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WO 02/07208 PCT/FR00/02063
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PROCEDE DE FABRICATION DE CIRCUIT INTECRE
DE TYPE MONTABLE EN SURFACE ET CIRCUIT ISSU bU PROCEDE
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un circuit intégré
pour montage en surface des cartes électroniques. Plus précisément
l'invention concerne la réalisation des connexions électriques du boîtier avec
le circuit imprimé de la carte électronique.
La complexité croissante des circuits électroniques intégrés, ainsi
o que l'augmentation du nombre de semi-conducteurs pouvant être intégrés
dans une même puce, conduisent à une augmentation du nombre et de la
densité de connexions de sorties des circuits intégrés. Les technologies de
connexion en surtace des circuits intégrés n'ont cessé d'évoluer dans ce
sens.
~ 5 Certains boîtiers des circuits intégrés de L'état de l'art comportent
des rangées de pattes disposées selon un pas régulier, perpendiculairement
aux bords du circuit intégré, l'extrémité de chacune des pattes étant pliée à
90° par rapport à une face arrière du circuit intégré. Cette face
arriêre faisant
face à une face de montage de la carte électronique sur laquelle le circuit
2o intégré sera soudé. Le pliage des pattes à 90° permet leur soudure
sur la
face de montage de la carte. Ce type de connectique appelée couramment
par la dénomination anglaise de « Dual in line » ou DIL comporte
l'inconvénient d'être encombrante et ne permet que des réalisations des
boîtiers avec un nombre de sorties limité.
25 Les connexians utilisant un réseau de broches ou technologies de
connexion connues sous dénomination anglaise de « Pin Grid Array » ou
PGA, sont utilisées depuis longtemps dans la micro-électronique. La face
arrière du boîtier du circuit intégré réalisé dans cette technologie PGA est
équipée du réseau de broches situëes sous cette face arrière et
3o perpendiculaires à cette face. Dans cette technologie de connexion, les
broches doivent être insérées dans la carte électronique d'où une perte
importante de place.
Dans la technologie de circuits intégrés pour montage en surface
(CMS), des pattes en forme de « J N ou « J-Lead ~ repliées sur les bords du
35 boîtier du circuit intégrë sont soudées sur le circuit imprimé.
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Dans les dernières générations des boîtiers des circuits intégrés,
la connexion entre le circuit intégré et le circuit imprimé est réalisée par
une
matrice de billes en alliage plomb/étain. Cette technologie, connue sous la
dénomination anglaise de « Ball Grid Array » ou BGA, permet une
connectique très dense et plus courte verticalement, raccourcissant ainsi la
longueur des connexions entre ie circuit intégré et la carte électronique. Un
des avantages de cette technologie est son meilleur comportement en
fréquence.
A l'origine, la technologie BGA s'est développée pour obtenir un
o nombre important de broches de sortie sur les boîtiers avec un faible
encombrement, mais de nos jours cette technologie est utilisée même pour
des petites puces à faïble nombre de sorties (par exemple, mémoires de 40
broches).
La figure 1 représente une vue partielle en coupe d'un boîtier en
~ 5 céramique 10 d'un circuit intégré comportant une puce 12 reportée sur le
boîtier. La figure 1 montre le détail d'une des connexions de sortie du
boîtier
utilisant une connectique de type matrice à billes ou BGA .
Dans cet exemple de la figure 1, la puce 12 est retournée de façon
à présenter ses accès ëlectriques situés sur sa face active, face au substrat
2o d'interconnexion du boîtier 10, afin d'être soudée directement sur le
substrat
du boîtier. Dans d'autres réalisations, la puce (non retournée) peut être
soudée sur le boïtier par des connexions filaires.
La puce 12 est connectée par des soudures 14 à une connectique
interne 16 du boîtier 10. La connectique interne 16 est reliée à l'extérieur
du
25 boîtier, par l'intermédiaire des plages métalliques 18 situées du côté
d'une
face arrière 19 du boîtier 10. Des billes 20 en alliage plomb/étain, destinées
à
être soudées sur le circuit imprimé (non représenté sur la figure) sont
soudées sur les plages métalliques 18.
Ce type de connectique BGA de la figure 1 présente des
3o inconvénients importants. En effet lorsque les substrats du boîtier et
celui de
la carte sur laquelle est reporté le boîtier ont des coefficients de
dilatation
différents, par exemple boîtier en céramique et carte en résine époxy, la
dilatation différentielle entre ces deux substrats, lors des variations de
température, provoque des cassures des billes 20 de soudure. La hauteur
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des billes en alliage plomb/étain ne suffit pas à pallier ce problème et les
soudures cassent relativement rapidement suivant les cycles thermiques.
Les cassures des billes de soudure peuvent se produire d'une
part, au moment de la soudure du boîtier sur la carte électronique par le choc
thermique qui se produit lors de la fusion de la bille 20 puis son
refroidissement relativement rapide, et d'autre part en cours de
fonctionnement du circuit intégré lors des variations de la température
ambiante. Cette variation de la température ambiante pouvant être très
importante et rapide (-55°C à +150°C) dans le cas des
applications militaires.
o Un autre inconvénient de cette technologie de connexion de type
matrice de billes ou BGA est que le boîtier est difficilement récupérable pour
remplacer un composant coûteux en cas de panne.
Les fabricants de boîtiers proposent des solutions pour éviter les
cassures des billes de soudure des boîtiers soudés sur une carte.
La figure 2 montre une solution consistant à utiliser un interposeur
22 constitué essentiellement d'une plaque en céramique 24 comportant des
trous 26. Les trous 26 sont disposés selon la même distribution que celle des
plages métalliques 18 des connexions du boîtier.
Avant montage de l'interposeur 22 sur le boîtier, une bille de forme
2o allongée 28 de soudure est réalisée dans chacun des trous 26, les billes 28
dépassant de part et d'autre de la plaque de céramique 24.
La plaque de céramique comportant les billes allongées 28 est
disposée du côté d'une de ses faces, sous la face arrière 19 du boîtier 10.
Les extrémités des billes, dépassant des trous d'un même côté de la plaque
en céramique, sont soudées sur les plages métalliques 18 respectives des
connexions du boîtier.
Les autres extrémités des billes, dépassant de l'autre côté de la
plaque de céramique, destinées à être soudées sur une carte électronique,
sont de hauteur plus grande que les extrémités des billes soudées sur le
so boîtier. Les contraintes thermiques s'exerçant sur les billes du boîtier
équipé
de l'interposeur une fois soudées sur la carte, se trouvent ainsi réparties
sur
la périphérie de la bille.
Dans le cas où l'on souhaite obtenir une hauteur de billes plus
importante sous forme de colonne, afin de supporter des contraintes
thermiques plus importantes, il est nécessaire d'utiliser un moule adapté.
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Une autre solution pour éviter la cassure des billes de soudure,
est représentée par la figure 3.
Un boîtier 30 est creusé de cavités 32 semi-sphériques au niveau
des points de connexions du boîtier. Dans chacune des cavités 32
recouvertes d'une couche de métal 34, est insérée une bille sphérique 36 de
soudure. Dans ce type de connexion avec cavité, les contraintes thermiques
sont réparties sur une plus grande surface sans utiliser un interposeur
nécessitant un moule pour sa réalisation.
Dans le cas des boîtiers en céramique, les billes utilisées pour la
o soudure sont réalïsées habituellement dans un alliage comportant 93% de
plomb et 7% d'étain ne présentant pas une bonne mouillabilité. Dans le cas
des boîtiers en plastique, l'alliage comporte 63% de plomb et 37%. d'étain.
On ne pourrait pas utiliser un alliage comportant 63% de plomb et
37°~
d'étain dans le cas des boîtiers en céramique car cela conduirait à un
~ 5 écrasement trop important des billes lors de la soudure du boîtier sur la
carte.
Les solutions actuelles au problème de cassure des soudures ne
sont pas satisfaisantes en terme de coût et de performances. En particulier
l'interposeur est une solution coûteuse. L'utilisation des colonnes limite le
2o problème de cassure des billes mais cette solution, dans des applications
militaires, reste néanmoins techniquement insuffisante.
Afin de pallier les problèmes de connexion des boîtiers des circuits
intégrés de l'art antérieur, l'invention propose un procédé de fabrication
d'un
circuit intégré de type montable en surface, comprenant d'abord la fabrication
25 d'un boîtier ayant une face arrière et un réseau de broches de connexion,
le
réseau s'étendant sous cette face arrière perpendiculairement à celle-ci, et
ensuite la formation à l'extrémité de chaque broche d'une bille d'alliage à
bas
point de fusion entourant cette extrémité et soudëe à celle-ci, caractérisé en
ce que pour former la bille à l'extrémité de chaque broche
30 - on remplit d'une crème à souder, formée à partir du matériau de
l'alliage, une plaque à alvéoles dont les alvéoles utiles se trouvent
réparties
avec la même distribution que les broches du boîtier du circuit intégré ;
- on insère les broches du réseau de broches du circuit intégré
dans les alvéoles comportant la créme à souder, le circuit intégré étant au
35 dessus de la plaque à alvéoles ;
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- on chauffe la plaque à alvéoles jusqu'à la fusion de l'alliage ;
- on refroidit très rapidement la plaque à alvéoles afrn de ne pas
laisser le temps à l'alliage liquide de remonter le long des broches
- on retourne alors le circuit intégré et ia plaque d'alvéoles
5 solidaire du circuit par l'alliage solidifié dans les alvéoles de façon à
mettre la
plaque à alvéoles au-dessus du circuit intégré, le circuit intégré étant
suspendu à la plaque à alvéoles par ses broches prises dans l'alliage
solidifié dans les alvéoles
- on chauffe la plaque. à alvéoles jusqu'à la fusion de la soudure
~ o dans les alvéoles produisant la séparation par gravité du circuit intégré
de la
plaque à alvéoles et la formation des billes de soudure aux extrémitës des
broches, l'alliage ayant suffisamment mouillé les broches pour rester
accroché sur les broches et se solidifiant rapidement sous la forme de billes,
dès la séparation du circuit intégré de la plaque à alvéoles, l'alliage
n'ayant
t 5 pas le temps de s'étaler le long des broches.
L'invention propose aussi un circuit intégré de type montable en
surtace issu du procédé de fabrication selon l'invention, comportant un
boîtier ayant une face arrière et un réseau de broches de connexion
s'étendant sous la face arrière perpendiculairement à celle-ci, caractérisé en
2o ce que l'extrémité de chaque broche comporte une bille d'alliage à bas
point
de fusion soudée à l'extrémité de chaque broche en entourant cette
extrémité.
Dans certaines réalisations du cïrcuit ïntégré selon l'invention, la
longueur d'extrémité de broche entourée par la bille est sensiblerrient égale
25 au diamètre de la bille. ll en découle des réalisations particulières
telles que
dans une première réalisation, la longueur d'extrémité de broche entourée
par la bille est égale à la longueur de broche dépassant de la face arrière du
boîtier et dans une deuxième réalisation particulière, la longueur de broche
dépassant de la face arrière du boîtier est supérieure au diamètre de la
bille.
3o Dans d'autres réalisations du circuit intégré selon l'invention, la
longueur d'extrémité de broche entourée par la bille est inférieure au
diamètre de la bille.
L'invention est applicable à des circuits intégrés réalisés avec des
boîtiers soit en céramique, soit en plastique.
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Le procédé de fabrication selon l'invention est particulièrement
bien adapté aux circuits intégrés comportant des broches de section
sensiblement constante le long de la broche et notamment lorsque les
broches sont lisses, ce qui est généralement le cas.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à la lecture de la description détaillée qui en est faite en référence aux
dessins annexés dans lesquels
- la figure 1, déjà décrite, représente une vue partielle en coupe
d'un boîtier en céramique de l'art antérieur ;
o - la figure 2, déjà décrite, montre une vue en coupe du boîtier de la
figure 1 utilisant un interposeur ;
- la figure 3, déjà décrite, montre une vue en coupe d'un boîtier de
l'art antérieur comportant des billes de soudure disposées dans des cavités
du boîtier ;
~ 5 - la figure 4, représente un circuit intégré selon l'invention
comportant des broches avec des billes de soudure.
- les figures 5a, 5b, 5c et 5d représentent des vues détaillées de
différentes réalisations de broches du circuit intégré selon l'invention.
- la figure 6, montre une vue de détail d'une broche du circuit
2o intégré de la figure 4 soudée sur une carte électronique.
- les figures 7, 8, 9 et 10 montrent différentes étapes de fabrication
du circuit intégré selon l'invention.
La figure 4 montre un circuit intégré 40 selon l'invention
comportant des broches de connexion 42 lisses de section sensiblement
25 constante le long de la broche, chacune des broches ayant à son extrémité
une bille 44 de soudure entourant cette extrémité. Les broches sont réalisées
en ferronickel nickelé, puis doré dans le cas des boîtiers céramiques et en
Kovar pour les boîtiers plastique.
Le circuit intégré 40 peut être réalisé selon différentes
3o configurations de longueur de broches et de positionnement des billes aux
extrémités des broches. Les frgures 5a à 5d montrent le détail d'une des
broches du circuit intégré selon différentes configurations.
La figure 5a montre le détail d'une des broches d'une réalisation
du circuit intégré 40 équipé de broches de longueur Lb plus grande que le
35 diamètre de la bille 44 soudée à son extrémité. Si l'on considère la partie
de
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la broche Le entourée par la bille, que nous appellerons par la suite
extrémité
de broche, dans la réalisation de la figure 5a, la longueur de l'extrémité de
broche est sensiblement identique au diamètre D de la bille 44. Cette
réalisation comporte l'avantage de ne pas produire l'écrasement des billes de
soudure au moment de leur fusion, lors du report du circuit intégré sur la
carte. En effet, les billes sont armées par leurs broches respectives qui les
traversent sur la totalité de leur diamètre D.
Dans une autre réalisation, le circuit intégré est équipé de broches
courtes 46, dont la longueur est sensiblement égale au diamètre de la bille
0 44 de soudure, la bille entourant la totalité de la broche. La figure 8b
représente une vue d'une des brbches d'un tel circuit intégré. Cette
configuration avec des broches courtes, permet de souder le boîtier très près
du circuit imprimé de la carte tout en évitant un écrasement de la bille de
soudure par le poids du circuit intégré lors de son report sur la carte
~ 5 électronique; la bille étant armée, comme dans le cas de la réalisation de
la
figure 5a, sur la totalité de son diamètre D.
Dans d'autres réalisations du circuit intégré la longueur d'extrémité
de broche Le, entourée par la bille 44, est inférieure au diamètre de la
bille.
La figure 5c montre le détail d'une configuration de la broche 42
2o de la figure 5a, dans laquelle la longueur d'extrémité de broche Le
entourée
par la bille 44 est inférieure au diamètre D de la bille.
La figure 5d montre le détail d'une broche courte 48 dans une
configuration différente de celle de la figure 5b. Dans la configuration de la
figure 5d, la longueur Lb de la broche est inférieure au diamètre D de ia
bille,
25 la totalité de la broche 48 étant entourée par la bille 44.
Les billes 44 des différentes configurations des broches, peuvent
être réalisées dans un alliage comportant 63% de plomb et 37% d'étain qui
ne présente que des avantages, à savoir:
- point de fusiôn très base;
30 - mouillabilité ;
- alliage identique à celui utilisé sur le circuit imprimé ; ou tout
autre alliage adapté au report de composant en surface.
La figure 6 montre le détail de la broche 42 de la figure 5a après
soudure du circuit intégré 40 sur une carte électronique 50 ayant des
35 métallisations de report 52. Les métallisations comportent sur leur surface
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de la soudure 54 dans un alliage ayant généralement 63% de plomb et 37%
d'étain.
Dans les réalisations des figures 5a et 5b, au moment du report du
circuit intégré sur la carte, la soudure 54 située sur la métallisation 52
remonte vers l'extrémité de la broche 42. II n'est pas, par conséquent,
nécessaire d'écraser la bille de soudure 44 pour réaliser la soudure des
broches sur la carte.
Un autre avantage de cette invention réside dans le fait que même
en cas de rupture de la soudure entre la broche et la métallisation de la
o carte, le contact électrique sera assuré par la broche en contact sur la
métallisation. En effet, la broche qui est brasée sur le boîtier en céramique
est une liaison très solide.
Les figures 7, 8, 9 et 10 montrent les principales phases du
procédé de fabrication selon l'invention du circuit intégré de la figure 4.
Dans une première phase montrée à la figure 7, on procéde à la
fabrication d'un circuit intégré 60 de type montable en surface, comprenant
d'abord la fabrication d'un boîtier ayant une face arrière 62 et un réseau de
broches 64 de connexion lisses s'étendant sous cette face arrière
perpendiculairement à celle-ci.
2o La longueur et le diamètre des broches 64 seront choisis en
fonction des contraintes de l'application et des exigences en matière de
fiabilité.
Suivant l'état de surface du circuit intégré 60 en technologie
PGA, on peut étamer ou tremper les extrémités des broches 64 dans du flux
ou toute autre composition chimique adaptée.
Dans la première phase représentée à la figure 7, on remplit d'une
crème à souder 66 formée à partir du matériau de l'alliage et des solvants,
une plaque 68 à alvéoles, dont les alvéoles 70 se trouvent réparties sur la
plaque avec la même distribution que les broches 64 du boitier du circuit
3o intégré 60.
Dans une deuxième phase représentée à la figure 8, on insère les
extrémités des broches 64 du réseau de broches du circuit intégré 60 dans
les alvéoles 70 comportant la crème à souder 66, le circuit intégré étant au-
dessus de la plaque à alvéoles, puis on chauffe l'alliage en passant la plaque
à alvéoles sur une plaque chauffante jusqu'à la fusion de l'alliage et on
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refroidit très rapidement la plaque à alvéoles afn de ne pas laisser le temps
à l'alliage liquide de remonter le long des broches produisant la
solidification
de l'alliage dans les alvéoles.
Dans une troisième phase, représentée à la figure 9, on retourne
le circuit intégré 60 et la plaque à alvéoles 68 solidaire du circuit intégré
par
l'alliage solidifié dans les alvéoles de façon à mettre la plaque à alvéoles
au
dessus du circuit intégré. Dans cette phase, le circuit ihtégré est suspendu à
la plaque à alvéoles par ses broches prises dans l'alliage solidifié dans les
alvéoles 70 de la plaque.
o Dans une quatrième phase, représentée à la figure 10, on chauffe
la plaque à alvéoles jusqu'à la fusion de l'alliage dans les alvéoles
produisant
la séparation par gravité du circuit intégré de la plaque à alvéoles et la
formation des billes 72 de soudure aux extrémités des broches. L'alliage a
suffisamment mouillé les broches pour rester accroché sur les broches en se
solidifiant rapidement sous la forme de billes, dès la séparation du circuit
intégré de la plaque à alvéoles, l'alliage n'ayant pas ie temps de s'étaler
sur
les broches. Dans cette quatrième phase, le circuit intégré, lors de la
refusion
de l'alliage dans les alvéoles, tombe par son propre poids sur un réceptacle
80 prévu à cet effet situé sous le circuit intégrë (voir figure 10). La
distance
2o entre le circuit intégré et le réceptacle est au minimum égal à la
profondeur
des alvéoles de la plaque à alvéoles.
II est à remarquer que dans la deuxième phase du procédé de
fabrication représentée à la figure 8, l'ordre des deux opérations, consistant
à
insérer les extrémités des broches 64 du circuit intégré 60 dans les alvéoles
70 comportant la crème à souder 66 et à chauffer l'alliage en passant la
plaque à alvéoles sur une plaque chauffante jusqu'à la fusion de l'alliage,
est
indiffèrent et peut être inversé sans changement du résultat. On peut donc
aussi, d'abord faire fondre la crème à souder dans les alvéoles puis ïnsérer
les extrémités des broches 64 du circuit intégré 60 dans les alvéoles
3o La pâte à souder, formée par exemple à partir d'un matériau
d'alliage comportant 63°r6 de plomb et 37% d'étain, peut être réalisée
à
partir de tout autre alliage adapté au report des composants en surface.
Cette technologie de mise en place des billes de soudure aux
extrémités des broches est très bon marché et ne nécessite pas de machine
à positionner les billes préformées.
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La plaque 68 à alvéoles est réalisée, soit en graphite soit en titane
ou dans un autre type de matériau adapté à la refusion. La crème à souder
comporte habituellement 50% d'alliage plomb/étain et 50% de fluide.
En général, dans le procédé de fabrication, les extrémités des
broches sont insérées dans la plaque à alvéoles jusqu'au fond des alvéoles,
afin d'obtenir les broches des figures 5a et 5b, les billes de soudure
entourant l'extrémité de broche sur une longueur sensiblement égale au
diamètre D de la bille.
Dans une variante du procédé de fabrication du circuit intégré,
o l'alliage fondu dans les alvéoles de la plaque â alvéoles est obtenu en
plaçant des billes d'alliage calibrées dans une plaque à alvéoles, on fait
fondre les billes et on insère les broches du réseau de broches du circuit
intégré dans les alvéoles comportant l'alliage fondu, le circuit intégré étant
au-dessus de la plaque à alvéoles, les étapes suivantes étant les mêmes
~ 5 que dans le procédé décrit précédemment soit
- on refroidit très rapidement la plaque à alvéoles afin de ne pas
laisser le temps à l'alliage liquide de remonter le long des connexions ;
- on retourne alors le circuit intégré et la plaque d'alvéoles
solidaire du circuit par l'alliage solidifié dans les alvéoles de façon à
mettre la
2o plaque à alvéoles au-dessus du circuit intégré, le circuit intégré étant
suspendu à la plaque à alvëoles par ses broches prises dans l'alliage
solidifié dans les alvéoles ;
- on chauffe la plaque à alvéoles jusqu'à la fusion de la soudure
dans les alvéoles produisant la séparation par gravité du circuit intégré de
la
25 plaque à alvéoles et la formation des billes 72 de soudure aux extrémités
des
broches.
II est à remarquer que dans cette variante du procëdé de
fabrication, l'ordre des deux opérations consistant à faire fondre les billes
placée dans les alvéoles et à insérer les broches du réseau de broches du
3o circuit intégré dans les alvéoles comportant l'alliage fondu est
indiffèrent et
peut donc être inversé sans changement du résultat. On peut donc aussi,
insérer les broches du réseau de broches du circuit intégré dans les alvéoles
comportant les billes calibrées, puis faire fondre les billes.
Le procédé de fabrication, selon l'invention, transforme un circuit
35 intégré ayant une connectique de type PGA en technologie BPGA soit en
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langue anglaise « Ball Pin Grid Array ». Une fois le circuit intégré réalisé,
on
le monte sur sa carte électronique selon le même procédé qu'un BGA
classique.
Le circuit intégré selon l'invention permet d'obtenir une grande
densité de connexions tout en garantissant une meilleure fiabilité, la
facilité
de réparation du circuit et la possibilité d'évacuer des calories entre tes
substrats connectés.
