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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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2. Description du procédé flip chip
Le « bumping » (connexion avec un alliage de soudure sur un plot) est au cœur des technologies de connexion par alliage fusible (flip chip ). Comme nous l’avons dit, la connexion électrique entre les puces est assurée par l’introduction d’une microbille conductrice entre les deux plots de connexion des puces recouverts d’une couche adéquate appelée UBM (Under Bump Metallurgy ). L’un des points les plus important dans ce procédé est de limiter la taille de la bille et de l’UBM sur le plot d’aluminium des puces. L’une des raisons pour lesquelles la technologie flip chip d’alliage de brasage n’est pas encore très utilisée est son coût élevé. Ces dernières années, de nouvelles solutions plus économiques de connexion au niveau du wafer ont été proposées, rendant son utilisation plus attrayante.
Pour bien comprendre les caractéristiques du procédé, il est nécessaire de bien identifier les différentes composantes de cette technique. Elles sont au nombre de quatre :
-
l’under bump metallurgy — UBM ;
-
le plot de sortie de la puce, du substrat ou du circuit ;
-
l’alliage de soudure ;
-
l’underfill (figure 5).
La structure du plot de soudure (« solder bump ») est la clé de la fiabilité pour le long terme et pour les considérations d’assemblage à court terme. Toutes les billes ne sont pas semblables et le choix du matériau de soudure et son élaboration peuvent affecter la fiabilité mais aussi l’assemblage. Avant d’entrer dans le détail des procédés, voici un bref résumé des caractéristiques recherchées.
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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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