Brevet FR3093230A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : Boîtier de puce électronique Domaine technique [0001] La présente description concerne de façon générale les dispositifs électroniques, et, plus particulièrement, un dispositif électronique comprenant une puce électronique. Technique antérieure [0002] Une puce électronique est généralement définie par un substrat semiconducteur dans et sur lequel sont situés un ou plusieurs composants interconnectés, tels que des diodes et transistors, formant des circuits de la puce. Dans certaines applications, tels que la protection contre des décharges électrostatiques, la puce comprend une diode à avalanche. [0003] Typiquement, une puce est logée dans un boîtier. Le boîtier comprend des bornes de connexion, généralement destinées à être soudées ou brasées à un circuit imprimé tel qu'un PCB ("Printed Circuit Board"). Pour qu'un dispositif comprenant une puce électronique logée dans un boîtier soit compact, on utilise souvent un boîtier de type CSP ("Chip Scalc Package"), c'est-à-dire occupant une surface faible, typiquement inférieure à 1,2 fois celle du substrat de la puce. Résumé de l'invention [0004] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des boîtiers connus de puce électronique. 100051 Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients dispositifs comprenant une puce électronique dans un boîtier. 100061 Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif comprenant un substrat semi- conducteur, une couche électriquement conductrice recouvrant le substrat, et une enveloppe isolante, la couche conductrice étant en contact avec l'enveloppe isolante du côté opposé au substrat. 100071 Selon un mode de réalisation, la couche conductrice est recouverte, du côté opposé au substrat, par un unique matériau isolant. 100081 Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des composants électroniques situés dans et sur le substrat. 100091 Selon un mode de réalisation, les composants électroniques sont situés du côté du substrat opposé à la couche conductrice. 100101 Selon un mode de réalisation, la couche conductrice est métallique. 100111 Selon un mode de réalisation, le substrat comprend une zone dopée définissant une électrode d'une diode à avalanche. 100121 Selon un mode de réalisation, l'enveloppe définit un boîtier de type CSP. 2 100131 Un mode de réalisation prévoit un procédé comprenant une étape de fabrication d'un dispositif tel que décrit. [0014] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de réalisation si- multanée de plusieurs dispositifs tels que décrits. [0015] Selon un mode de réalisation, les substrats des dispositifs sont des portions d'une partie centrale d'une même tranche semiconductrice. [0016] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape d'amincissement de ladite partie centrale en conservant l'épaisseur d'une partie périphérique de la tranche semiconductrice. [0017] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de formation, sur une face arrière de la tranche semiconductrice, d'une couche définissant les couches conductrices des dispositifs. [0018] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de formation d'une couche en ledit matériau isolant recouvrant ladite couche définissant les couches conductrices des dispositifs. [0019] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de formation de tranchées délimitant les substrats des dispositifs. [0020] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de remplissage des tranchées par un matériau isolant. Brève description des dessins [0021] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 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 : [0022] [fig.1] la figure 1 est une vue en coupe représentant schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif comprenant une puce électronique dans un boîtier ; [0023] W8.21 la figure 2 est une autre vue en coupe représentant schématiquement le boîtier de la figure 1 ; [0024] [fig.3] la figure 3 est une vue en coupe représentant un exemple de fonctionnement du dispositif de la figure 1 ; [0025] [fig.4] la figure 4 représente, par des vues en coupe partielles et schématiques, des étapes de mise en oeuvre d'un procédé de réalisation simultanée de plusieurs dispositifs de la figure 1; [0026] [fig.5] la figure 5 représente, par des vues en coupe partielles et schématiques, d'autres étapes de mise en oeuvre du procédé de réalisation simultanée de plusieurs dispositifs de la figure 1; [0027] [fig.6] la figure 6 représente, par des vues en coupe partielles et schématiques, d'autres étapes de mise en oeuvre du procédé de réalisation simultanée de plusieurs dis- 3 positifs de la figure 1; et [0028] [fig.7] la figure 7 représente, par des vues en coupe partielles et schématiques, d'autres étapes de mise en oeuvre du procédé de réalisation simultanée de plusieurs dispositifs de la figure 1. Description des modes de réalisation [0029] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. [0030] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, des circuits de puce électronique ne sont pas représentés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les circuits de puce usuels. [0031] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent âtre connectés ou être reliés ou couplés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. [0032] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures. [0033] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sen- siblement", et "de l'ordre de" signifient à 10% près, de préférence à 5 % près. [0034] Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe représentant schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif 100 comprenant une puce électronique dans un boîtier. La figure 1 est une vue en coupe selon un plan A-A représenté en figure 2, et la figure 2 est une vue en coupe selon un plan B-B représenté en figure 1. [0035] Le dispositif 100 comprend un substrat 102. Le substrat a une face avant (face su- périeure) et une face arrière (face inférieure). Le substrat 102 est un substrat de puce électronique, c'est-à-dire dans et sur lequel sont situés un ou plusieurs composants de circuits de puce électronique. Les composants électroniques sont de préférence situés du côté de la face avant du substrat 102, dans et sur le substrat 102. Le substrat 102 est semiconducteur, de préférence en silicium. Le substrat 102 est de préférence un substrat mince, par exemple d'épaisseur inférieure à environ 150 !lm ou inférieure à 150 !lm, de préférence inférieure à environ 100 ..tm ou inférieure à 100 !lm. [0036] La face arrière du substrat 102 est recouverte d'une couche électriquement conductrice 104. La couche 104 est de préférence métallique et comprend, par exemple, de l'aluminium et/ou du nickel et/ou de l'or (par exemple du AINiAu) et/ou du cuivre et/ou de l'or eutectique et/ou du titane (par exemple du TiNiAu). La couche 104 recouvre la face arrière du substrat 102, de préférence intégralement. La couche 104 est de préférence une couche continue, c'est-à-dire dépourvue d'ouvertures traversantes. [0037] De préférence, la couche conductrice 104 et le substrat 102 sont superposés de sorte que leurs bords coïncident. L'ensemble de la couche conductrice 104 et du substrat 102 a, de préférence, la forme d'un parallélépipède. [0038] Le dispositif 100 comprend en outre une enveloppe électriquement isolante 110 qui enrobe l'ensemble de la couche conductrice 104 et du substrat 102, c'est-à-dire que l'enveloppe 110 recouvre la face avant du substrat 102, la face arrière de la couche conductrice 104, et les flancs 112 et 114 respectivement du substrat 102 et de la couche conductrice 104. [0039] L'enveloppe 110 est en contact avec la couche conductrice 104. Plus précisément, le contact entre la couche conductrice 104 et l'enveloppe 110 est sans intermédiaire, ou uniquement par l'intermédiaire d'une éventuelle couche résultant d'une exposition de la couche 104 à l'air au cours du procédé de fabrication. Une telle couche résultant d'une exposition à l'air a typiquement une épaisseur inférieure à 10 nm et est typiquement une couche d'oxyde d'un ou plusieurs éléments, par exemple métalliques, compris dans la couche 104. L'enveloppe est de préférence en contact adhérent avec les flancs 112 et 114, et avec les faces avant et arrière respectives du substrat 102 et de la couche conductrice 104. De préférence, l'enveloppe 110 recouvre intégralement la face arrière de la couche 104 et les flancs 112 et 114. Plus précisément, l'enveloppe 110 ne comporte aucune ouverture sur les flancs 112 et 114 et sur la face arrière de la couche 104. De préférence, la partie de l'enveloppe qui recouvre la face avant du substrat 102 est traversée par des bornes de connexion 120. De préférence, l'enveloppe 110 recouvre intégralement toutes les faces de l'ensemble du substrat 102 et de la couche conductrice 104, à l'exception des bornes de connexion 120. L'enveloppe 110 définit ainsi un boîtier de puce électronique. Les faces externes de l'enveloppe 110 constituent les faces externes du boîtier. Le boîtier est de préférence de type CSP. [0040] De préférence, l'enveloppe 110 comprend une région 122 qui recouvre la face arrière de la couche conductrice 104 (c'est-à-dire situé au-dessous de la couche 104 dans l'orientation de la figure 1), et une région 124 qui recouvre la face avant du substrat 102, les flancs 112 et 114, et les flancs de la région 122. La région 122 s'étend de la couche 104 à la face arrière de l'enveloppe 110. De préférence, la région 122 est superposée avec le substrat 102 et la couche 104, c'est-à-dire que les flancs de la région 122 sont dans le prolongement des flancs 112 et 114 du substrat 102 et de la couche 104. Les régions 122 et 124 peuvent être en un même matériau électriquement isolant, ou être en des matériaux électriquement isolants différents. [0041] Grâce à l'association d'un substrat mince et d'une couche conductrice sur la face arrière du substrat mince, le fonctionnement du dispositif est amélioré par rapport aux dispositifs n'ayant pas à la fois un substrat mince et une couche conductrice sur la face arrière, comme ceci est décrit ci-après dans le cas de l'exemple représenté. [0042] Dans l'exemple représenté, le substrat 102 est par exemple dopé de type P. Une zone dopée 130 de type N et une zone dopée 132 de type P, disjointes, sont situées côté face avant du substrat 102. Les zones 130 et 132 ont de préférence des niveaux de dopage (Ni-, P+) supérieurs à celui du substrat 102. Le substrat 102 et la zone 130 forment entre eux la jonction PN d'une diode à avalanche. [0043] De préférence, le dispositif 100 comprend une couche isolante 140 recouvrant la face avant du substrat 102 et située entre le substrat 102 et l'enveloppe 110. Dans l'exemple représenté, la couche 140 est traversée par des régions électriquement conductrices 142, par exemple métalliques, s'étendant à partir des régions 130 et 132 jusqu'aux bornes 120. [0044] La figure 3 est une vue en coupe illustrant le fonctionnement de l'exemple du dispositif 100 représenté en figures 1 et 2. [0045] Les homes de connexion 120 sont de préférence reliées à une borne d'application d'un potentiel de référence, par exemple une masse UND, et à une borne IO à protéger contre des décharges électrostatiques. A titre d'exemple, la région N 130 est reliée, de préférence connectée, à la borne IO, et la région P 132 est reliée, de préférence connectée, à la masse. En cas de décharge électrostatique provoquant une hausse du potentiel de la borne IO, la jonction PN entre la zone dopée 130 et le substrat 102 entre en avalanche. Un courant circule de la zone 130 à la zone 132, ce qui évacue la décharge vers la masse. [0046] Du fait que le substrat 102 est mince et a sa face arrière recouverte par la couche électriquement conductrice 104, le courant circule verticalement entre chacune des zones 130 et 132 et la couche conductrice 104 (flèches 202). Le courant est conduit latéralement par la couche conductrice 104 (flèche 204) de l'aplomb de la zone 130 à l'aplomb de la zone 132. On obtient une répartition uniforme du courant sortant de la zone 130. Cette répartition permet d'évacuer vers la masse un courant d'intensité plus élevée que lorsque le substrat n'est pas mince ou est dépourvu de couche conductrice sur sa face arrière. En effet, avec un substrat non mince ou sans couche conductrice, le courant circulerait latéralement entre les zones 130 et 132 en passant par le substrat. Le courant sortirait de la zone 130 en se concentrant du côté de la zone 130 proche de la zone 132. Une telle concentration limiterait l'intensité maximale du courant. 6 [0047] Le mode de réalisation des figures 1 et 2 est compatible avec la plupart des circuits de puce électronique. La couche 140 peut comprendre des pistes d'interconnexion entre les composants des circuits, tels que des transistors, situés dans et sur le substrat 102. Les circuits sont alors connectés à des régions conductrices 142 en contact avec des bornes 120. [0048] Les figures 4, 5, 6 et 7 représentent, par des vues en coupe partielles et schématiques, des étapes 4A et 4B, 5A et 5B, 6A et 6B, et 7A et 7B de mise en oeuvre d'un procédé de réalisation simultanée de plusieurs dispositifs 100 du type de celui des figures 1 et 2. [0049] A l'étape 4A, on prévoit une tranche semiconductrice 402. La tranche 402 est destinée à être divisée en substrats 102 individuels. Chaque futur substrat 102 est situé dans une portion 404 de la tranche 402. Dans la tranche 402, les futurs substrats 102 sont de préférence disjoints, par exemple séparés et délimités par des bandes 406. Les futurs substrats 102 sont disposés côte à côte dans une partie centrale de la tranche 402, c'est-à-dire que l'on prévoit qu'une partie périphérique 410 de la tranche ne corresponde à aucun substrat 102. [0050] On forme les circuits des puces électroniques, non représentés, dans et sur les futurs substrats 102. Sur la face avant de la tranche 402, on forme des régions conductrices 142 connectées aux circuits. Les régions 142 sont de préférence accessibles depuis la face avant. A titre d'exemple, les régions 142 sont situées dans une couche isolante 140 (figure 1, non représentée en figures 4 à 7) recouvrant la face avant. La couche isolante comprend d'éventuelles pistes d'interconnexion entre les composants des circuits de chaque puce. [0051] On forme en outre des plots conducteurs 420, par exemple métalliques, recouvrant les régions conductrices 142. Les futures bornes 120 (figure 1) seront formées de portions inférieures des plots 420. [0052] A l'étape 4B, on procède, à partir de la face an-ière de la tranche (correspondant au côté face arrière des futurs substrats 102), à l'amincissement d'une partie centrale de la tranche. Cette partie centrale inclut les futurs substrats 102. L'amincissement est mis en oeuvre de préférence après l'étape de formation des circuits des puces. Cet amincissement donne à la partie centrale de la tranche 402 l'épaisseur des futurs substrats 102, qui sont, comme ceci a été mentionné, de préférence des substrats minces [0053] Au cours de l'étape 4B, la partie périphérique 410 n'est de préférence pas amincie, et conserve ainsi l'épaisseur qu'avait la tranche 402 avant l'étape 4B. En variante, la partie périphérique 410 est moins amincie que la partie centrale de la tranche. Après l'étape 4B, la partie périphérique 410 a une épaisseur supérieure à celle de la partie centrale de la tranche 402. De préférence, la structure obtenue à l'issue de l'étape 4B a, dans la partie périphérique 410, une épaisseur d supérieure ou égale à environ 500 pm, par 7 exemple 525 !lm. La partie périphérique 410 a, de préférence, une largeur 1 supérieure à environ 2 mm, par exemple de l'ordre de 3 mm. [0054] Pour amincir ainsi la partie centrale de la tranche 402 sans amincir la partie péri- phérique 410, on utilise, de préférence, un polissage du type connu sous le nom commercial "TAIKO". De préférence, pour la mise en oeuvre de ce polissage, on choisit un diamètre de la tranche semiconductrice 402 supérieur ou égal à environ 20,3 cm (8 pouces). En variante, on peut utiliser tout procédé d'enlèvement ou de retrait du matériau d'une tranche semiconductrice à partir de la partie centrale de sa face arrière, laissant en place le matériau situé à la périphérie de la tranche. [0055] A l'étape 5A, on recouvre la face arrière de la partie centrale de la tranche 402 par une couche conductrice 104, de préférence métallique. La couche 104 est de préférence en contact avec la tranche 402. La couche 104 a de préférence une épaisseur comprise entre 05 "im et 5 pm. De préférence, cette épaisseur est choisie en fonction de la conductivité électrique du matériau de la couche 104, et par exemple en fonction des intensités des courants circulant dans des composants tels qu'une diode à avalanche. La couche conductrice 104 peut recouvrir également la partie périphérique 410 de la face arrière. La couche 104 peut être conforme, et ainsi recouvrir également la face intérieure verticale de la partie périphérique 410. [0056] Du fait que la partie périphérique 410 a une épaisseur supérieure à celle de la région centrale amincie de la tranche 402, la tranche 402 est plus rigide que si l'épaisseur de la tranche était partout celle des futurs substrats minces Ceci permet de faciliter le dépôt de la couche 104 sur la face arrière. En particulier, si l'épaisseur de la tranche était partout celle des futurs substrats minces la tranche serait trop souple pour être manipulée facilement. [0057] Sur la face arrière de la structure obtenue après formation de la couche 104, on forme une couche 522 en un matériau électriquement isolant. La couche 522 est formée directement sur la couche 104, autrement dit la couche 522 est en contact avec la couche 104. Les futures régions 122 (figure 1) seront des portions de la couche 522. De préférence, la couche 522 est en un unique matériau. Une couche 522 comprenant plusieurs couches de matériaux différents est possible, cependant une couche en un unique matériau est plus simple à mettre en oeuvre. De préférence, le matériau de la couche 522, et donc des régions 122, est une résine, par exemple de type époxy. L'épaisseur de la couche 522 est choisie de sorte que l'épaisseur totale de la structure obtenue à l'issue de l'étape 5A soit supérieure à l'épaisseur des futurs dispositifs 100. [0058] Du fait que la tranche 402 est plus épaisse dans sa partie périphérique que dans sa partie centrale, on peut former la couche 522 par exemple par étalement et polymérisation d'un liquide. En particulier, si l'épaisseur de la tranche était partout celle des futurs substrats minces, la souplesse de la tranche rendrait difficile l'étalement d'un 8 liquide sur la face arrière. La formation de la couche 522 par étalement et polymérisation d'un liquide est alors plus simple à réaliser que, par exemple, l'apport de la couche isolante 522 sous la forme d'un support rigide. [0059] A l'étape 5B, à partir de la face avant, on grave des tranchées 530 délimitant les substrats 102. Les tranchées 530 s'étendent de la face avant des substrats 102 jusqu'à un niveau situé dans la couche 522. La profondeur des tranchées 530 est de préférence supérieure ou égale à la hauteur totale du substrat 102 concerné, de la couche 104, et de la région 122 (figure 1). Les tranchées ne traversent pas complètement la couche 522, de sorte qu'il reste, entre le fond des tranchées et la face arrière de la structure obtenue à l'étape 5B, des portions 532 de la couche 522. L'épaisseur des régions 532, c'est-à-dire la distance entre la face arrière de la structure et les fonds des tranchées 530, est suffisante pour que la structure obtenue à l'étape 5B soit facilement manipulable. A titre d'exemple, l'épaisseur des régions 532 est supérieure à 150 pm. [0060] A l'étape 6A, on recouvre la face avant de la structure obtenue à l'étape 5B d'un isolant 124A remplissant les tranchées 530. L'isolant 124A constitue le matériau des régions 124 de l'enveloppe 110 (figure 1), par exemple l'isolant 124A est une résine de type époxy. De préférence, l'isolant 124A recouvre intégralement la face avant. En particulier, l'isolant 124A forme une couche d'épaisseur suffisante pour que les plots conducteurs 420 soient recouverts de l'isolant 124A. [0061] A l'étape 6B, on retire tous les éléments de la structure obtenue à l'étape 6A situés du côté de la face avant, au-dessus d'un niveau passant par les plots métalliques 420. Ce retrait est par exemple effectué par un polissage mécanochimique. Il en résulte des bornes de connexion 120 correspondant aux parties restantes des plots 420. Ainsi, l'isolant 124A recouvre la face avant des substrats 102 à l'exception des emplacements des bornes 120. Les bornes 120 affleurent la face supérieure de l'isolant 124A. [0062] A l'étape 7A, on procède au polissage de la face arrière de la structure obtenue à l'étape 6B. De préférence, le polissage retire complètement les régions 532 de la couche 522. On a ainsi délimité, dans la couche 522, les régions 122 des enveloppes 110. Après cette étape, on a donc formé les substrats 102, les couches conductrices 104, et les régions isolantes 122 des dispositifs 100. Dans le cas préféré d'une couche 522 en un unique matériau, la face arrière de la couche 104 est recouverte seulement par ce matériau. [0063] Les dispositifs 100 sont reliées entre eux par l'isolant 124A située dans les tranchées 530, du fait de l'adhérence de l'isolant 124A sur les flancs des substrats 102, des couches conductrices 104, et des régions 122. On peut donc choisir l'épaisseur de la structure obtenue à l'étape 7A de sorte que l'ensemble des dispositifs 100 reliés entre eux forme une plaque aisément manipulable. [0064] A l'étape 7B, on découpe la structure obtenue à l'étape 7A en dispositifs 100 in- 9 dividucls. Pour cela, on retire l'isolant 124A dans des parties 702 sur toute la hauteur de la structure, par exemple par découpe. Les régions 702 sont situées dans des bandes 704 et ont une largeur inférieure à celle des tranchées 530, de sorte que des portions de l'isolant 124A recouvrant les flancs des substrats 102, des couches conductrices 140, et des régions 122 sont laissées en place dans chaque dispositif 100. La région 124 de chaque enveloppe 110 comprend les portions de l'isolant 124A recouvrant la face avant et les flancs du substrat 102, de la couche 104, et de la région 122 concernés. La région 124 affleure la face arrière de la région 122 autour de la région 122. [0065] Du fait que la région 122 qui est en contact avec la couche 104 est électriquement isolante, la couche 104 est électriquement isolée côté face arrière sans besoin d'ajouter une couche électriquement isolante supplémentaire sur la face arrière de la structure obtenue à l'étape 7A ou sur les faces arrière des dispositifs 100 obtenus à l'étape 7B. On évite ainsi une étape de formation de cette couche supplémentaire, et le procédé est donc simplifié par rapport à un procédé comprenant la formation de cette couche isolante supplémentaire. [0066] En outre, du fait qu'il n'y a pas de telle couche isolante supplémentaire, l'épaisseur des dispositifs 100 obtenus à l'étape 7B est la même que celle de la structure obtenue à l'étape 7A. Par conséquent, les dispositifs 100 obtenus ont une épaisseur réduite par rapport à des dispositifs dans lesquels l'enveloppe isolante serait constituée, côte face arrière, d'une portion d'une couche isolante supplémentaire recouvrant une région en contact avec la face arrière de la couche 104. [0067] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L'homme de l'art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à l'homme de Fart. [0068] Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes déctits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. 10