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RÉSUMÉ
Les premiers transistors ont été encapsulés dans des boîtiers hermétiques à cavité, à base de métal et de céramique. Ce mode d'encapsulation perdure aujourd'hui pour des applications ou composants spécifiques. Les premières innovations ont été exploitées dans les domaines militaire et spatial, puis l'utilisation croissante de l'électronique dans les matériels grand public a modifié cette organisation. Les contraintes de coût, d'automatisation, de dimensions et de poids ont justifié l'emploi de l'encapsulation plastique dans la plupart des applications. Cependant, ce type de packaging a dû mûrir pour répondre aux besoins de performances et de fiabilité des équipements. La tenue à la chaleur humide, la capacité à dissiper des puissances importantes, ou l'absence de perturbations électriques à fréquences élevées sont des qualités que le packaging plastique peut maintenant offrir.
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Charles LE COZ : Thales Corporate Services
INTRODUCTION
Les composants électroniques, dans leur grande majorité, utilisent l'encapsulation plastique. Les téléphones portables, caméras, appareils électro- ménagers, voitures, avions regorgent de composants en plastique. Seules quelques applications spatiales et militaires semblent résister à l'envahissement.
La principale motivation de l'emploi de I'encapsulation plastique est la réduction des coûts, surtout pour les volumes de production des applications grand public. Les progrès importants réalisés après guerre sur les polymères et les composites ont motivé les premières réalisations. Après quelques tentatives infructueuses au début des années 1970, les procédés d'encapsulation plastique sont devenus suffisamment fiables pour répondre aux besoins des équipements industriels, puis élargir peu à peu leur champ d'application au détriment des boîtiers hermétiques en céramique ou métal utilisés depuis l'origine des transistors et circuits intégrés (voir encadré).
Ainsi, le packaging plastique a constamment repoussé ses limitations intrinsèques (perméabilité à l'eau, coefficient de dilatation, adhérence sur métal et puce, propriétés électriques et thermiques, fiabilité).
Avant d'expliquer ce qui a motivé ces évolutions, et ce qui a imposé le mode d'encapsulation plastique à la quasi-totalité des composants sur la carte, ce document définit ce qu'est un boîtier de composant électronique, ses constituants principaux et son mode de fabrication. Les avantages et limitations des boîtiers plastiques comparativement aux boîtiers hermétiques sont ensuite exposés, ainsi que les solutions apportées pour améliorer et fiabiliser ce mode d'encapsulation. Enfin sont résumés les défis auxquels sont confrontés les boîtiers des composants électroniques modernes.
À chaque début de décennie correspond approximativement une étape de l'évolution des composants plastiques.
1970 : les premiers boîtiers encapsulés plastique apparaissent. Ils sont dits « traversant », ou « à piquer », car les broches traversent la carte d'interconnexion. Ce sont les PDIP (Plastic Dual In line Package), adaptation faible coût des CDIP (Ceramic DIP à cavité). À l'origine, ces composants étaient très peu fiables, cause de la grande méfiance des industriels vis-à-vis du plastique, présente encore aujourd'hui.
1980 : les premiers CMS (Composants de Montage en Surface) ont permis de faire un bond en miniaturisation non seulement au niveau composant mais aussi au niveau carte en libérant la place occupée par les trous métallisés. Ce sont d'abord les SO (Small Outline) et les PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier), puis, en réduisant les distances entre les broches et les épaisseurs des boîtiers, les PQFP (Plastic Quad Flat Package), TQFP (Thin QFP ), SSOP (Shrink SO Package), TSOP (Thin SO Package).
1990 : les premiers boîtiers surfaciques à billes BGAs (Ball Grid Array) permettent d'envisager des nombres de sorties supérieurs à 300, en réduisant encore les dimensions du boîtier comparativement à la puce. Ces boîtiers atteignent aujourd'hui plus de 1 500 billes dans des applications standard (circuits programmables).
2000 : arrivent les QFN (Quad Flat No lead ), boîtiers plastiques sans pattes, héritiers des anciens LGA céramique (Land Grid Array), pour réduire encore l'encombrement des équipements.
Les QFN sont dédiés à des nombres d'entrées-sorties modestes, c'est-à-dire communément de 6 à 80, bien que quelques applications apparaissent à plus de 100 sorties.
2010 : basée sur les technologies d'empilement de puces et d'interconnexions réalisées directement au niveau des tranches silicium (wafers), cette décennie est celle de la généralisation du 3D et du multicomposants, dans des formats connus de boîtier à sorties surfaciques (BGA, QFN).
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Limitations du packaging plastique
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3. Avantages de l'encapsulation plastique
Les principaux avantages des boîtiers plastiques, comparativement aux boîtiers hermétiques, sont les suivants.
3.1 Poids
De nombreuses applications électroniques sont sensibles, voire très sensibles, au poids des équipements : téléphones et ordinateurs portables, appareils photo, automobile, avionique, spatial… Un des facteurs du succès des boîtiers plastiques est la réduction de ce poids. La densité de l'alumine est 3,4 contre environ 1,8 pour la résine chargée.
HAUT DE PAGE3.2 Intégration
Un avantage majeur des boîtiers plastiques est leur capacité à réduire sans cesse leurs dimensions. Ainsi, de 1,27 mm dans les années 1980, le pas des broches (distance entre sorties) au montage en surface est passé à 1, 0,8, 0,65, 0,5 et 0,4 mm…
Les boîtiers à sorties surfaciques (à billes BGA ou à plages métallisées QFN) se sont ensuite avérés les plus efficaces pour continuer cette course à l'intégration.
Les pas les plus faibles des BGA (jusqu'à 0,3 mm) sont dédiés aux applications civiles très intégrées, fabriquées en volume très important permettant de bons rendements de fabrication des cartes.
Hormis les dimensions longueur-largeur, l'épaisseur des boîtiers a été également continuellement réduite (de plusieurs mm dans les années 1980 à moins de 1 mm au début des années 2000), grâce à la maîtrise du câblage filaire (hauteur des boucles filaires) et de l'encapsulation (capacité de surmouler le composant dans des moules étroits).
L'amincissement des puces a ensuite permis de réduire encore l'encombrement du boîtier. Une tendance est à l'absence de résine au dos de la puce pour optimiser l'épaisseur du boîtier et sa capacité à dissiper thermiquement. L'épaisseur totale du boîtier au-dessus de la carte peut ainsi atteindre 0,5 mm. La figure illustre la réduction des dimensions des boîtiers, du PDIP des années 1970 au Chip Scale Package (CSP)...
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Avantages de l'encapsulation plastique
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
Autres ouvrages de référence
* - International Technology roadmap for semiconductors – Assembly and packaging (2007). http://www.itrs.net
PFAHL (B.), CELESTICA. – INEMI - The impact of miniaturization - . Packaging Roadmap (2007).
HAUT DE PAGE
Pour accéder aux normes et publications JEDEC http://www.jedec.org
Pour s'informer sur la directive RoHS et le sans-plomb http://www.lead-free.org
Site de l'association de fabricants et équipementiers INEMI http://www.nemi.org
Sous-traitants d'assemblage spécialistes des boîtiers haut de gamme...
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