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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est l’édition remaniée de l’article E3400 intitulé « Packaging des circuits intégrés » paru en 2005, rédigé par Xavier SAINT MARTIN.
RÉSUMÉ
Le packaging a pour rôle d’établir les interconnexions électriques, de permettre la protection de la puce microélectronique, la dissipation de chaleur et de garantir la fiabilité du composant. Cet article est entièrement consacré au packaging des circuits intégrés. Avant d'établir les différentes typologies de boîtier, il détaille les principales étapes d’assemblage des puces et les supports d’interconnexions utilisés (métal, céramique, organique et nouveaux supports). Ensuite, il sensibilise sur la contribution du packaging aux performances électriques et thermiques, mais aussi à la fiabilité des composants.
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Jean-Luc DIOT : Gérant AssemblinnoV, Grenoble, France - Note de l'éditeur : Cet article est l’édition remaniée de l’article [E 3 400] intitulé « Packaging des circuits intégrés » paru en 2005, rédigé par Xavier SAINT MARTIN.
INTRODUCTION
Avec une augmentation soutenue de plus de 8% par an depuis 1985, l’électronique est aujourd’hui présente partout dans notre vie quotidienne et professionnelle. Les ventes des seuls composants électroniques ont représenté en 2016 près de 340 milliards de dollars, dont 80% pour les seuls circuits intégrés.
Cette croissance soutenue de la microélectronique a toujours été portée par l’émergence d’applications nouvelles : électronique d’infrastructure dans les années 80, PC au tournant des années 90, Internet à la fin du XXe siècle, puis dernièrement applications nomades (smartphone notamment) et enfin Internet des objets (IoT : Internet of Things). Le packaging a permis d’accompagner cette croissance grâce à trois ruptures technologiques majeures :
-
la généralisation des boîtiers pour montage en surface (CMS) à partir du milieu des années 80 ;
-
l’introduction des boîtiers sur supports organiques à partir du milieu des années 90, ceci a permis d’augmenter de manière importante le nombre de contacts (de contacts uniquement périphériques à des matrices de contacts) ;
-
la généralisation, à partir du milieu des années 2000, de boîtiers dédiés pour chaque application.
La fonction première du packaging est de rendre manipulable les circuits intégrés et ainsi d’établir les interconnexions électriques avec le circuit client (circuit imprimé) grâce à des formats standardisés (identiques à tous les fabricants). Bien évidemment, le packaging permet aussi de dissiper la chaleur dégagée lors du fonctionnement du composant et de protéger la puce microélectronique de l’environnement, participant ainsi à la fiabilité du composant. Pour les typologies de boîtiers émergeantes, cette frontière entre puce et boîtier tend à s’estomper.
Dans un premier temps, nous décrivons en détail les principales étapes unitaires d’assemblage et les quatre principaux types de substrats d’interconnexions associés (métal, céramique, organique et nouveaux substrats 3D). Ceci nous permet ensuite de décrire les principaux types de boîtier, dont ceux dédiés principalement aux applications portables et à l’Internet des Objets.
Ensuite, le rôle du packaging en termes de performances thermiques et électriques est souligné. Bien que les principaux fabricants réalisent des essais environnementaux, de la qualification d’un composant nouveau à la phase commerciale, les conditions d’utilisation client déterminent la fiabilité globale de la fonction. Avec l’émergence de boîtiers très compacts, la fiabilité de deuxième niveau, c’est-à-dire celle correspondant au boîtier monté sur circuit imprimé, est un point à prendre en compte dès la conception d’un circuit.
Un glossaire et un tableau de sigles et de symboles sont présentés en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2005 par Xavier SAINT MARTIN
- Version courante de sept. 2024 par Jean-Luc DIOT
DOI (Digital Object Identifier)
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Fiabilité des assemblages
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6. Performances thermiques
Les circuits intégrés sont des composants imparfaits et leur fonctionnement génére donc un flux de chaleur. Les problèmes thermiques demeurent donc au centre des préoccupations des spécialistes en packaging. Le flux thermique dissipé par un circuit intégré peut dépasser 106W.m−2. Un tel flux est largement supérieur à celui d’un fer à repasser (environ 500W.m−2). La performance d’un circuit intégré décroît nettement avec sa température de fonctionnement : un circuit CMOS voit son temps de commutation affecté d’environ 3% si sa température augmente de 10°C. La température de fonctionnement a aussi une influence sur la fiabilité du composant : le taux de défaillance double pour toute augmentation de température de 10°C. Les ingénieurs thermiciens ont donc pour mission de prendre en compte ces contraintes, pour maintenir la température des circuits intégrés à la valeur visée, laquelle résulte d’un compromis entre la performance, la fiabilité, et la densité.
6.1 Résistance thermique
Dans un échange thermique (à l’équilibre), la notion de résistance thermique Rth (en °C.W−1) est définie, par analogie entre la diffusion de la chaleur et la conduction électrique, par :
avec :
- ΔT(°C) :
- différence de température (entre l’air ambiant et la puce),
- P(W) :
- puissance thermique.
La résistance thermique globale se décompose en deux composantes :
-
la résistance thermique jonction-boîtier se définit comme la résistance thermique entre les jonctions des transistors du circuit intégré (où est généré le flux de chaleur) et le boîtier, plus exactement la partie du boîtier qui sera en contact avec le circuit imprimé. Cette résistance thermique dépend du type de boîtier et de la taille de puce...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SCHMITT (S.) - Le composant électronique monté en surface, technologie et mise en œuvre. - Masson (1994).
-
(2) - ALLEN (B.M.) - Soldering handbook. - ILIFE BOOKS LTD London, 1re publication (1969).
-
(3) - HARMAN (G.G.) - Wire-Bonding in Microelectronics. - (3rd edition), Mc Graw Hill (2010).
-
(4) - PÉRICHAUD (M.G.) - Évaluation de la fiabilité des adhésifs conducteurs en remplacement des brasures étain/plomb pour la réalisation des assemblages électroniques type CMS. - Université de Bordeaux I (2000).
-
(5) - * - Normes JEDEC (disponibles sur http://www.jedec.org, après inscription).
-
(6) - POUPON (G.) et al - Traitement des puces électroniques et nouveaux procédés...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
JEDEC ( http://www.jedec.org) et newletter quotidienne (Jedec.SmartBrief)
Journal Electroniques ( http://www.electroniques.biz, sur abonnement) et newletter quotidienne gratuite
Yole Développement ( http://www.yole.fr), cabinet de conseil en marketing technologique & stratégique dans le domaine du semi-conducteur et I-Micronews.com, site media d’informations sur les technologies « More than Moore » du semi-conducteur
SEMI ( http://www.semi.org)
PRISMARK Partners LLC ( http://www.prismark.com) pour les analyses technico-économiques
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Evènements organisés par IMAPS France, dont le forum MiNaPAD (Micro/Nano-Electronics Packaging and Assembly, Design and Manufacturing Forum, organisé à Grenoble).
Evènements organisés par SEMI-Europe (dont SEMICON-Europa, à Munich généralement en automne)
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