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FR2758935A1 - Boitier micro-electronique multi-niveaux - Google Patents

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Abstract

Le boîtier micro-électronique comprend une embase (10) et un capot (26) délimitant avec l'embase un volume étanche contenant des micro-composants portés par l'embase. Le capot comprend un substrat d'interconnexion (40) portant lui aussi des micro-composants au moins sur sa face interne.par.

Description

BOITIER MICRO-ELECTRONIQETE MULTI-NIVEAUX
La présente invention concerne les boîtiers microélectroniques comportant une embase et un capot délimitant avec l'embase un volume étanche contenant des micro-composants portés par l'embase.
Elle est applicable chaque fois que l'on cherche à obtenir un rapport aussi élevé que possible entre la surface totale permettant de monter des micro-composants et l'encombrement du boîtier.
De telles applications incluent notamment la réalisation de systèmes électroniques et informatiques complexes, ayant des fonctions électroniques complexes, dissipant de la chaleur et/ou opérant à des fréquences élevées, tels que des coeurs de calculateurs ou de processeurs embarqués, notamment sur satellite. Ces applications comprennent également les micro-systèmes dans lesquels le boîtier comporte des micro-capteurs placés à l'extérieur du volume étanche et une électronique analogique et/ou numérique dans le volume étanche.
Pour augmenter le nombre de micro-composants, à encombrement donné, on a utilisé jusqu'ici diverses solutions. On a notamment utilisé des substrats bifaces ; on a également placé, à l'intérieur d'un boîtier métallique, fermé par un capot métallique ou en alumine, plusieurs substrats simples ou bifaces, empilés avec interposition de cales. La première solution ne procure qu'un bénéfice limité. Dans la seconde, le capot continue à représenter un poids mort important et exige une épaisseur accrue sans bénéfice du point de vue de l'implantation.
La présente invention vise notamment à fournir un boîtier électronique permettant de monter un nombre très accru de micro-composants dans le volume étanche. Dans ce but, elle propose notamment un boîtier dont le capot comprend un substrat d'interconnexion portant également des micro-composants, au moins sur sa face interne.
Dans un mode avantageux de réalisation, le substrat appartenant au capot est constitué d'une plaquette céramique co-cuite, reliée à l'embase par un cadre métallique.
L'embase supporte elle-même des micro-composants non pas directement, mais par l'intermédiaire d'un substrat ayant une constitution similaire à celle du substrat du capot. Le support peut, comme les substrats, être constitué par un cocuit céramique présentant des pistes conductrices de connexion et de sortie.
On voit que l'invention permet de créer deux surfaces de montage de micro-composants, c'est-à-dire capables de recevoir des puces nues, dans le volume étanche
Des micro-composants supplémentaires montables en surface peuvent être assemblés sur le capot. I1 peut s'agir de micro-composants sous boîtier hermétique, de microcapteurs, de composants passifs, etc.
Le boîtier suivant l'invention permet d'augmenter très considérablement la complexité de l'électronique encapsulée dans le volume étanche, et cela en maintenant de bonnes performances thermiques, l'évacuation de chaleur pouvant s'effectuer par l'intermédiaire de plots en matériau thermiquement conducteurs traversant les substrats et l'embase.
Le boîtier suivant l'invention peut au surplus contenir des substrats empilés selon une technique classique ou des puces superposées, suivant une des dispositions décrites par exemple dans les demandes de brevet FR 90 15210 et 93 01100.
L'invention vise également à fournir un mode d'interconnexion simple des micro-composants portés par l'embase et portés par le substrat appartenant au capot. Dans ce but, elle propose un boîtier ayant des moyens d'interconnexion formés par des lames minces conductrices, généralement en alliage à base de cuivre, placées côte-à-côte, solidarisées et maintenues à distance par des plaquettes isolantes, ayant une forme telle qu'une des extrémités de chaque lame est raccordable à une plage de connexion prévue sur l'embase et l'autre extrémité est raccordable à une plage de connexion prévue sur la face externe du substrat appartenant au capot.
Le "peigne" extérieur ainsi constitué permet de réaliser des liaisons de façon simple ; il permet de faire les liaisons collectivement, en adoptant pour les lames un pas de répartition constant et identique à celui des plages de liaison prévues sur l'embase et le substrat. Dans le cas où un faible nombre de connexions est nécessaire, il est possible d'utiliser un circuit imprimé flexible tel que le circuit "Sferflex" de la société Nicolitch, pour raccorder le capot à l'embase.
Un avantage supplémentaire de la présente invention est la possibilité de standardiser les ensembles embase-capot en ne prévoyant que quelques dimensions et de les personnaliser simplement par la nature des micro-composants.
Les moyens de connexion peuvent eux-mêmes être constitués en grande longueur et sécables à volonté pour constituer les tronçons de longueur nécessaire.
L'adoption de co-cuits céramiques, pour constituer l'embase et les substrats, a l'avantage d'autoriser des pas de répartition des sorties très faibles, pouvant dans certains cas descendre jusqu'à 0,5 mm. Un nombre très élevé de connexions peut ainsi être prévu, aussi bien pour les liaisons avec l'extérieur, par exemple en utilisant des pattes rapportées, que pour les liaisons entre les deux niveaux de réception de micro-composants nus.
La présente invention peut aussi s'appliquer à une disposition où deux cavités sont utilisées, une de chaque côté de l'embase co-cuite.
Les liaisons externes du boîtier sont alors uniquement périphériques et non plus surfaciques.
Une configuration mixte est possible, avec un capot co cuit porteur de composants sur une cavité, et un capot métallique sur l'autre cavité.
Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma de principe, en coupe, montrant une répartition possible des éléments constitutifs d'un boîtier suivant l'invention
- la figure 2 est une vue partielle montrant une disposition possible de composants sur le dessus d'un boîtier du genre montré en la figure 1
- la figure 3, similaire à la figure 2, montre une disposition possible des composants sur l'embase et le substrat interne du boîtier de la figure 1.
Le boîtier montré schématiquement en figure 1 peut être regardé comme comportant une embase 10, un capot 26, des micro-composants disposés dans l'espace étanche délimité par l'embase et le capot, des micro-composants supplémentaires portés par la face externe du capot, et des moyens d'interne connexion. Il est montable sur un support de grande taille, tel qu'une carte de circuit imprimé.
L'embase 10 sera généralement constituée par une plaque céramique co-cuite à haute température, ayant une constitution multi-couches, cest-à-dire ayant un empilement de couches isolantes céramiques et de couches de pistes conductrices formant un réseau électrique. La périphérie de la face interne de l'embase 10 présente des plages de connexion externe 12. Ces plages de connexion, prévues sur certains des côtés, permettent de braser des pattes de sortie 16 initialement plates mais pouvant être ultérieurement cambrées pour faciliter le report à plat du boîtier.
Ces plages peuvent aussi accueillir des contacts à pression pour effectuer la liaison à un circuit imprimé ou à un autre boîtier empilé sur le premier. Les lames 12 peuvent présenter une densité importante, jusqu'à un pas de 0,635 mm, voire 0,5 mm, ce qui autorise plusieurs centaines de points d'interconnexion si nécessaire pour un boîtier de 2 ou 3 pouces (51 ou 76 mm) de côté.
Dans une zone qui sera enfermée par le capot, sont formées des plages de connexion interne 14. Le réseau électrique de l'embase permet de relier la face interne de l'embase à la face externe et à certaines au moins des plages de connexion externes 12. Des trous de via métallisés, non représentés, réalisent les liaisons inter-couches.
De plus, des pions de transmission de chaleur, par exemple en métal ou en oxyde de béryllium brasé peuvent être prévus à travers l'embase.
Sur un côté de l'embase, les plages 12 seront généralement remplacées par des plages de brasage 18, qu'on peut qualifier de plages d'accueil, avantageusement réparties au même pas que les plages 12 et dont le rôle apparaîtra plus loin.
Une embase en céramique co-cuite permet de disposer aisément, sur la face externe de l'embase, des plages de connexion 20 réparties suivant un réseau à deux dimensions pour permettre un montage en surface utilisant par exemple la technologie dite BGA décrite par exemple dans Motorola
Technical Developments (1991) volume 14, Dec. 1991, page 28 ou la technologie à contacts boudinés décrite dans la demande de brevet FR 93 11230.
Dans le mode de réalisation illustré, un substrat interne 22 à haute densité, du type couramment utilisé en technologie dite "multi-chip module" est collé sur l'embase, à l'intérieur du capot 26. Ce substrat interne 22 peut notamment être du type céramique à monocouche ou multicouches épaisses et lignes très fines, ou à isolants et interconnexions déposés sur un matériau alumine ou métallique ou sur silicium.
Des micro-composars ou puces nues 28 sont montées sur ce substrat et câblées avec des fils 30 d'or ou d'aluminium.
Sur les puces de grande taille, constituées par exemple par des ASICs, mémoires ou microprocesseurs, on peut réaliser un empilage de composants 32 passifs ou actifs de petite taille, à l'aide d'un substrat intermédiaire. La figure 1 montre un tel substrat 34 du genre décrit dans la demande FR 94 06183. Des fils brasés supplémentaires 36 permettent l'interconnexion vers les étages inférieurs.
Le substrat interne 22 peut lui aussi être câblé sur des plages prévues sur la face interne de l'embase 10, autour du substrat, par des fils d'or ou d'aluminium 38.
En utilisant un tel substrat interne 22 rapporté, il est possible de constituer des ensembles embase-boîtier standardisés, utilisables pour plusieurs fonctions, le substrat interne étant seul personnalisé.
Le capot 26 comprend un substrat additionnel 40 et un cadre 42. Le substrat 40 sera en règle générale en céramique co-cuite, comme l'embase 10. I1 peut dans ce cas être biface, avec des liaisons interfaces. Le cadre 42 est en un alliage de coefficient de dilatation thermique compatible avec la céramique. Il est fixé à l'embase par brasure haute température (Au Sn, Cu Ag, etc...) sur une zone métallisée à la surface du substrat co-cuit. Pour relier le substrat 40 au cadre 42, un cadre plat mince intermédiaire 44, en Kovar par exemple peut être brasé à llor-étain sur la périphérie du substrat 40. Ce cadre mince est soudé électriquement sur le cadre épais 42, à la molette, ou bien au laser, pour former ainsi un volume hermétique.
Avant de fixer le substrat additionnel 40, on l'équipe de composants sur deux faces, ou sur une face si cela suffit. La face interne peut accueillir des puces actives 46 ou passives 48, éventuellement testées avant fermeture du boîtier, câblées avec des fils d'or ou d'aluminium. I1 est possible d'utiliser un autre substrat additionnel, ou encore des circuits intégrés disposés en trois dimensions, comme sur le substrat 22.
La face externe peu être équipée de plages étamées de brasage à l'étain de composants montés en surface (composants passifs 52 ou actifs 50, boîtiers de capteurs, etc).
En revanche cette face externe, exposée à l'ambiante, ne peut recevoir des puces, sauf si elles sont protégées par gels et capots plastiques.
La répartition des micro-composants entre les deux substrats 22 et 40 exige des interconnexions d'un substrat à l'autre, en plus des liaisons internes et des liaisons avec l'extérieur.
Dans le mode avantageux de réalisation montré en figures 1 et 2, les moyens d'interconnexion sont constitués par des lames minces conductrices 54, généralement en alliage à base de cuivre, placées côte-à-côte et solidarisées entre elles par des moyens isolants. Dans le cas illustré, ces moyens isolants comprennent deux plaquettes isolantes 56, par exemple en résine époxy, prenant les lames en sandwich. Ces plaquettes peuvent être surmoulées sur les lames ou collées sur elles, par exemple par une colle époxyde chargée. La plaquette 56 inférieure peut être collée sur le cadre mince 44, mais en général on se dispensera de ce collage, de façon à réduire les contraintes thermomécaniques. Les lames peuvent être réalisées par usinage chimique d'un feuillard d'alliage de cuivre d'épaisseur inférieure à 200 microns, ce qui autorise un pas d'interconnexion aussi faible que 0,635 mm.
Les lames permettent de relier les plages d'accueil 18, prévues sur un côté au moins de l'embase 10, à des plages complémentaires 58 prévues, avec le même pas de répartition, sur la face externe du substrat d'interconnexion 40. On donne au pas de répartition des lames 54 la même valeur que le pas de répartition des plages 18 et 58. Ce pas peut être le même que celui des plages 12 de connexion externe, de façon que toutes les plages puissent indifféremment convenir à des pattes de sortie et à des lames d'interconnexion.
Des empilements de lames peuvent être réalisés en grande longueur, puis tronçonnés en fragments comportant chaque fois le nombre de lames approprié. Si cela est nécessaire, deux rangées adjacentes de plages d'accueil 18 peuvent être prévues. Le connecteur constitué par un fragment d'empilement de lames peut être notamment fixé par dépôt à l'aide d'une crème à braser eutectique déposée à l'aide d'une pipette sur les plages 18 et 58, puis fusion au laser. il est cependant possible d'utiliser d'autres modes de brasage, par exemple un mode collectif par refusion en phase vapeur.
Les figures 2 et 3 (où les organes correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence) montrent un mode de réalisation dans lequel les composants internes au boîtier sont tous identiques entre eux. La figure 2 montre le connecteur constitué par un empilement de lames 54 séparées les unes des autres. La figure 3 montre les micro-composants actifs 32 placés sur le substrat 22.

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Boîtier micro-électronique comprenant une embase (10) et un capot (26)délimitant avec l'embase un volume étanche contenant des micro-composants portés par l'embase, caractérisé en ce que le capot comprend un substrat d'interconnexion (40) portant lui aussi des micro-composants au moins sur sa face interne.
2. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (40) appartenant au capot est constitué d'une plaquette céramique co-cuite, reliée à l'embase par un cadre métallique (42).
3. Boîtier selon la revendication 2, caractérisé par un cadre métallique plat (44) interposé entre le substrat (40) appartenant au capot et le cadre métallique (42) brasé sur l'embase (10).
4. Boîtier selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'embase porte les micro-composants par l'intermédiaire d'un substrat interne (22) ayant une constitution similaire à celle du substrat du capot.
5. Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que le support est constitué par un co-cuit céramique présentant des pistes conductrices de connexion et de sortie.
6. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des micro-composants supplémentaires montables en surface sont assemblés sur la face externe du capot.
7. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il a des moyens d'interne connexion formés par des lames minces conductrices, généralement en alliage à base de cuivre, placées côte-à-côte, solidarisées et maintenues à distance par des plaquettes isolantes et ayant chacune une forme telle qu'une des extrémités de chaque lame est raccordable à une plage de connexion prévue sur l'embase et l'autre extrémité est raccordable à une plage de connexion prévue sur la face externe du substrat appartenant au capot.
8. Revendication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par des plots en matériau thermiquement conducteurs d'évacuation de chaleur traversant l'embase et le ou chaque substrat.
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