Bibliographie & annexes
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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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Défis du packaging plastique
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6. Cycle de vie des technologies d'encapsulation
Comme dans toutes technologies, les procédés et les matériaux évoluent, et des familles de produits disparaissent pour être remplacées par d'autres familles toujours plus performantes. Les familles de boîtiers ont cependant des durées de vie relativement longues comparées à celles des circuits qu'elles encapsulent. Ainsi, le boîtier à piquer PDIP, né avant 1970, est encore fabriqué, même s'il est considéré en fin de vie depuis de nombreuses années. La durée de vie des SO dépassera 25 ans, celle de certains boîtiers plus récents sera sans doute proche de 20 ans.
L'évolution technologique des boîtiers est tirée par les marchés de volumes, pour lesquels l'intégration est un facteur prépondérant, c'est-à-dire aujourd'hui les micro-ordinateurs et téléphones portables, les caméras numériques… Cet élan entraîne la disparition des technologies les plus anciennes, pour des raisons de coût de production (lié au volume produit) et d'intérêt pour l'équipementier à utiliser ces technologies pour réduire la taille des équipements (prix, poids, encombrement).
Les DIP, par exemple, après avoir connu plus de 2 décennies de suprématie, ont passé le relais aux boîtiers de montage en surface type SO (évitant les traversées encombrantes dans la carte), eux-mêmes remplacés par les SSOP, TSOP et TSSOP, avant la vague des CSP, WLCSP et QFN.
Dans le même temps, vers un plus grand nombre d'entrées- sorties, les PGA se sont vus remplacés par les PLCC et QFP, puis par les BGA.
La courbe de la figure représente la position relative des technologies des boîtiers sur une courbe de vie dont l'ordonnée peut être assimilée au volume relatif de production.
Les technologies les plus sûres sont situées au centre de la courbe. Les technologies en début de croissance sont perfectibles (exemples : composition de la résine, reproductibilité des procédés de fabrication). Les technologies en fin de vie ne bénéficient plus des progrès, ne justifient plus d'investissements et sont produites sur les lignes de fabrication les plus anciennes (machines en fin de vie, moins fiables).
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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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