledit premier plot de connexion électrique pour former un ensemble comprenant au moins le premier élément et le second élément ; - une opération de frittage de ladite pâte de manière à former au moins un joint fritté métallique. 15 Selon des variantes de l'invention, le procédé comprend le chauffage et le pressage dudit premier élément intermédiaire d'interconnexion mis en contact avec un film sec de microparticules ou de nanoparticules métalliques pouvant être à la surface d'un support souple, conduisant à la pénétration d'une partie dudit premier élément intermédiaire 20 dans ledit film sec métallique, à la cassure dudit film sec et à la formation d'au moins un élément de film sec métallique de microparticules ou de nanoparticules à la surface d'au moins ledit élément intermédiaire d'interconnexion. L'invention a aussi pour objet un assemblage obtenu selon le 25 procédé de fabrication de l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : 30 - les figures la à lf illustrent les principales étapes d'un premier exemple de procédé de fabrication d'un assemblage selon l'invention ; - les figures 2a à 2f illustrent les principales étapes d'un second exemple de procédé de fabrication d'une seconde variante 3047111 8 d'assemblage selon l'invention, comprenant des seconds éléments intermédiaires d'interconnexion ; les figure 3a à 3f illustrent les principales étapes d'un troisième exemple de procédé de fabrication d'un assemblage selon 5 l'invention avec utilisation d'un film sec de nanoparticules métalliques ; les figures 4a à 4e illustrent un exemple de procédé avec la réalisation de piliers métalliques ; les figures 5a et 5b illustrent les caractéristiques électriques d'un 10 composant HEMT en nitrure de Gallium assemblé en « flip chip » sur un circuit de type DBC. La présente invention a pour objet un assemblage et un procédé de fabrication d'un assemblage permettant de réaliser des interconnexions 15 électriques pouvant fonctionner à des températures supérieures à 300 °C avec un profil de température de procédé inférieur à 250 °C et des pressions très faibles REVENDICATIONS1. Assemblage comprenant : - au moins un premier élément (100) comprenant au moins un premier plot de connexion électrique (12) ; - au moins un second élément (200) comprenant au moins un second plot de connexion électrique (21) ; - des moyens d'interconnexion électrique et mécanique, caractérisé en ce que lesdits moyens d'interconnexion électrique et 10 mécanique comprennent au moins : - au moins un premier élément intermédiaire métallique d'interconnexion (13), à la surface d'au moins le premier plot de connexion électrique ; - au moins un joint fritté (14) de microparticules ou de 15 nanoparticules métalliques empilé avec ledit premier élément intermédiaire d'interconnexion (13) ; - la température de fusion dudit premier élément intermédiaire d'interconnexion étant supérieure à la température de frittage desdites microparticules ou desdites nanoparticules 20 métalliques. 2. Assemblage selon la revendication 1, comportant en outre au moins un second élément intermédiaire métallique d'interconnexion (13), à la surface d'au moins le second plot de connexion électrique. 25 3. Assemblage selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel au moins l'un des éléments comprend un composant semi-conducteur. 4. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel 30 au moins l'un des éléments comprend un circuit électronique. 5. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel au moins l'un des éléments est un substrat céramique pouvant être en A1203 ou en Si3N4 ou en AIN et pouvant comporter au moins une couche métallique 35 sur l'une de ses faces. 3047111 19 6. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit plot de connexion est en argent ou en or ou en cuivre. 7. Assemblage selon la revendication 2 dans lequel, le au moins s second plot de connexion est en aluminium, et/ou le au moins premier plot de connexion est en aluminium. 8. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'élément intermédiaire d'interconnexion est une bille métallique pressée. 9. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le joint fritté est en argent ou en or ou en cuivre ou en alliage de métaux comprenant deux des métaux précités. 10. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le joint fritté a une épaisseur de l'ordre de quelques microns, pouvant être comprise entre 1 micron et quelques dizaines de microns. 11. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé 20 en ce que l'élément intermédiaire d'interconnexion a une épaisseur de l'ordre de plusieurs dizaines de microns, pouvant être comprises entre 10 microns et 100 microns. 12. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 11, 25 comprenant plusieurs éléments intermédiaires d'interconnexion et dans lequel, au moins une partie des interconnexions comprenant lesdits joints et lesdits éléments intermédiaires d'interconnexion présentent des hauteurs différentes de joints et/ou d'éléments d'interconnexion. 30 13. Procédé de fabrication d'un assemblage comportant : - au moins un premier élément (100) comprenant au moins un premier plot de connexion électrique (12) ; - au moins un second élément (200) comprenant au moins un second plot de connexion électrique (21) ; 35 - des moyens d'interconnexion électrique et ; ledit procédé comprenant les étapes suivantes : 3047111 - la réalisation d'au moins un premier élément intermédiaire d'interconnexion métallique (13) sur au moins un premier plot de connexion ; - l'utilisation d'au moins une pâte ou un film de microparticules ou 5 nanoparticules métalliques ; - une opération de frittage de ladite pâte ou dudit film de microparticules ou nanoparticules métalliques, de manière à réaliser un joint fritté empilé avec au moins ledit élément intermédiaire d'interconnexion ; io - la température de fusion dudit premier élément intermédiaire d'interconnexion étant supérieure à la température de frittage desdites microparticules ou de nanoparticules métalliques. 14. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre la 15 réalisation d'au moins un second élément intermédiaire d'interconnexion métallique sur au moins un second plot de connexion. 15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, dans lequel l'opération de frittage est réalisée à une faible pression inférieure à 100 20 g/cm2. 16. Procédé selon l'une des revendications 13 à 15, comprenant en outre l'application d'une première pression sur au moins ledit premier élément intermédiaire d'interconnexion, avant l'opération de frittage. 17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel l'élément intermédiaire d'interconnexion est réalisé à la surface d'au moins un plot de connexion électrique, à partir d'un fil métallique en formant une bille métallique rendue solidaire dudit plot de connexion électrique par une technique thermosonique ou par thermo-compression. 18. Procédé d'interconnexion selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel l'élément intermédiaire est un pilier métallique, ledit pilier métallique étant réalisé par photolithographie de résine et électro-déposition 35 d'un métal. 3047111 21 19. Procédé selon l'une des revendications 16 à 18, dans lequel l'opération de frittage est réalisée à une seconde pression inférieure à ladite première pression. 5 20. Procédé selon l'une des revendications 13 à 19, comprenant les étapes suivantes : - la réalisation d'au moins un premier élément d'interconnexion électrique à la surface d'au moins un premier plot de connexion io électrique ; - le dépôt d'une pâte de microparticules ou de nanoparticules métalliques à la surface d'au moins ledit premier élément intermédiaire d'interconnexion ; - le positionnement d'au moins un second plot de connexion 15 électrique en regard d'au moins ledit premier plot de connexion électrique pour former un ensemble comprenant au moins le premier élément et le second élément ; - une opération de frittage de ladite pâte de manière à former au moins un joint fritté métallique. 20 21. Procédé selon l'une des revendications 13 à 19, comprenant le chauffage et le pressage dudit premier élément intermédiaire d'interconnexion mis en contact avec un film sec de microparticules ou de nanoparticules métalliques pouvant être à la surface d'un support souple, 25 conduisant à la pénétration d'une partie dudit premier élément intermédiaire dans ledit film métallique, à la cassure dudit film sec et à la formation d'au moins un élément de film sec métallique de microparticules ou de nanoparticules métalliques à la surface d'au moins ledit élément intermédiaire d'interconnexion. 30 22. Assemblage obtenu selon le procédé de fabrication de l'une des revendications 13 à 21.