Brevet FR3053158A1 — publié le 20171229

PROCEDE DE FABRICATION COLLECTIVE DE MODULES ELECTRONIQUES 3D CONFIGURES POUR FONCTIONNER A PLUS DI GHz Le domaine de l'invention est celui de la fabrication collective de modules électroniques 3D à épaisseur réduite comportant un empilement d'au moins deux puces électroniques. L'arrivée sur le marché de composants fonctionnant à haute fréquence (mémoires, processeurs, ...) fait que l'utilisation de puces non encapsulées (puces nues) pose de nouveaux problèmes de rendement. Le test de puces nues sous pointes devient très délicat au-delà des fréquences d'environ 1 GHz. La conséquence première est qu'en cas d'empilage de ces composants dans un module électronique 3D, certaines puces pourront fonctionner à la fréquence maximale, d'autres non ; il en résulte qu'un module comprenant une pluralité de puces ne pourra pas fonctionner à la fréquence maximale. Un moyen de contourner cette difficulté est d'utiliser des puces encapsulées c'est-à-dire placées dans un boîtier qui lui, peut être complètement testé. En effet, un boîtier comprend des sorties sous forme de billes de brasure qui sont à des pas supérieurs à celui des plots des puces : Pas des plots des puces : 50 à 100 pm, Pas des boîtiers à billes encapsulant une puce: de 400 à 800 ilm. Des sockets de test peuvent donc être utilisés et les boîtiers sont ainsi testables à des fréquences éventuellement supérieures à 1 GHz, ainsi qu'à des températures de fonctionnement comprises entre -55°C et +125°C. Mais un empilement de boîtiers est plus épais qu'un empilement 25 de puces, et conduit donc à un module 3D également plus épais alors que l'on souhaite obtenir un module 3D à épaisseur réduite. En partant de ce constat, il faut alors trouver une technologie d'empilage adaptée à ces boîtiers pouvant fonctionner à haute fréquence, et permettant d'obtenir des modules 3D à épaisseur réduite. 30 En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, en termes 3053158 2 de fiabilité des puces électroniques à des fréquences de fonctionnement notamment supérieures à 1 GHz, à des températures de fonctionnement comprises entre -55°C et +125°C et d'épaisseur rédtite des modules 3D obtenus. 5 Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D, chaque module électronique 3D comprenant un empilement d'au moins deux boîtiers électroniques à billes, 10 reportables en surface, testés à leur température et fréquence de fonctionnement, qui comprend : - une étape de fabrication de plaques reconstituées, chaque plaque reconstituée étant fabriquée selon un premier mode de réalisation selon les sous-étapes suivantes dans l'ordre suivant : 15 o A1) les boîtiers électroniques sont posés sur une première peau collante côté billes, o B1) moulage des boîtiers électroniques dans la résine et polymérisation de la résine, pour obtenir la plaque intermédiaire, o C1) amincissement de la plaque intermédiaire sur la face de la 20 plaque intermédiaire opposée aux billes, o D1) retrait de la première peau collante et pose de la plaque intermédiaire sur une deuxième peau collante, côté opposé aux billes, o E1) amincissement de la plaque intermédiaire sur la face côté billes, o F1) formation d'une couche de redistribution côté billes, o G1) retrait de la deuxième peau collante pour obtenir une plaque reconstituée d'épaisseur inférieure à l'épaisseur d'origine des boîtiers électroniques, - plusieurs plaques reconstituées ayant été obtenues à l'issue des sous-étapes précédentes, empilement des plaques reconstituées, - découpe des plaques reconstituées empilées pour obtenir des modules 3D. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D, chaque module électronique 3D comprenant 3053158 3 un empilement d'au moins deux boîtiers électroniques à billes, reportables en surface, testés à leur température et fréquence de fonctionnement, qui comprend : - une étape de fabrication de plaques reconstituées, chaque plaque 5 reconstituée étant fabriquée selon un deuxième mode de réalisation selon les sous-étapes suivantes dans l'ordre suivant : o A2) les boîtiers électroniques sont posés sur une première peau collante côté opposé aux billes, o B2) moulage des boîtiers électroniques dans la résine et 10 polymérisation de la résine, pour obtenir la plaque intermédiaire, o C2) amincissement de la plaque intermédiaire sur la face de la plaque intermédiaire côté billes, o D2) formation d'une couche de redistribution côté billes, o E2) retrait de la première peau collante et pose de la plaque 15 intermédiaire amincie sur une deuxième peau collante côté RDL, o F2) amincissement de la plaque intermédiaire sur la face de la plaque intermédiaire opposée aux billes, o G2) retrait de la deuxième peau collante pour obtenir une plaque reconstituée d'épaisseur inférieure à l'épaisseur d'origine des 20 boîtiers électroniques, - plusieurs plaques reconstituées ayant été obtenues à l'issue des sous-étapes précédentes, empilement des plaques reconstituées, - découpe des plaques reconstituées empilées pour obtenir des modules 3D. 25 Il y a donc deux étapes d'amincissement. Les boîtiers électroniques sont des boîtiers BGA ou des boîtiers flip-chips ; les boîtiers électroniques BGA peuvent comporter des protubérances centrales. 30 La fréquence de fonctionnement est notamment supérieure à 1 GHz, et/ou la température de fonctionnement est par exemple comprise entre - 55°C et 125 °C. L'étape d'amincissement de la plaque intermédiaire sur la face de la plaque intermédiaire côté billes, peut être remplacée par une étape de retrait 3053158 4 des billes desdits boîtiers électroniques préalablement à l'étape de pose des boîtiers électroniques sur la première peau collante. 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : les figures 1 représentent schématiquement des exemples de boîtiers électroniques de type BGA avec sur-épaisseur (fig 1 a), sans sur- 10 épaisseur (fig 1 b), de type Flip-Chip (fig 1c), vus en coupe, les figures 2 illustrent différentes étapes d'un exemple de procédé selon l'invention, les figures 3 illustrent différentes étapes d'un autre exemple de procédé selon l'invention, 15 la figure 4 représente schématiquement un exemple de plaque reconstituée obtenue par le procédé selon l'invention, vue en coupe, la figure 5 représente schématiquement un exemple d'empilement de 4 plaques reconstituées obtenues par le procédé selon l'invention, vu en coupe. 20 D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. Dans la suite de la description, les expressions « supérieur », « inférieur », « avant », « arrière », « côté », sont utilisées en référence à l'orientation des figures décrites. Dans la mesure où le dispositif peut être 25 positionné selon d'autres orientations, la terminologie directionnelle est indiquée à titre d'illustration et n'est pas limitative. Le test électrique des puces nues ne peut garantir un 30 fonctionnement fiable à des fréquences supérieures à 1 Ghz. En revanche, le test de boîtiers électroniques c'est-à-dire de composants électroniques à billes de connexion, reportables en surface et incluant des puces, peut s'appliquer à ces fréquences supérieures à 1 GHz et garantit également une température de fonctionnement comprise entre -55°Cet +125°C. 3053 15 8 5 L'invention est basée sur la fabrication d'une plaque reconstituée non pas avec des puces nues mais avec des boîtiers électroniques. Une fois que les plaques ont été reconstituées avec N boîtiers BGA « bons », (N pouvant atteindre plusieurs centaines), leur empilage, découpe etc. se fera 5 par exemple comme déjà décrit dans les brevets FR 03 07977 et FR 06 07442. On désigne par boîtier électronique 10 dont des exemples sont montrés figure 1: 10 - un boîtier à billes (BGA ou Ball Grid Array) 10 à billes de connexion 4 (ou billes de brasure), c'est-à-dire une puce nue 2 encapsulée dans de la résine 11, cette puce nue 2 présentant des fils de connexion 21 reliées à un circuit d'interconnexion 22 (généralement à plusieurs couches) muni desdites billes 4. Ces fils 15 noyés dans la résine sont reliées à la face supérieure du circuit (fig 1 b), ou ces fils sont reliés à la face inférieure au circuit et également protégés par de la résine, en formant une surépaisseur centrale 3 en saillie (ou protubérance centrale) sous le boîtier (fig 1 a). Les billes 4 de connexion de ces boîtiers ont une épaisseur eb 20 typiquement comprise entre 200 pm et 400 pm ; la surépaisseur 3 au centre du boîtier, inhérente aux boîtiers mémoires, est typiquement d'environ 150 pm ; l'épaisseur eb du corps du boîtier (c'est-à-dire le boîtier sans les billes de connexion) est typiquement comprise entre 0.8 mm et 0.9 mm ; l'épaisseur totale E d'un boîtier (E = eb + eb) étant 25 donc comprise entre 0.82 mm et 1.3 mm. - un composant flip-chip 10, c'est-à-dire une puce 2 non encapsulée reliée à une couche d'interconnexion 22 dite couche de redistribution, munie de billes de connexion 4 (fig 1c). Ce type de composant FlipChip est considéré selon l'invention comme un boîtier 10, car il : 30 o peut être reporté sur un substrat comme les boîtiers à billes (BGA), o testé avant livraison au client, car le pas des billes (de 100 à 500 pm) est beaucoup plus élevé que celui des plots des puces (de 40 à 100 pm), et permet que le composant soit testé en 305 3 1 5 8 6 utilisant des sockets de test et donc à des fréquences éventuellement supérieures à 1 GHz. Par ailleurs, il est plus facile de disposer de tels boîtiers Flip-Chip que de puces nues, et ils sont moins encombrants que des boîtiers BGA. 5 Ces boîtiers Flip-Chip ne présentent pas de sur-épaisseur comme indiqué pour certains boîtiers BGA. Les billes 4 de connexion de ces boîtiers Flip-Chip ont une épaisseur eb typiquement comprise entre 50 pm et 150 pm ; l'épaisseur eb du corps du boîtier Flip-Chip (c'est-à-dire le boîtier sans les billes de 10 connexion) est typiquement comprise entre 100 pm et 400 pm. L'épaisseur totale E d'un boîtier (E = eb + eb) étant donc comprise entre 150 pm et 550 pm. Les plots 41 et le circuit ou la couche d'interconnexion 22 ne sont plus représentés sur les figures suivantes pour simplifier. 15 De tels boîtiers testés 10 sont commercialisés par différents fabricants parmi lesquels on peut citer : Xilinx, Micron, Samsung, .... Selon l'invention, des modules électroniques 3D comprenant un 20 empilement d'au moins deux boîtiers électroniques 10 à billes, reportables en surface, testés à leur température et fréquence de fonctionnement sont fabriqués collectivement de la manière suivante : - fabrication de plusieurs plaques reconstituées, chaque plaque reconstituée 60 ne comportant que N « bons » boîtiers c'est-à-dire 25 que des boîtiers testés, - empilement des plaques reconstituées, - découpe des plaques reconstituées empilées pour obtenir des modules 3D. Le déroulement des étapes de fabrication d'une plaque 30 reconstituée varie selon que les boîtiers électroniques sont posés sur une première peau collante, côté billes de connexion ou côté opposé. On retrouve les mêmes étapes mais réalisées dans un ordre différent. On décrit en relation avec la figure 2, le déroulement des étapes 35 lorsque les boîtiers 10 sont posés côté billes de connexion. 3053158 7 - Etape Al : Les N boîtiers 10 sont posés sur une première peau collante 1 encore appelée « tape » en anglais, du côté des billes de connexion 4 au moyen d'un équipement de Pick and Place. Mais il n'y a pas d'étape de brasage des billes de connexion ; les billes 4 se 5 retrouvent simplement provisoirement fixées à cet adhésif 1. Ces N boîtiers sont tous les mêmes. - Etape B1 : Moulage des boîtiers 10 dans de la résine 5 par exemple par compression ou par coulage. Puis polymérisation de la 10 résine. On a alors obtenu une plaque intermédiaire 6. - Etape Cl : Amincissement de cette plaque intermédiaire du côté de sa face arrière (= face opposée aux billes). L'amincissement des faces arrière des boîtiers 10 permet d'atteindre les faces arrière des 15 puces 2 situées à l'intérieur des boîtiers 10 : l'amincissement peut être limité à l'apparition des faces arrière des puces 2 ou peut aller jusqu'à amincir les puces 2 elles-mêmes. L'épaisseur ec du corps du boîtier 10 peut être réduite d'environ 30% à 35%. 20 - Etape D1 : retrait de la première peau collante 1 et pose de la plaque intermédiaire ainsi amincie sur une deuxième peau collante 8 côté opposé aux billes 4 de brasure des boîtiers (le côté aminci à l'étape Cl est collé à la peau collante 8). 25 - Etape El : un second amincissement est effectué afin de réduire l'épaisseur eb des billes de brasure 4. Les billes sont par exemple composées de étain/argent/cuivre (Sn/Ag/Cu, encore nommé SAC). On obtient des billes amincies 4'. 30 - Etape Fl : Formation d'une couche de redistribution 61 (aussi désignée couche RDL, acronyme de l'expression anglo-saxonne ReDistribution Layer) côté billes amincies 4'. Cette couche RDL formée à partir d'une résine photogravable 615, comporte des contacts électriques 610 avec les billes 4' et une ou plusieurs sous- 35 couches comportant des conducteurs électriques 611 reliant les contacts 610 jusqu'à la périphérie du boîtier (= jusqu'aux chemins de 3053 15 8 8 découpe 70). En effet lorsque l'empilement des plaques 60 sera effectué, des conducteurs verticaux (selon la direction de l'empilement) reliés aux sections des conducteurs 611 présentes sur la périphérie, seront réalisés sur des faces verticales des modules 3D. 5 Cette couche RDL 61 est effectuée par les dépôts classiques : diélectrique photogravable et dépôts métalliques en utilisant une barrière de diffusion du type Titane/Tungstène puis du cuivre. - Etape G1 : Retrait de la deuxième peau collante 8 pour obtenir 1 0 une plaque reconstituée 60. On décrit à présent en relation avec la figure 3 le déroulement des étapes lorsque les boîtiers 10 sont posés côté opposé aux billes 4 de 15 connexion. - Etape A2 : Les boîtiers 10 sont collés sur une première peau collante 1 du côté ne portant pas les billes 4. La tête de l'équipement de Pick and Place utilisé doit être adaptée à la saisie de boîtiers n'ayant pas une surface plane continue comme dans le cas 20 précédent. La tête aspirante de cet équipement est évidée pour éviter les billes 4 et l'éventuelle sur-épaisseur centrale 3 des boîtiers 10. - Etape B2 : Moulage des boîtiers dans de la résine 5 par exemple par compression ou coulage, jusqu'au plan des billes 4 ou légèrement 25 au-dessus du plan des billes. Les boîtiers 10 étant reportés sur la première peau collante côté opposé aux billes, il n'y a pas de problème comme éventuellement dans l'étape B1 de la figure 2 avec le remplissage de la résine dans l'espace entre la surface des billes et la première peau collante. Puis polymérisation de la résine. On a 30 obtenu la plaque intermédiaire 6. - Etape C2 : Amincissement de la plaque intermédiaire 6 appliqué à la face comportant les billes 4, pour réduire le volume des billes et surtout leur épaisseur. On obtient des billes amincies 4'. 35 3053 15 8 9 - Etape D2 : L'interconnexion des billes amincies 4' avec les futurs conducteurs verticaux est effectuée comme dans l'étape Fl par une couche de redistribution 61 (RDL) qui comporte des contacts électriques 610 avec les billes 4' et une ou deux sous-couches de 5 redistribution. - Etape E2 : La plaque intermédiaire 6 amincie et complétée de la couche RDL, est décollée de la première peau collante 1, puis retournée et collée sur une deuxième peau collante 8 côté couche 10 RDL. - Etape F2 : Un amincissement est alors effectué sur face opposée à la couche RDL, comme indiqué à l'étape Cl. 15 - Etape G2 : Retrait de la deuxième peau collante 8 pour obtenir une plaque reconstituée 60. A l'issue de ces étapes on a donc obtenu une plaque reconstituée de faible épaisseur, ne comportant que de « bons » boîtiers (N boîtiers) c'est- 20 à-dire que des boîtiers testés, et destinée à être empilée sur d'autres plaques reconstituées de la même manière. Les deux manières de dérouler les étapes de fabrication d'une plaque reconstituée 60 telles que décrites précédemment peuvent être 25 utilisées pour un boîtier 10 BGA avec ou sans sur-épaisseur centrale 3 ou un boîtier 10 de type Flip-chip. Dans le cas d'un boîtier BGA sans sur-épaisseur 3 ou un boîtier de type Flip-chip, l'étape d'amincissement des faces du côté des billes n'est pas limitée par la protubérance centrale (étapes El ou C2) et l'amincissement peut s'approcher jusqu'à environ 50 pm de la surface du 30 corps du boîtier. Cela permet dans le cas d'un boîtier BGA sans sur- épaisseur ou d'un boîtier de type Flip-chip de réduire un peu plus l'épaisseur totale du boîtier final d'environ 100 pm de plus. Avant le report des boîtiers 10 sur la peau collante 1 des étapes 35 Al ou A2, il est possible de dé-biller (=retirer les billes 4) les boîtiers testés 10 qui sont sans protubérances centrales 3. Ce débillage est effectué 3053158 10 collectivement après l'acquisition des boîtiers testés ; il est effectué mécaniquement par exemple ou par attaque chimique en phase gazeuse par plasma. Dans ces conditions, la surface du boîtier qui portait les billes ne comporte que les plots 41 (visibles sur la figure 1) avec ou sans un résidu de 5 billes 4. L'étape El ou C2 d'amincissement des billes devient superflue. La RDL 61 est réalisée pour connecter non pas les billes 4' mais directement les plots 41 comme pour les étapes déjà décrites : étape Fl ou D2. L'avantage de cette approche est notamment une épaisseur du boîtier (corps + billes) un peu plus faible. 10 On récapitule dans le tableau ci-dessous les épaisseurs obtenues au fil de ces étapes pour un boîtier 10 BGA ou Flip-Chip. Boîtier 10 BGA Boîtier 10 Flip-Chip Pas des billes 4 400 à 800 pm 100 à 400 pm Epaisseur des billes 4 avant 200 à 400 pm 50 à 150 pm amincissement Epaisseur des billes 4' après 150 à 200 pm amincissement pour un boîtier 10 avec sur-épaisseur centrale 3 Epaisseur des billes 4' après 50 à 100 pm 25 à 75 pm amincissement pour un boîtier 10 sans sur-épaisseur centrale 3 Epaisseur des billes 4 après 0 à 10 pm 0 à 10 pm débillage Epaisseur du corps du boîtier 10 800 à 900 pm 100 à 400 pm avant amincissement Epaisseur du corps du boîtier 10 520 à 630 pm 65 à 280 pm après amincissement Epaisseur totale du boîtier 10 avant 1 à 1,3 mm 150 à 650 pm amincissements (= à l'achat) Epaisseur totale du boîtier 10 après 670 à 830 pm 90 à 355 pm amincissements 15 Les épaisseurs indiquées pour les billes 4 ou 4' incluent celle des plots 41. 3053 15 8 11 L'épaisseur de la plaque reconstituée 60 (=épaisseur des boîtiers et de la RDL) est donc comprise : - entre 700 um et 860 um pour une plaque 60 avec boîtiers 10 5 BGA, - entre 95 um et 360 um pour une plaque 60 avec boîtiers 10 FlipChip. On montre figure 4 une plaque reconstituée 60 obtenue par l'un ou 10 l'autre procédé et sur laquelle sont indiqués des chemins de découpe 70. Ces plaques reconstituées 60 sont alors empilées les unes sur les autres en alignant les chemins de découpe 70, et collées au moyen d'une colle 15 comme on peut le voir figure 5. Puis l'empilement est découpé selon les chemins de découpe pour obtenir N modules électroniques 3D qui seront 15 complétés notamment par des bus verticaux formés sur des faces verticales des modules 3D. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D, chaque module électronique 3D comprenant un empilement d'au moins deux boîtiers électroniques (10) à billes, reportables en surface, testés à leur température et fréquence de fonctionnement, qui comprend : - une étape de fabrication de plaques reconstituées, chaque plaque reconstituée (60) étant fabriquée selon les sous-étapes suivantes dans l'ordre suivant : o Al) les boîtiers électroniques (10) sont posés sur une première peau collante (1) côté billes (4), o B1) moulage des boîtiers électroniques (10) dans la résine (5) et polymérisation de la résine, pour obtenir la plaque intermédiaire (6), o C1) amincissement de la plaque intermédiaire (6) sur la face de la plaque intermédiaire opposée aux billes, o D1) retrait de la première peau collante (1) et pose de la plaque intermédiaire sur une deuxième peau collante (8), côté opposé aux billes (4) , o El) amincissement de la plaque intermédiaire sur la face côté billes, o F1) formation d'une couche de redistribution (61) côté billes, o G1) retrait de la deuxième peau collante (8) pour obtenir une plaque reconstituée (6) d'épaisseur inférieure à l'épaisseur d'origine des boîtiers électroniques, - plusieurs plaques reconstituées ayant été obtenues à l'issue des sous-étapes précédentes, empilement des plaques reconstituées, - découpe des plaques reconstituées empilées pour obtenir des modules 3D. 2. Procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D, chaque module électronique 3D comprenant un empilement d'au moins deux boîtiers électroniques (10) à billes, reportables en surface, 3053158 13 testés à leur température et fréquence de fonctionnement, qui comprend : - une étape de fabrication de plaques reconstituées, chaque plaque reconstituée (60) étant fabriquée selon les sous-étapes 5 suivantes dans l'ordre suivant : o A2) les boîtiers électroniques (10) sont posés sur une première peau collante (1) côté opposé aux billes, o B2) moulage des boîtiers électroniques (10) dans la résine (5) et polymérisation de la résine, pour obtenir la plaque intermédiaire (6), 10 o C2) amincissement de la plaque intermédiaire (6) sur la face de la plaque intermédiaire côté billes, o D2) formation d'une couche de redistribution (61) côté billes, o E2) retrait de la première peau collante (1)et pose de la plaque intermédiaire amincie sur une deuxième peau collante (8) côté RDL, 15 o F2) amincissement de la plaque intermédiaire sur la face de la plaque intermédiaire opposée aux billes, o G2) retrait de la deuxième peau collante (8) pour obtenir une plaque reconstituée (60) d'épaisseur inférieure à l'épaisseur d'origine des boîtiers électroniques, 20 - plusieurs plaques reconstituées ayant été obtenues à l'issue des sous-étapes précédentes, empilement des plaques reconstituées, - découpe des plaques reconstituées empilées pour obtenir des modules 3D. 25 3. Procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les boîtiers électroniques (10) sont des boîtiers BGA ou des boîtiers flipchips. 30 4. Procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence de fonctionnement est supérieure à 1 GHz. 5. Procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D selon 35 l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de fonctionnement est comprise entre - 55°C et 125 °C. 3053158 14 6. Procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des boîtiers électroniques (10) comportent des protubérances centrales 5 (3). 7. Procédé de fabrication collective de modules électroniques 3D selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'amincissement de la plaque intermédiaire (6) sur la face de la 10 plaque intermédiaire côté billes, est remplacée par une étape de retrait des billes (4) desdits boîtiers électroniques préalablement à l'étape de pose des boîtiers électroniques sur la première peau collante. 15