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RÉSUMÉ
Le procédé de câblage filaire « wire bonding » (face en haut), resté longtemps la technique de référence dans le packaging des puces électroniques, ne peut pas satisfaire les contraintes actuelles des dispositifs électroniques. Les composants possèdent maintenant, de par leur faible taille, des pas d’interconnexion très réduits, et des performances qui réclament une distribution électrique sans faille. Le procédé « flip chip » (face en bas) permet un packaging, de petites dimensions, mais à haute densité d’interconnexions, avec de nombreuses entrées/sorties, des connexions plus courtes, et une faible inductance.
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Gilles POUPON : Responsable Programme « packaging et interconnexions » CEA (Grenoble) - LETI
INTRODUCTION
Historiquement, les technologies de packaging des puces de microélectronique pouvaient prendre en compte un montage par la face arrière des puces sur le circuit, pour la simple raison que les performances des dispositifs électroniques n’étaient pas substantiellement remises en cause par leur packaging ou leur assemblage sur carte. Pendant de nombreuses années, la technique de référence dans ce domaine a été le câblage filaire (« wire bonding ») où chaque plot de la puce est relié individuellement au circuit. Même si ce procédé est toujours le plus employé (en particulier dans le secteur industriel), compte tenu de l’évolution des performances des composants, les dispositifs électroniques très sophistiqués ne peuvent pas seulement se satisfaire de connexions « périmétriques » possibles par cette technique. Par exemple, aujourd’hui les applications mobiles sont fortement affectées par la diminution de la taille et du poids (donc des composants de plus en plus petits et ayant un pas d’interconnexion réduit) et par une demande de très hautes performances ne pouvant pas être pénalisées par des retards dans la propagation du signal électrique ou par des contraintes de distribution de la puissance électrique (fréquences de plus en plus élevées). Par rapport à la technique de wire bonding (technologie « face en haut »), il a fallu donc imaginer une technologie permettant d’augmenter très sensiblement le nombre d’interconnexions électriques (intégration surfacique). Pour cela, la technologie « flip chip » (face en bas) permet d’obtenir un packaging à haute densité d’interconnexions (nombreuses entrées/sorties électriques), hautement performant (connexions plus courtes, faible inductance et faible bruit), de diminuer la taille des composants et la taille du packaging. Les traitements de surface intervenant dans ce procédé sont nombreux et les couches d’interconnexion sont également variées. C’est pourquoi nous avons souhaité présenter dans ce dossier les dernières évolutions dans ce domaine.
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Choix du procédé d’élaboration
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4. Réalisation des microbilles fusibles de soudure
Le plot de connexion doit assurer 4 fonctions :
-
la connexion électrique entre le composant à assembler et son support ;
-
l’évacuation de la chaleur dissipée par la puce ;
-
la protection de l’environnement ;
-
l’établissement d’un lien structurel entre la puce et le substrat.
Le matériau et le procédé choisi ont un impact direct sur les performances du système. Le tableau 4 rassemble les matériaux les plus fréquemment utilisés pour constituer les billes et leurs principales caractéristiques :
4.1 Alliages fusibles
Les alliages fusibles constituent le cœur de la problématique ; plusieurs voies sont utilisées pour déposer l’alliage, souvent à base d’étain, sur le substrat. Selon le type d’application du futur système électronique, la nature des substrats ou la sensibilité des composants, les températures d’assemblage peuvent très sensiblement varier. Dans la pratique, on distingue donc trois catégories d'alliages :
-
les alliages à température de fusion élevée (supérieure à 250 oC) : les plus courants sont à base de Pb95Sn5 (308 oC) ou Pb97Sn3. On emploie aussi Au80Sn20 (280 oC) pour l’assemblage ou le scellement de composants optiques ;
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les alliages à température de fusion modérée (entre 200 et 250 oC) : les plus courants sont Sn95,5Ag3,5Cu1 (217 oC), SnAg3,5 (221 oC) ;
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les alliages à faible température de fusion (moins de 200 oC) : le plus fréquent est l’eutectique SnPb37 (183 oC). Selon les applications, on peut employer des alliages à base d’In [InSn48 (32,5 oC) ou In pur (157 oC)].
Remarque : depuis juillet 2006, les alliages fusibles contenant du plomb sont prohibés (cette mesure ne concerne cependant pas les alliages à point de fusion élevé...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TUMMALA (R.) - Fundamentals of microsystems packaging. - McGraw Hill, chap. 9 – Fundamentals of IC assembly (2001).
-
(2) - BLACKWELL (G.) - The electronic packaging Handbook. - CRC Press, chap. 4, Direct Chip Attach (1999).
-
(3) - * - The Nordic electronics packaging Guideline, chap. B1 (1999).
-
(4) - LAU (J.) - Low cost flip chip technologies for DCA. WLCSP and PBGA assemblies. - McGraw Hill, chap. 2 : Chip level interconnects (2000).
-
(5) - TSCHAN (T.) - An Overview of Flip Chip Technology. - Chip Scale Review, p. 29, mai-juin 2001.
-
(6) - RINNE (G.) - Solder bumping methods for flip chip packaging. - Proceeding Conference ECTC, p. 240 (1997).
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