Bibliographie & annexes
Présentation
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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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Conclusion
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7. Défis du packaging plastique
Des innovations doivent sans cesse répondre aux nouveaux besoins en performances et aux nouvelles contraintes (écologiques par exemple).
7.1 Passage au procédé sans plomb
La directive RoHS, dont le principal impact au niveau de la carte électronique est la disparition de la brasure SnPb au profit d'un alliage à température de fusion plus élevée, a fortement ébranlé tout l'édifice bâti sur les propriétés de l'alliage au plomb.
Le profil de refusion du nouvel alliage (généralement étain- argent-cuivre, SnAgCu) impose notamment des matériaux supportant des températures élevées (jusqu'à 260 oC), la reclassification des boîtiers vis-à-vis du risque de délamination en cours de report et des conceptions modifiées pour prendre en compte la déformation des grands boîtiers.
Par ailleurs, certains additifs étant proscrits par cette directive, les fabricants de résine ont dû trouver d'autres solutions pour optimiser la tenue au feu et à l'oxydation des polymères. Cela n'est pas sans effet sur les propriétés mécaniques et le pouvoir d'adhérence des matières plastiques, qui doivent sans cesse s'adapter.
D'autres directives se profilent, auxquelles se prépare le marché de l'électronique. Les halogènes (F, Cl, Br) sont peu à peu exclus des matières plastiques. C'est la génération des produits « green ».
HAUT DE PAGE7.2 Miniaturisation : taille des composants, interconnexion avec puce
Le pas minimum des microsoudures filaires (ball bonding) est sans cesse repoussé (50 μm est devenu un pas standard), ou celui des bumps pour les flip-chips. Le pas des sorties externes des boîtiers est aussi toujours plus petit : 0,5 mm est couramment utilisé, et 0,4 ou 0,3 mm deviendront également des standards.
HAUT DE PAGE7.3 Accroissement des dimensions externes
Malgré les problèmes de planéité et de fiabilité des joints brasés en fatigues mécanique ou thermomécanique, les dimensions externes maximales des grands boîtiers continuent de croître (exemple :...
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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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