FR2976719A1 - Procede pour la realisation d'un composant microelectronique courbe par effet bilame, et composant microelectronique ainsi obtenu - Google Patents
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Abstract
Le procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé consiste : ▪ à fabriquer à une première température un composant microélectronique comprenant au moins deux couches superposées (12, 14) et mécaniquement solidaires l'une de l'autre, lesdites couches (12, 14) présentant des coefficients de dilatation thermique différents ; ▪ à réaliser un empilement comprenant : o un substrat rigide (20) ; o ledit composant microélectronique; et o un matériau d'assemblage (18) en phase liquide intercalé entre le substrat rigide (20) et le composant microélectronique, le matériau d'assemblage (18) étant apte à se solidifier à une seconde température différente de la première température ; ▪ à soumettre le composant microélectronique et le matériau d'assemblage (18) à la seconde température ; et ▪ lorsque le composant microélectronique est à la seconde température, à solidifier le matériau d'assemblage (18).
Description
PROCEDE POUR LA REALISATION D'UN COMPOSANT MICROELECTRONIQUE COURBE PAR EFFET BILAME, ET COMPOSANT MICROELECTRONIQUE AINSI OBTENU
DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention a trait à la réalisation d'éléments non plans, notamment des composants électroniques ou optiques nécessitant une courbure contrôlée.
L'invention trouve particulièrement application dans le domaine des capteurs d'images et 10 des émetteurs matriciels, quel que soit leur domaine spectral, infrarouge, visible ultra-violet, rayons X par exemple.
ETAT DE LA TECHNIQUE
15 Les imageurs électroniques comprennent usuellement un capteur d'image plan, semi-conducteur réalisé en silicium selon la technologie CMOS ou CCD, et une optique qui forme une image de la scène observée sur le capteur d'image.
Toutefois, l'utilisation d'une simple lentille convergente en tant qu'optique n'est pas 20 satisfaisante dans la mesure où l'image formée par une telle lentille n'est pas plane mais sphérique, phénomène connu sous le nom de « courbure de champ ». De fait, l'image projetée par une lentille convergente sur un capteur plan est soit nette au centre mais pas sur les bords ou l'inverse. Ceci explique notamment la fabrication d'optiques complexes, formées de groupe de lentilles, ayant en outre subi des traitements de surface spécifiques 25 afin de conformer les images qu'elles produisent au caractère plan du capteur. Cependant, même à l'heure actuelle, les optiques les plus complexes introduisent toujours un certain nombre d'aberrations, tant géométriques que chromatiques, au rang desquelles figurent les distorsions en barillet et en coussinet, les aberrations sphériques (ou aberrations dites de « lumière diffuse »), le coma, l'astigmatisme, le vignettage, les éblouissements, la 30 lumière parasite (reflet), ou encore les franges chromatiques.
Une manière efficace de faire disparaître les erreurs induites par la courbure de champ est de modifier la forme du capteur d'image de façon à ce qu'il soit sensiblement de même forme que l'image formée par l'optique. On conçoit donc aisément l'intérêt de concevoir 35 des capteurs courbés dans le domaine de la formation d'image.5 Usuellement, les capteurs numériques, quelle que soit leur technologie (CCD ou CMOS pour le visible, à base de CdHgTe pour l'infrarouge, etc...), et leur configuration (monolithique, hybridé, etc...) comprennent un substrat dans lequel est formé un circuit de lecture des pixels, ce substrat présentant une épaisseur de quelques dizaines de micromètres à plusieurs millimètres. Or, la réalisation d'un substrat courbé, ou plus généralement la réalisation d'un circuit souple, restent difficile pour de telles épaisseurs. En effet, courber un circuit plan présentant une épaisseur élevée (typiquement supérieure à 50 micromètres), et ayant donc une rigidité élevée, provoque des défauts nuisant à la qualité du circuit, comme par exemple des bourrelets, des fêlures, des déchirures, voire même la destruction de connexions et de composants électriques contenus dans le circuit.
Pour éviter de tels inconvénients, il est possible de concevoir un circuit ayant une épaisseur très faible (typiquement inférieure à 50 micromètres pour un circuit en silicium), et par conséquent une grande souplesse, puis de coller celui-ci sur une membrane élastique qui est ensuite courbée selon la courbure souhaitée, par exemple une membrane précontrainte sous une forme plane lors du collage du circuit dont on relâche la contrainte pour que la membrane retrouve une forme courbée, comme par exemple décrit dans le document «A hemispherical electronique eye camera based on compressible silicon optoelectronics », de Heung Cho KO, Nature Letters, vol. 454/7, août 2008, ou encore une membrane élastique suspendue et déformée par application d'une tige à la courbure souhaitée, comme par exemple décrit dans le document « Curving monolithic silicon for nonplanar focal plane array application », de Rostam Dinyari, Applied Physics Letters 92, 091117_2008.
Toutefois l'emploi de telles techniques ne permet pas d'exercer des contraintes radiales importantes, c'est-à-dire dans le plan du circuit, en raison de la colle utilisée pour fixer le circuit à la membrane élastique, colle qui permet d'exercer sensiblement uniquement une force verticale, c'est-à-dire selon un axe perpendiculaire au plan du circuit, ce qui limite le contrôle de la courbure. En outre, il convient une fois le circuit courbé via la courbure de la membrane, de retirer cette dernière tout en collant le circuit courbé sur une pièce rigide présentant la courbure souhaitée, ce qui s'avère particulièrement difficile, sans compter que la colle présente souvent des défauts (bulles, inhomogénéités...) non contrôlables et non prévisibles qui se reportent sur le circuit aminci du fait de la faible épaisseur de ce dernier. La qualité finale du circuit se révèle de fait en grande partie aléatoire.
Le document US-A-7 397 066 décrit quant à lui différentes techniques pour courber un capteur d'image déposé sur une face d'un substrat plan, et notamment l'emploi d'un effet bilame. Plus particulièrement, un bilame, composé de deux couches de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents, est fixé sur la face opposée du substrat sur laquelle est réalisé le capteur d'image, et le bilame est porté à la température « opérationnelle » du capteur d'image. En raison de la différence de coefficients de dilation thermique, il se crée ainsi différentiel de dilation qui courbe le bilame, et par conséquent le substrat sur lequel il est fixé, et de fait le capteur d'image.
Toutefois, pour que le capteur d'image conserve la courbure souhaitée, il est nécessaire de conserver le bilame à la température « opérationnelle ». En effet, tout écart de température par rapport à cette température cible induit nécessairement une dilation différente des éléments du bilame, et donc une courbure différente de celui-ci, et delà une courbure différente du capteur d'image. Ceci suppose donc de prévoir des moyens de régulation de température dans le détecteur, caméra ou appareil photo par exemple, qui incorpore le capteur d'image, ce qui est non seulement difficilement envisageable pour les détecteurs grands publics, notamment en raison de la consommation excessive d'énergie de ce type de système.
EXPOSE DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé utilisant l'effet bilame et permettant de figer le bilame dans sa forme souhaitée sur une grande plage de températures.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé consistant : ^ à fabriquer à une première température un composant microélectronique comprenant au moins deux couches superposées et mécaniquement solidaires l'une de l'autre, lesdites couches présentant des coefficients de dilatation thermique différents ; ^ à réaliser un empilement comprenant : o un substrat rigide; o ledit composant microélectronique; et o un matériau d'assemblage en phase liquide intercalé entre le substrat rigide et le composant microélectronique, le matériau d'assemblage étant apte à se solidifier à une seconde température différente de la première température ; ^ à soumettre le composant microélectronique et le matériau d'assemblage à la seconde température ; et ^ lorsque le composant microélectronique est à la seconde température, à solidifier le matériau d'assemblage.
Par « liquide », on entend une phase de la matière où le matériau d'assemblage est déformable et ne s'oppose pas à la courbure du composant microélectronique. Notamment, au sens de l'invention, un matériau d'assemblage liquide peut également présenter une viscosité élevée, comme par exemple une colle polymère.
En d'autres termes, l'effet bilame est utilisé pour courber le composant microélectronique qui est figé dans sa courbure par sa solidarisation à un substrat au moyen d'une solidification d'un matériau d'assemblage.
Tout d'abord, dans sa phase liquide, le matériau d'assemblage ne s'oppose pas à la dilatation du composant microélectronique qui forme, ou comporte, un bilame, tout en remplissant, notamment par capillarité, l'espace entre le composant et le substrat.
Ensuite, en solidifiant le matériau d'assemblage, ce dernier reste ensuite solide pour une large gamme de températures, et notamment toute température inférieure à la température à laquelle le matériau d'assemblage a été solidifié. Le bilame reste donc également figé dans la courbure qu'il présente à la température de solidification du matériau d'assemblage et reste insensible aux variations de température, notamment inférieures, à cette température. Il n'est donc pas besoin de prévoir des mécanismes de régulation de température ou tout autre mécanisme additionnel pour conserver le composant dans la courbure souhaitée.
On notera par ailleurs que les étapes de réalisation de l'empilement et de chauffage ne sont pas nécessairement réalisées dans le sens exposé ci-dessus. Par exemple, l'empilement peut être réalisé alors que le matériau d'assemblage et le bilame sont déjà portés à la seconde température. De même, les différents composants peuvent être empilés alors que la matériau d'assemblage est dans une phase solide, par exemple lorsqu'il s'agit d'un matériau fusible, puis l'ensemble porté à une température supérieure à la température de fusion du matériau fusible.
Selon un mode de réalisation, au moins le composant microélectronique est pourvu d'une surface mouillable en regard du matériau d'assemblage, et dans lequel le matériau d'assemblage est un matériau de soudure. Selon ce mode de réalisation, le procédé consiste : ^ à empiler le substrat, le composant microélectronique et le matériau de soudure à une température inférieure à la température de fusion du matériau de soudure; ^ à chauffer le composant microélectronique et le matériau de soudure à une température supérieure à la température de fusion du matériau de soudure; et ^ à refroidir le composant microélectronique et le matériau de soudure à une température inférieure à la température de fusion du matériau de soudure.
En utilisant des matériaux de soudure, usuellement métalliques, dont la température de fusion est élevée, supérieure à la centaine de degrés Celsius, voire égale à plusieurs centaines de degrés Celsius, même dans le cas d'un matériau de soudure à bas point de fusion, comme l'indium par exemple, dont la température de fusion est égale à 156°C, cela signifie donc que le composant microélectronique, comprenant par exemple un capteur d'image, conserve une forme constante pour toutes les conditions de température que rencontre usuellement un détecteur, une caméra ou un appareil photographique par exemple
Le matériau de soudure est par exemple de l'indium (In), un alliage de mercure, de cuivre et d'étain (HgCuSn) dont la température de fusion est égale à 220°C, un alliage d'or et d'étain (AuXSny), par exemple Auo,8SnO.2, dont la température de fusion est égale à 280°C, un alliage d'or et de germanium (AuGe), un alliage d'argent et d'indium (AgIn), de l'argent (Ag), ou un alliage d'étain et de plomb (SnPb).
Les matériaux de soudure à bas point de fusion, comme par exemple de l'In, de Auo,8SnO.2 et du HgCuSn permettent de ne pas soumettre des éléments fragiles du composant microélectronique à des températures trop élevées tout en s'assurant que le composant microélectronique est figé sans sa forme souhaitée sur la gamme de températures usuellement constatée. Le HgCuSn et le AuSn sont quant à eux ductiles et résistants à la corrosion, et le AuSn, qui est non oxydable, ne nécessite pas l'emploi de flux de desoxydation lors de l'assemblage si le matériau d'assemblage est notamment également utilisé en tant que connexion électrique.
En outre, l'emploi de matériau de soudure, électriquement conducteur, permet d'assurer une continuité électrique entre le composant et le substrat. De plus, les matériaux métalliques présentent usuellement une bonne conductivité thermique, ce qui permet d'évacuer via le matériau d'assemblage la chaleur du composant électronique courbé si celui-ci vient à s'échauffer au cours de son fonctionnement.
Selon un autre mode de réalisation, dans lequel le matériau d'assemblage est un polymère réticulable par chauffage, le procédé consiste : ^ à empiler le substrat, le composant microélectronique et le polymère réticulable dans sa forme non réticulée à une température inférieure à la température de réticulation du polymère réticulable ; et ^ à chauffer le composant microélectronique et le polymère réticulable à une température supérieure à la température de réticulation polymère réticulable.
Tout d'abord, l'emploi d'une colle réticulable permet de s'affranchir des surfaces mouillables, usuellement en métaux nobles tel que l'or, utilisées avec les matériaux de soudure. Le nombre total d'étapes de fabrication est donc réduit, et corolairement le coût de fabrication. En outre, le simple fait de ne pas utiliser de matériaux nobles réduit également le coût de fabrication. Ensuite, une fois réticulée, une colle est solide pour une très large gamme de températures, et notamment des températures supérieures à la température de réticulation. Comme la température de réticulation des colles, par exemple, une colle époxy, est généralement inférieure à 150°C, cela signifie que la courbure souhaitée pour le composant microélectronique est obtenue pour des températures plus basses que pour le matériau de soudure et donc pour des contraintes thermiques plus basses sur les éléments fragiles du composant. En outre, pour un même type de colle, il est possible de faire varier ces constituants, et donc de faire varier la température de réticulation, ce qui offre un degré de liberté supplémentaire pour le choix de la courbure du composant. En revanche, une colle réticulable se dégrade plus rapidement qu'un matériau de soudure, présente un coefficient de dilatation thermique plus élevé qu'un matériau de soudure et s'oxyde plus facilement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le matériau d'assemblage est un polymère réticulable par irradiation, notamment par irradiation UV, le procédé consistant : ^ à empiler le substrat, le composant microélectronique et le polymère réticulable dans sa forme non réticulée ; ^ à soumettre le composant microélectronique et le polymère réticulable à la seconde température ; et ^ lorsque le composant microélectronique et le polymère réticulable sont à la seconde température, à réticuler le polymère réticulable en l'irradiant.
Tout d'abord, ce mode de réalisation présente les mêmes avantages qu'une colle réticulable par chauffage. Ensuite, ce mode de réalisation a l'avantage de rendre indépendantes la courbure du composant microélectronique et l'action de solidification du matériau d'assemblage. Notamment dans les modes de réalisation précédents, la courbure souhaitée pour le composant microélectronique est déterminée à la température de solidification du matériau d'assemblage, c'est-à-dire la température de fusion pour un matériau de soudure et la température de réticulation pour une colle réticulable par chauffage. Ainsi donc par exemple, si le processus de fabrication impose un matériau d'assemblage particulier, la conception du bilame doit nécessairement tenir compte de cette température pour obtenir la courbure souhaitée. Avec une colle réticulable par irradiation, par exemple UV, le choix de la température à laquelle le matériau d'assemblage se solidifie est libre, ce qui simplifie la conception du composant microélectronique. Par exemple, il est possible de réticuler une colle réticulable par irradiation UV à une température de 20°C. En revanche, un colle réticulable par irradiation nécessite usuellement des matériels spécifiques et complexes, et donc plus coûteux par exemple qu'une simple enceinte de chauffage. De plus certains éléments microélectroniques sont très sensibles aux irradiations, ce qui peut limiter le type de microcomposants auxquels s'applique ce mode de réalisation.
Selon un mode de réalisation, l'empilement est réalisé en posant le composant microélectronique sur le matériau d'assemblage, la courbure du composant microélectronique et sa solidarisation au substrat pouvant donc être réalisées simultanément.
Le matériau d'assemblage prend la forme de plots en matériau de soudure, chacun disposé entre une première surface mouillable du composant microélectronique et une surface mouillage du substrat. On constate que le matériau d'assemblage, lorsqu'il remplit complètement l'espace entre le composant et le substrat, a une influence, bien que faible, sur la courbure du composant microélectronique. Notamment, le matériau d'assemblage se contracte lorsqu'il se fige. En réalisant l'assemblage au moyen de plots, la quantité de matériau d'assemblage est moindre, ce qui diminue l'influence de ce dernier sur la courbure du composant, tout en garantissant une solidarisation de qualité avec le substrat. En outre, les plots peuvent être utilisés, si besoin, comme des interconnexions électriques entre le composant, par exemple un capteur d'image, et le substrat, par exemple un circuit de lecture. Enfin, l'utilisation de plots de soudure et de surfaces mouillables correspondantes permet un auto-alignement des composants lors de la fusion du matériau de soudure et évite ainsi l'emploi de matériels d'alignement très précis et donc très coûteux.35 De manière privilégiée, pour chaque plot en matériau d'assemblage, l'aire des surfaces mouillables associées au plot et le volume de matériau de soudure du plot sont déterminés en fonction de la distance séparant le composant microélectronique à la température de fusion du substrat à l'emplacement du plot. De cette manière, la hauteur de chaque plot peut être choisie égale à sa hauteur d'équilibre, le plot ne subissant donc pas de contrainte mécanique et n'appliquant pas de contrainte sur le bilame, ce qui permet d'améliorer la robustesse mécanique de l'assemblage. En outre, ceci permet de mettre en oeuvre des procédés collectifs d'assemblage auto-alignés, par exemple des procédés permettant d'assembler collectivement plusieurs centaines à plusieurs milliers de puces, et permet d'auto-aligner le composant microélectronique sur le substrat.
Selon un mode de réalisation, la couche du composant microélectronique faisant face au matériau d'assemblage est réalisée sous la forme de plots. Notamment, chaque plot de matériau d'assemblage est au contact d'un plot correspondant du composant microélectronique. Ceci permet notamment de concevoir la couche inférieure du bilame sous la forme de plots électriquement isolés, et simplifie le processus de fabrication des connexions électriques entre le composant microélectronique courbé et le substrat.
En variante, la couche du composant microélectronique faisant face au matériau d'assemblage est pleine et comprend des ilots en un matériau électriquement conducteur formés dans l'épaisseur de ladite couche. Notamment, chaque plot de matériau d'assemblage est au contact d'un ilot correspondant du composant microélectronique. Ceci permet notamment de pouvoir concevoir de régions présentant des fonctions différentes, par exemple des connexions électriques.
Selon un mode de réalisation, le composant microélectronique comporte uniquement que deux couches superposées et mécaniquement solidaires l'une de l'autre, lesdites couches présentant des coefficients de dilatation thermique différents. En d'autres termes, le circuit dont on souhaite la courbure, par exemple un capteur d'image, constitue lui-même l'un des éléments du bilame, ce qui diminue le nombre de couches du composant final et permet également une précision accrue du circuit objet de la courbure.
Notamment, l'une des couches du composant microélectronique qui ne fait pas face au matériau d'assemblage est un capteur d'image.35 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou fonctionnellement analogues, et dans lesquels : ^ les figures 1 à 5 sont des vues schématiques en coupe d'un procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel le matériau d'assemblage présent entre le composant microélectronique à courber et le substrat est plein ; ^ les figures 6 et 7 sont des vues schématiques en coupe d'une variante du procédé selon le premier mode de réalisation, dans lequel le composant microélectronique est posé sur le matériau d'assemblage dans une forme déjà courbée ; ^ les figures 8 à 10 sont des vues schématiques en coupe d'un procédé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel le matériau d'assemblage présent entre le composant microélectronique à courber et le substrat prend la forme de plots de soudure ; ^ la figure 11 est une vue en coupe d'une bille de soudure entre deux surfaces mouillables illustrant la hauteur d'équilibre de la bille ; ^ la figure 12 est un tracé illustrant la hauteur d'une bille de soudure en fonction du diamètre d'une zone mouillable ; ^ les figures 13 et 14 sont respectivement une vue d'une matrice de surfaces mouillables à diamètre croissant du centre vers les bords et de la courbure d'un composant microélectronique que des billes de soudure, posées sur la matrice de surfaces mouillables, peuvent adopter dans leur hauteur d'équilibre ; ^ les figures 15 est 16 sont des vues schématiques en coupe de deux schémas de connexions électriques permettant de rapporter des connexions électriques sur la face supérieure du bilame vers le substrat au moyen de plots d'assemblage ; ^ les figures 17 à 19 sont des vues schématiques en coupe d'un procédé selon un troisième mode de réalisation de l'invention utilisant des bilames locaux pour obtenir une forme complexe pour le composant microélectronique ; ^ la figures 20 est une vue schématique en coupe illustrant le rayon de courbure du composant microélectronique formant bilame ; ^ les figures 21 et 22 sont des vues schématiques en coupe illustrant la fabrication collective de détecteurs devant être courbés ; ^ la figure 23 est une vue illustrant la flèche d'une courbure ; ^ la figure 24 est un graphe illustrant la variation de la flèche d'un bilame silicium composite/nickel en fonction de l'épaisseur de la couche de nickel ; 9 ^ les figures 25 à 27 sont des vues schématiques en coupe illustrant une première variante de réalisation d'un bilame à partir d'un détecteur illustré aux figures 21 et 22 ; ^ les figures 28 et 29 sont des vues schématiques en coupe illustrant une deuxième variante de réalisation d'un bilame à partir d'un détecteur illustré aux figures 21 et 22 ; ^ les figures 30 et 31 sont des vues schématiques en coupe illustrant le report et la courbure d'un détecteur formant bilame des figures 25 à 29 ; et ^ la figure 32 est une vue schématique en coupe illustrant le report et la courbure collective de détecteurs formant bilame des figures 25 à 29.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Il va à présent être décrit en relation avec les figures 1 à 5 un procédé selon un premier mode de réalisation selon l'invention.
Le procédé débute par la fabrication d'un composant microélectronique sous la forme d'un bilame 10 (figure 1). Le bilame 10 est fabriqué à une température dite « initiale » température à laquelle le bilame 10 adopte une première courbure dictée par les conditions de sa fabrication, et de préférence présentant une courbure inférieure à la courbure finale souhaitée. Dans l'exemple illustré aux figures, le bilame 10 est plat.
Le bilame 10 comporte une première couche supérieure 12, d'épaisseur el, de coefficient de dilatation thermique moyenal, et de module d'Young El, et une seconde couche inférieure 14 d'épaisseur e2, de coefficient de dilatation thermique moyen a2, et de module d'Young moyen E2 .
Les couches supérieure 12 et inférieure 14 sont solidarisées l'une à l'autre par une colle, une soudure, une brasure, une adhésion moléculaire, une diffusion ou autres, de manière à garantir que les couches 12, 14 restent solidaires l'une de l'autre lorsque le bilame 10 sera ultérieurement chauffé afin de le conformer à la courbure souhaitée. Notamment, si un matériau est utilisé pour solidariser les couches 12, 14, ce matériau est avantageusement choisi pour assurer une liaison dure entre celles-ci, c'est-à-dire que le matériau solidarisant les couches 12 et 14 ne se liquéfie pas et ne devient pas viscoplastique lorsqu'il est soumis au chauffage ultérieur.
Les coefficients de dilatation thermiquea,, a2 des couches supérieure 12 et inférieure 14 sont notamment choisis différents afin que le différentiel de dilatation dans le plan principal de ces couches sous l'effet d'un écart de température par rapport à la température initiale T, induise la courbure du bilame 10, comme expliqué plus en détail ci-après.
La couche supérieure 12, par exemple un capteur d'image, peut être formée sur la couche 14 de manière connue en soi, en utilisant par exemple des techniques de dépôt par évaporation, par pulvérisation plasma, par électrolyse, par dépôt dit « electroless », etc... Le procédé se poursuit par le dépôt sur la face libre de la couche inférieure 14 d'une fine couche de matériau de soudure 16, par exemple une couche d'or de quelques nanomètres, de manière à former une surface mouillable pour un matériau de soudure.
15 L'ensemble 12, 14, 16 ainsi réalisé est alors posé sur une couche de matériau de soudure 18, elle-même déposée sur un substrat 20 (figure 2). Le substrat 20 est rigide, c'est-à-dire qu'il ne subit pas de déformation sous l'influence de la courbure du bilame 10 auquel il sera ultérieurement solidarisé. La rigidité du substrat 20 est assurée par un choix approprié d'une épaisseur e5 élevée, par exemple supérieure à l'épaisseur du bilame 10, 20 et/ou par le choix d'un module d'Young E5 élevé, par exemple choisi très supérieur à chacun des modules d'Young El, E2 des couches 12 et 14 du bilame 10.
Le matériau de soudure 18 est par exemple du In, du HgCuSn, du AuXSny, par exemple du Auo88SnO.2, du AuGe, du Agln, de l'Ag, ou du SnPb. 25 Les matériaux de soudure à bas point de fusion, comme par exemple de l'In, de Au0,8Sn0.2 et du HgCuSn, permettent de ne pas soumettre des éléments fragiles du composant microélectronique à des températures trop élevées tout en s'assurant que le composant microélectronique est figé sans sa forme souhaitée sur une large gamme de températures. 30 Le HgCuSn et le AuSn sont quant à eux ductiles et résistants à la corrosion, et le AuSn, qui est non oxydable, ne nécessite pas l'emploi de flux de desoxydation lors de l'assemblage si le matériau de soudure est également utilisé en tant que connexion électrique. 35 Ensuite, l'ensemble est porté à une température supérieure à la température de fusion Tf du matériau de soudure 18, de sorte que ce dernier devient liquide.10 Dans le premier mode de réalisation, la température initiale T,. à laquelle est fabriqué le bilame 10 est inférieure à la température de fusion du matériau de soudure 18. Sous l'effet du chauffage, les couches 12 et 14 subissent des dilatations, notamment dans leurs plans, différentes en raison de leurs coefficients de dilatation différents, ce qui a pour effet de courber le bilame 10 (figure 3). Plus particulièrement, le bilame prend une forme : ^ convexe, comme illustré à la figure 3, si le coefficient de dilatation thermique a2 de la couche inférieure 14 est inférieur au coefficient de dilatation thermique a, de la couche supérieure 12 ; ^ concave si le coefficient a2 est supérieur au coefficient a,.
Le matériau de soudure 18, qui est dans son état liquide, comble par ailleurs par capillarité l'espace entre le bilame 10 et le substrat 20 en faisant contact avec la surface mouillable 16 du bilame 10, d'une manière connue en soi dans le domaine de la soudure (figure 4). Enfin, l'ensemble est refroidi à une température inférieure à la température de fusion Tf du matériau de soudure 18, qui est également la température à laquelle le matériau de soudure 18 se solidifie. Le bilame 10 est ainsi figé dans la courbure qu'il présente à la température de fusion Tf du matériau 18, ou à tout le moins une température très proche, de l'ordre de quelques dixièmes de degré Celsius, de la température de fusion Tf, le temps que le matériau de soudure 18 présente un module d'Young suffisant pour s'opposer au relâchement du bilame 10 sous l'effet de l'abaissement de la température (figure 5).
De préférence, le chauffage est réalisé à une température légèrement supérieure à la température de fusion Tf afin de ne pas soumettre le bilame 10 à une courbure très supérieure à celle souhaitée, ce qui risquerait inutilement de fragiliser le bilame 10. Ceci 30 permet également d'obtenir une solidification quasi-immédiate du matériau de soudure 18 une fois le refroidissement commencé.
Selon une première variante, une colle constituée d'un polymère réticulable par chauffage est utilisée à la place du matériau de soudure 18, par exemple une colle époxy. Dans cette 35 variante, la couche formant surface mouillable 16 est omise et le bilame 10 est posé sur la colle à une température inférieure à la température de réticulation de celle-ci alors que la colle est dans son état non réticulé, et donc dans un état liquide. Un chauffage est ensuite réalisé à une température supérieure à la température de réticulation, de préférence une température légèrement supérieure à celle-ci, ce qui provoque la réticulation de la colle, puis l'ensemble est ensuite refroidi. Tout comme le matériau de soudure, la colle comble par capillarité l'espace entre le bilame courbé 10 et le substrat 20. La colle en se réticulant fige ainsi le bilame 10 dans sa courbure à la température de réticulation. Une colle formée d'un polymère réticulable a l'avantage de se solidifier à la température de réticulation en présentant quasi-instantanément un très grand module d'Young s'opposant au relâchement du bilame 10. Le contrôle de la courbure du bilame est donc plus précis. Selon une seconde variante, une colle constituée d'un polymère réticulable par irradiation est utilisée à la place de la colle réticulable par chauffage, avantageusement une colle réticulable par irradiation UV. Dans cette variante, le bilame 10 est également posé sur la colle alors que celle-ci est dans son état non réticulé, et donc dans un état liquide. Si cette opération est réalisée à la température correspondant à la courbure souhaitée pour le bilame 10, une irradiation est mise en oeuvre pour réticuler la colle. Sinon, l'ensemble est portée à cette température et l'irradiation mise en oeuvre. Dans ce qui vient d'être décrit, le bilame 10 est sensiblement plan avant son chauffage, signifiant notamment que le report du bilame est réalisé à la température initiale T,. de fabrication du bilame 10. Le bilame doit être reporté déjà courbé sur le matériau de soudure 18 si ce report est réalisé à une température différente de la température T, . Par exemple, comme illustré à la figure 6, le bilame 10 est fabriqué à une température initiale T,. supérieure à la température de fusion Tf et est donc sensiblement plat à cette température (bilame 10' en pointillés), puis reporté sur le matériau d'assemblage 18 alors qu'il présente une température inférieure et donc une courbure (bilame 10 en traits continus). L'ensemble est alors porté à la température de fusion Tf du matériau d'assemblage, ou bien reporté sur le matériau d'assemblage 18 à une température supérieure à la température Tf, le matériau d'assemblage 18 étant dans ce dernier cas déjà liquide, puis refroidi à une température inférieure à la température de fusion Tf, comme décrit précédemment. Le chauffage et le refroidissement du matériau d'assemblage figent donc le bilame 10 dans une forme déjà courbée (figure 7). Il va être décrit en relation avec les figures 8 à 10 un procédé selon un second mode de réalisation qui diffère du premier mode de réalisation par le matériau d'assemblage qui prend la forme de plots, notamment de billes de soudure. Cet agencement permet notamment de limiter l'influence de la rétractation du matériau de soudure lors de son refroidissement, tout en permettant de maintenir figée la courbure du bilame. Ceci permet également de définir des interconnexions électriques entre le bilame et le substrat si l'application le nécessite. Plus particulièrement, le second procédé détourne la technique d'assemblage dite de « flip-chip » par billes de soudure pour figer le bilame dans sa forme courbée souhaitée.
Le procédé débute par la fabrication d'un bilame 30 avec une couche supérieure 12 et une couche inférieure 14. A la différence du bilame décrit en relation avec la figure 1, il n'est pas formé une surface mouillable continue sur la face libre de la couche inférieure 14, mais des ilots 36 définissant des surfaces mouillables, par exemple en or, la face libre de la couche inférieure 14 étant elle-même non mouillable ou ayant subi un traitement ou un dépôt pour la rendre non mouillable (figure 8).
Cet ensemble est ensuite reporté sur des billes de soudures 38 en faisant reposer chaque surface mouillable 36 sur une bille de soudure 38 correspondante. Chacune des billes de soudure 38 repose par ailleurs sur un ilot 40 formé sur le substrat rigide 20, par exemple en or, et définissant une surface mouillable, la face du substrat 20 recevant les ilots 40 étant non mouillable (figure 9). L'ensemble formé d'une bille de soudure 38 et de ses surfaces mouillables associées 36 et 40 est ci-après désigné par l'expression « colonne d'hybridation » par référence à la technique d'hybridation « flip-chip ».
Un chauffage à une température supérieure à la température de fusion Tf du matériau constitutif des billes de soudure 38, et de préférence légèrement supérieure pour les raisons évoquées précédemment, est mis en oeuvre, puis l'ensemble est refroidi à une température inférieure à la température de fusion Tf . Le bilame 30 reste alors figé à la courbure qu'il présente à la température de fusion Tf (figure 10).
Le procédé peut alors optionnellement se poursuivre par le remplissage de l'espace libre entre les billes de soudure 38 par un matériau de remplissage, ou « underfill », solide à la température de fonctionnement du composant électronique afin de protéger les billes de soudure 38 de contraintes mécaniques induites par d'éventuels cycles thermiques ultérieurs, un appareil électronique pouvant fonctionner à de très basse température (par exemple, en hiver) ou à des très hautes températures (par exemple en été). En figeant les billes, l'« underfill» permet de rendre fiable le composant dans le temps, notamment en réduisant les contraintes mécaniques exercées sur les billes par d'éventuels cycles thermiques.35 De préférence, l'épaisseur du bilame 10 est choisie la plus faible possible de manière à ce que la force de rappel du bilame exercée lors du refroidissement ne déforme pas de manière excessive les billes de soudure 38. Notamment, lorsque la température du bilame 10 s'écarte de la température de fusion Tf, le bilame 10 exerce une force radiale selon un plan horizontal en cherchant à s'adapter à la forme qu'il aurait à cette température s'il n'était pas figé. Cette force est d'autant plus importante que l'épaisseur du bilame 10 est élevée. En choisissant une épaisseur la plus faible possible pour le bilame 10, les contraintes mécaniques appliquées par le bilame 10 sur les billes de soudure 38 sont donc réduites.
En choisissant des colonnes d'hybridation 36, 38, 40 strictement identiques, certaines billes de soudure, voire la quasi-totalité, seront soumises à des contraintes mécaniques d'étirement ou de compression de la part du bilame 30 car elles ne pourront prendre leur hauteur dite « d'équilibre », ce qui fragilise ces colonnes d'hybridation. Selon une variante privilégiée de l'invention, les colonnes d'hybridation sont déterminées pour qu'elles présentent leurs hauteurs d'équilibre lorsque le bilame 30 est figée dans sa courbure souhaitée, les colonnes d'hybridation 36, 38, 40 «accompagnant» ainsi ladite courbure sans être soumises à des contraintes mécaniques. 20 La figure 11 illustre ce phénomène ainsi que le principe fondant cette variante privilégiée. On considère ici une unique bille de soudure liquide 38 prise en sandwich entre deux ilots cylindriques 36, 40 en matériau mouillable par le matériau de la bille 38 et formés respectivement sur le bilame 30 et le substrat 20 dont les surfaces sont non mouillable par 25 le matériau de la bille 38.
Si la hauteur H entre le bilame 30 et le substrat 20 est libre de varier en fonction des propriétés de la bille 38 (par exemple, le substrat 20 est rigide et fixe, et le bilame 30 est posé sur la bille 40 sans exercer aucune autre contrainte que son propre poids), lorsque le 30 matériau de la bille 38 est en phase liquide, celle-ci prend alors une forme d'équilibre unique dépendant de la nature du matériau la constituant, de sa limite de compression (qui détermine la hauteur minimale de la bille 38 à la limite de sa rupture lorsqu'elle est écrasée), de sa limite de tension (qui détermine la hauteur maximum de la bille 38 à la limite de sa rupture lorsqu'elle est étirée) et de paramètres extérieurs tels que la pression 35 exercée par les surfaces avec lesquelles elle est en contact (dans l'exemple illustré, la pression surfacique exercée par Pilot 36 du fait du poids de Pilot 36 et du poids du bilame 30).15 On notera également qu'il importe peu que les ilots de surfaces mouillables 36, 40 soient initialement positionnés l'un en face de l'autre avec précision. En effet, lors de la fusion de la bille 38, l'accrochage du matériau de celle-ci avec les surfaces mouillables des ilots 36, 40 provoque naturellement le déplacement relatif du substrat 20 et du bilame 30 pour parvenir à un état d'équilibre dans lequel les ilots 36, 40, et donc le substrat 20 et le bilame 30 sont alignés.
De manière pratique, cela signifie qu'il est possible de positionner grossièrement les ilots 36 sur les billes 38 lors de l'étape décrite à la figure 9, la fusion ultérieure des billes 38 10 provoquant un auto-alignement du bilame 30 sur le substrat 20.
En pratique toujours, si la pression verticale exercée sur une bille 38 est négligeable, la forme d'équilibre de la bille 38 s'approxime par une sphère tronquée par les surfaces 42, 44 des ilots 36, 40. Cette sphère tronquée présente une hauteur d'équilibre aisément 15 calculable par de simples règles de calcul géométrique en fonction du volume de matériau de la bille 38 et de l'aire S, S des surfaces 42, 44 des ilots 36, 40.
Notamment, on notera que, pour un même volume de matériau de soudure, plus la somme des aires S, S est importante, plus la hauteur d'équilibre est réduite, et vice versa. Si en revanche, la hauteur H entre le bilame 30 et le substrat 20 est contrainte d'une quelconque manière, par exemple par la courbure du bilame 30, la bille 38 s'étire si cette hauteur H est supérieure à la hauteur d'équilibre h ou se comprime si cette hauteur H est inférieure à la hauteur d'équilibre 25 Le tracé de la figure 12 illustre à titre d'exemple la hauteur d'équilibre d'une bille de soudure 38 pour un ilot 40 du substrat 20 de diamètre égal à 45,17 micromètres (soit une aire SI de 1,602.103 µm2) et un volume de matériau des billes 38 égal à 86,023.103µm3. En abscisses, il est représenté le diamètre d'un ilot 36 formés sur le bilame 30, et en 30 ordonnées, la hauteur d'équilibre correspondante de la bille 38.
Comme on peut le constater, il est possible d'obtenir par un choix approprié, par exemple du diamètre de Pilot 36, et donc de l'aire de la surface mouillable définie par Pilot 36, une variation de 60 % de la hauteur d'équilibre de la bille 38, ce qui est permet 35 d'accompagner la courbure du bilame 30. 20 La figure 13 illustre une vue de dessous du bilame 30 avec un exemple de matrice d'ilots 36 régulièrement disposés, le volume de matériau des billes 38 étant identique et les ilots 40 étant identiques. Les ilots 36, et donc les surfaces mouillables par les billes 38, présentent ici une aire croissante en fonction de la distance à un plot central 46. Le motif des ilots 36 permet ainsi d'obtenir des hauteurs d'équilibre appropriées pour chacune des billes de soudure 38 pour accompagner la courbure du bilame 30 illustrée à la figure 14. Ainsi donc par un choix approprié des ilots 36, il est possible de régler la hauteur des billes de soudure 38 à leur hauteur d'équilibre lorsque le bilame 30 est figé dans sa courbure souhaitée.
Bien entendu, il est possible de faire varier également le volume de matériau des billes de soudure 38 et/ou l'aire des ilots 40 du substrat 20 pour obtenir les hauteurs d'équilibre souhaitées pour les billes 38.
Il a été décrit des plots de matériau d'assemblage sous forme de billes de soudure. Des plots sous forme de colle réticulable par chauffage ou irradiation sont également possibles. Notamment, une colle réticulable comprenant des particules conductrices peut être utilisée, par exemple une colle epoxy comprenant des particules d'argent, dite « colle époxy chargée ».
Comme dit plus haut, les plots de matériau d'assemblage conducteur permettent au besoin de définir des interconnexions électriques entre le bilame 30 et le substrat 20. La figure 15 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation des couches supérieure 12 et inférieure 14 du bilame 30 permettant de réaliser des connexions électrique entre la face supérieure de la couche 12 et le substrat 20. Comme illustré, la couche supérieure 12 comporte des connexions électriques traversantes 47 et la couche inférieure 14 comporte, dans le prolongement de chaque connexion électrique traversante 47, un ilot conducteur 48 isolé électriquement par du matériau isolant 49, chaque îlot conducteur 48 étant au contact d'un plot de matériau d'assemblage conducteur, par exemple une bille de soudure 38 telle que décrite précédemment. Des connexions électriques entre la face supérieure de la couche 12 et le substrat 20, illustrées par les flèches en pointillés, sont ainsi définies. On notera que des plots supplémentaires en matériau d'assemblage peuvent être utilisés pour la résistance mécanique de l'assemblage, comme illustré sur cette figure.
La figure 16 est une vue schématique en coupe d'un deuxième exemple de réalisation de connexions électriques entre la face supérieure de la couche 12 et le substrat 20, dans lequel des clous conducteurs traversants 50 sont réalisés dans l'épaisseur du bilame 30 et sont en contact avec des plots en matériau d'assemblage conducteurs, par exemple des billes de soudure 38.
Les modes de réalisation décrits précédemment permettent d'obtenir une courbure globale du bilame 10 qui est sensiblement une portion de sphère. De manière avantageuse, l'effet bilame peut également être utilisé localement pour donner une forme plus complexe à un circuit microélectronique.
Il va à présent être décrit, en relation avec les figures 17 à 19, un procédé selon un troisième mode de réalisation permettant d'obtenir de telles formes complexes.
Le procédé débute par la fabrication d'une pluralité de bilames « locaux » 52 constitués de plots 54 solidaires de la couche supérieure 12 et présentant avec celle-ci une différence de coefficient de dilation thermique, la géométrie et les matériaux constitutifs des plots 54 dépendant de la forme finale souhaitée pour la couche supérieure 12. Dans le cas où le matériau d'assemblage utilisé est un matériau de soudure, les plots 54 sont par ailleurs recouverts sur leur face libre d'une couche 56 de matériau de soudure formant surface mouillable (figure 17).
L'ensemble est ensuite reporté sur du matériau d'assemblage 58 déposé sur le substrat rigide 20. Le matériau d'assemblage peut être formé d'une couche pleine telle que décrite en relation avec le premier mode de réalisation. En variante le matériau d'assemblage est réalisé sous la forme de plots 58, par exemple des billes de soudure ou des plots de colle réticulable tels que décrit en relation avec le deuxième mode de réalisation, les plots en matériau d'assemblage 58 étant associés respectivement aux plots 54 (figure 18).
Un chauffage est ensuite appliqué à l'ensemble à une température supérieure à la température de fusion Tf du matériau d'assemblage 58, puis le tout est refroidi à une température inférieure à la température de fusion Tf du matériau 58. Chaque ilot 54 forme ainsi avec la couche 12 un bilame qui se courbe sous l'effet du chauffage et reste figé à la température de fusion Tf du matériau 58 (figure 19). Une forme complexe de la couche supérieure 12 est ainsi obtenue, dépendant notamment de la géométrie (aire et épaisseur) des ilots 54, ainsi que de leur constitution, les ilots 54 pouvant optionnellement être réalisés en des matériaux différents et/ou présenter des épaisseurs différentes.
Comme, il sera décrit aux figures 25 à 32, une couche inférieure d'un bilame réalisée sous la forme d'ilots permet également d'obtenir sensiblement une portion de sphère pour la couche supérieure. Plus particulièrement, plus le taux de remplissage des ilots est élevé, c'est-à-dire plus le rapport de l'aire totale des ilots 54 sur l'aire totale de la couche supérieure 12 est élevé, et plus la forme de la couche supérieure se rapproche d'une forme sphérique.
Il va à présent être décrit en relation avec la figure 20 une manière de calculer le rayon de courbure souhaité pour un bilame tel que décrit par exemple en relation avec la figure 5 ou 10, à savoir un bilame constitué de deux couches pleines 12, 14 et reporté plan sur le matériau d'assemblage 18, 38, ou un bilame local constitué de la couche 12 et d'un îlot 54 pour des épaisseurs faibles du bilame local. Ce calcul est un calcul au premier ordre, l'influence du matériau d'assemblage lors de son refroidissement, et donc de sa contraction, sur la courbure du bilame étant négligeable, voire quasi-nulle lorsque le matériau d'assemblage est formé de plots discrets, comme par exemple des billes de soudure. Le rayon de courbure R du bilame 10 est ainsi déterminé selon la relation : R e1+ez 2x(ElxII+E2xl2) 1 1 + x + 2 e1+e2 E~xe~ E~xe1 3 où Il et Iz sont des moments d'inertie des couches 12 et 14 respectivement égaux à 12 3 et 12 , la valeur des paramètres el, e2, al, a2, El, E2, Il et Iz étant ici considérées à la T +T f température
2 On notera que chacune des couches 12 et 14 du bilame peut être complexe, par exemple être constituée d'un multicouche et/ou de matériaux composites. Le calcul du coefficient de dilation thermique d'une couche complexe est par exemple décrit dans le document : «Microelectronic Packaging Handbook », de R. Tummala, Edition Van Nostrand, New-York 1999, pages 923 à 935. La valeur indicative du module d'Young est indiquée ci-après pour les matériaux 30 suivants : Silicium 113 GPa Nickel 213 GPa Molybdène 329 GPa Cuivre 150 GPa 1 - (a2 -al)x (Ti -Tf) (1) Il va à présent être décrit en relation avec les figures 21 à 32 une application du procédé selon l'invention à la fabrication d'un ou plusieurs détecteurs ou imageurs, comprenant chacun un capteur d'image sous la forme d'une matrice d'éléments sensibles de détection en technologie CMOS ou CCD, selon le cahier des charges suivant, les valeurs numériques étant données uniquement à titre d'exemple : ^ le capteur d'image est réalisé sur un substrat de silicium qui présente une épaisseur de 50 micromètres ; ^ le capteur d'image présente une flèche de 50 micromètres au centre de la matrice ; ^ les connexions électriques présentes sur la face avant du détecteur sont ramenées sur la face arrière de celui-ci, c'est-à-dire sur la face opposée à celle destinée à recevoir le rayonnement à détecter, les connexions électriques étant régulièrement disposées sous la forme d'une matrice d'un pas de 1 millimètre, soit une matrice de 7 connexions par 7 connexions ; et ^ l'emprise totale du détecteur est de 8 millimètres par 8 millimètres et une épaisseur.
En se référant aux figures 21 et 22, le procédé débute par la fabrication collective d'un ensemble 60 de détecteurs 62. Chaque détecteur 62 comprend un circuit de détection 64 formé sur et/ou dans un substrat en silicium 66, le circuit 64 comportant un capteur d'image, par exemple une matrice de photodétecteurs semi-conducteurs, notamment des photodiodes, des phototransistors ou autres, en technologie CMOS ou CCD, et un circuit intégré de lecture de la matrice de photodétecteurs. Des connexions électriques 68 au circuit de détection 64 sont par ailleurs prévues sur la face avant 70 du détecteur 62 en périphérie de ce dernier et sont ramenées en face arrière 72 du détecteur 62 au moyen de connexions électriques 74 traversant le substrat en silicium 66. Les connexions 74 sont reprises par des connexions métalliques 76 formées dans une couche de silicium 78 pour être redistribuées sur la face arrière 72 du détecteur 62 selon une matrice de contacts de 7 connexions par 7 connexions présentant un pas de 1 millimètre.
Les circuits de détection 64 sont par ailleurs encapsulés sous un capot 80 suspendu au dessus de ceux-ci par des calles 82 disposées en périphérie des circuits 64. L'emprise totale d'un détecteur 62 est de 8 millimètres par 8 millimètres et l'épaisseur totale du substrat 66, de la couche 78 et du circuit de détection 64 est égale à 50 micromètres.
L'ensemble 84 formé des éléments 64, 66 et 78, par la suite désigné sous l'expression « substrat composite », présente des propriétés mécaniques très proches de celles du silicium. En effet, le substrat composite 84 est en grande majorité constitué de ce matériau. Notamment, le substrat composite 84 présente un coefficient de dilation thermique moyen al et un module d'Young El très proches du coefficient de dilation thermique et du module d'Young du silicium. Plus particulièrement, le coefficient a, est sensiblement égal à 3 ppm et le module d'Young El est sensiblement égal à environ 120 GPa (gigapascal).
Il est souhaité une flèche F de 50 micromètres pour le substrat composite 84, la flèche F étant illustrée à la figure 23 et déductible simplement du rayon de courbure R. Afin de courber le substrat composite 84, une couche de nickel est déposée sous le substrat composite 84, comme décrit ci-dessous, pour former un bilame, et un alliage sans plomb, plus particulièrement un alliage d'argent, de cuivre et d'étain (AgCuSn), d'une température de fusion Tf = 220°C, est utilisé comme matériau d'assemblage. Le nickel qui présente l'avantage de se déposer facilement par électrolyse, constitue une très bonne protection contre la corrosion du substrat composite 84, et une barrière contre la diffusion de la soudure dans le substrat composite 84. L'alliage AgCuSn présente l'avantage d'avoir une température de fusion peu élevée et forme également une protection efficace contre la corrosion du substrat composite 84. Le nickel présente un coefficient de dilation thermique supérieur au coefficient de dilatation thermique du substrat composite 84.
L'ensemble des paramètres, hormis l'épaisseur ez de la couche de nickel à solidariser au substrat composite 84, intervenant dans la relation (1) sont donc fixés. Il est possible de déduire l'épaisseur ez de la couche de nickel pour obtenir la valeur de flèche F souhaitée à partir de la relation (1). La valeur de la flèche F est tracée en fonction de l'épaisseur ez à la figure 24. On en déduit ainsi qu'une épaisseur de nickel de 1 micromètre permet d'obtenir la valeur de 50 micromètres recherchée pour la flèche F. Le matériau d'assemblage, outre sa fonction de figer le bilame dans sa courbure souhaitée, doit par ailleurs former des connexions électriques pour la matrice de connexion 76 en face arrière 72 d'un détecteur 62. Un matériau d'assemblage, sous forme de plots de matériaux de soudure tel que décrit au second mode de réalisation des figures 8 à 10 par exemple, est donc privilégié. Les figures 25 à 27 sont des vues schématiques en coupe illustrant une première variante de réalisation de plots pour l'assemblage par bille de soudure en face arrière d'un détecteur 62. Tout d'abord, une fine couche d'accroche 90, par exemple une couche de titane de 50 nanomètres d'épaisseur, est déposée sur la face arrière 72 du substrat composite 84 du détecteur 62, puis une couche de nickel 92 d'un micromètre d'épaisseur est déposée sur la couche d'accroche 90. Une couche de métal de soudure 94, formant une surface mouillable, par exemple une couche d'or d'une épaisseur de 100 nanomètres, est ensuite déposée sur la couche de nickel 92 (figure 25). Ces opérations sont réalisées à une température de fabrication T, inférieure à la température de fusion Tf de l'alliage d'argent, de cuivre et d'étain (AgCuSn) utilisé pour le matériau d'assemblage.
Le procédé se poursuit par une photolithographie et une gravure afin de réaliser une matrice bidimensionnelle d'ilots en or 96 d'un pas de 500 micromètres. Le diamètre des ilots 96 est choisi décroissant du centre vers le bord du détecteur 62 afin que les billes de soudure utilisées pour l'assemblage présentent leurs hauteurs d'équilibre une fois le bilame figé, comme décrit plus en détail ci-après. Des ilots 96 sont en outre réalisés en face de chacune des connexions 76 (figure 26).
Une seconde photolithographie et une seconde gravure sont ensuite réalisées jusqu'au substrat composite 84 pour isoler des plots 98 d'un diamètre de 0,4 millimètre autour de chaque ilot d'or 96, ce qui permet notamment d'isoler électriquement des interconnexions électriques pour les connexions 76 (figure 27).
Les figures 28 et 29 sont des vues schématiques en coupe illustrant une deuxième variante de réalisation de plots pour l'assemblage par billes de soudure en face arrière d'un détecteur 62. Tout d'abord, une couche d'accroche et de croissance 100 est déposée sur la face arrière 72 du détecteur 62, par exemple un empilement formé d'une couche de titane de 50 nanomètres d'épaisseur déposée sur le substrat composite 84 pour l'accroche du nickel, et d'une couche de nickel de 100 micromètres, déposée sur la couche d'accroche, pour la croissance ultérieure d'une couche de nickel par électrolyse. Un masque de résine 102 est alors déposé sur la couche d'accroche et de croissance 100 avec une matrice dimensionnelle d'ouvertures 104 de 0,4 millimètre de diamètre avec un pas de 0,5 millimètre aux emplacements souhaités pour les plots, et notamment en face des connexions 76 (figure 28).
Une couche de nickel de 1 micromètre d'épaisseur et une couche d'or de 0,1 micromètre sont ensuite déposées dans cet ordre dans les ouvertures 104 par électrolyse. Ces opérations sont réalisées à une température de fabrication T, inférieure à la température de fusion Tf de l'alliage d'argent, de cuivre et d'étain (AgCuSn) utilisé pour le matériau d'assemblage.
Le masque de résine 102 est retiré puis la couche d'accroche et de croissance 100 est gravée jusqu'au substrat composite 84 d'une manière connue en soi de manière à former des plots 106 isolés les uns des autres (figure 29). Ce faisant, on réduit le coût du procédé de réalisation, puisqu'un dépôt par électrolyse (chimique) est bien moins cher qu'un dépôt physique par évaporation ou pulvérisation.
Les figures 30 et 31 sont des vues en coupe illustrant une première variante de la conformation du bilame 108 formé du substrat composite 84 et des plots en nickel 98, ou 106 à la courbure souhaitée. Dans l'exemple illustré au sein de ces figures, c'est le bilame formé du substrat composite 84 et des plots 98 de la figure 27 qui a été représenté.
Selon cette première variante, le bilame 108 est reporté sur un substrat rigide 110 en céramique de 650 micromètres d'épaisseur. Les plots 98 sont déposés sur une matrice de billes de soudure correspondantes 112 en AgCuSn, les billes 112 étant identiques, et d'un diamètre de 250 micromètres (figure 30). Les billes 112 sont formées sur des ilots en or 114 correspondant du substrat 110, les ilots en or 114 étant identiques et d'un diamètre de 0,3 millimètre. Dans l'exemple illustré, la variation de hauteur des billes de soudure 112 est ainsi réglée par l'aire des surfaces mouillables 96 des plots 98. Dans le cas des plots 106 de la figure 29, qui présentent des surfaces mouillables identiques, les ilots mouillables 114 du substrat rigide 110 peuvent être choisis selon une aire variable pour adapter la hauteur des billes de soudure 112.
L'ensemble est alors porté à une température supérieure, et de préférence légèrement supérieure, à la température de fusion Tf de l'alliage AgCuSn constitutif des billes de soudure 112, par exemple une température de 241°C, de manière à faire fondre complètement l'alliage d'AgCuSn des billes 112. Sous l'effet de cet échauffement, les billes de soudure 112 fondent et le bilame 108 se courbe de manière concave. Un refroidissement est ensuite réalisé à une température inférieure à la température de fusion Tf du matériau des billes de soudure 112, par exemple une température de 20°C. Lorsque les billes de soudure 112 atteignent la température de fusion Tf, elles se solidifient instantanément, ce qui fige le bilame 108 dans la courbure souhaitée, et calculée pour la température de fusion Tf, à savoir avec une flèche de 50 micromètres (figure 31).
Des connexions internes au substrat céramique 110 peuvent être prévues et ce dernier peut être reporté sur une carte de circuits imprimés via par exemple des billes de soudure 116 si l'application le nécessite.
Selon une seconde variante, le bilame est reporté directement sur une carte de circuits imprimés, cette variante différant de celle décrite aux figures 30 et 31 par la nature du substrat 110 qui est remplacé par la carte de circuits imprimés. Lorsque la carte de circuits imprimés est en matériau organique, des mesures pourront être prises pour renforcer mécaniquement localement la carte de circuit imprimée, avec une pastille dure par exemple
Dans les figures 25 à 31, il a été représenté un unique détecteur 62 pour des raisons de clarté. Ceci peut recouvrer la réalité, les détecteurs 62 étant individualisés une fois l'ensemble 60 de détecteurs fabriqués puis reportés seuls sur un substrat en céramique, une carte de circuits imprimés ou autre. En variante, c'est l'ensemble 60 de détecteurs 62 qui est reporté sur un substrat commun, par exemple en céramique, ou une carte de circuits imprimés, comme illustré à la figure 32. Une fois les détecteurs courbés, comme décrit précédemment, ceux-ci peuvent alors être individualisés.
Les caractéristiques des différents modes de réalisations, variantes et exemples exposés ci-dessus peuvent bien entendu être combinées.
Par ailleurs, il a été décrit un substrat plan. En variante, le substrat peut être non plan. On notera que l'invention a été principalement décrite en relation avec la fabrication de capteurs d'image courbes. Cependant, elle s'applique à tous types de circuit nécessitant d'être courbé.
25 L'invention permet avantageusement : ^ de réaliser une face courbe concave ou convexe en utilisant une méthode de fabrication simple, notamment dans le cadre des modes de réalisation des figures 1 à 7, et apte à satisfaire aux spécificités propres à la plupart des applications optiques, notamment des détecteurs dans l'infrarouge, le visible, l'ultraviolet, de rayons X, ou 30 encore des émetteurs de lumière paraboliques concaves ou convexes, etc...; ^ de réaliser un composant microélectronique courbé qui est thermiquement couplé par le matériau d'assemblage à un substrat pouvant remplir différentes fonctions mécaniques et/ou thermiques, par exemple un substrat réalisé en un métal, par définition très bon conducteur thermique. Ce couplage est particulièrement important 35 dans le cadre des modes de réalisation des figures 1 à 7 ; ^ de réaliser un assemblage très simple sur un boitier, une carte de circuits imprimés, un support mécanique de cryogénie ou autres, en réalisant de manière simultanée en une seule opération la courbure et l'assemblage mécanique ;20 ^ de réaliser un assemblage collectif, assemblage dit « plaque/plaque » ou « wafer/wafer », de composants fabriqués sur une première plaque avec des substrats supports fabriqués sur une seconde plaque ; ^ de disposer avant l'assemblage et la courbure, d'un composant plat sur les deux faces et donc manipulable avec des équipements traditionnels déjà présents dans tous les sites d'assemblage, comme par exemple des équipements avec des prises de vide, avec des réglages de parallélisme par collimation à l'assemblage, etc..., ce qui constitue un avantage important pour les intégrateurs ; ^ de réaliser des formes complexes, comme exposé au mode de réalisation des figures 15 à 17 avec les ilots de bilames, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications optiques, comme par exemple les structurations particulières de surface, ondes [ ?], les miroirs à rayon de courbure variable, etc... ^ de réaliser une connexion simple de l'avant vers l'arrière du dispositif sans ajout de niveau de fabrication de complexité excessive, un seul niveau technologique étant requis, comme cela est illustré par exemple aux figures 8 à 16 et 21 à 31 ; ^ d'assembler thermiquement et mécaniquement la face arrière du composant courbé à un substrat porteur présentant lui même une face arrière plane, ce qui s'avère particulièrement avantageux pour les intégrateurs. Le matériau d'assemblage assure par ailleurs les déformations mécaniques requises par la face avant tout en restant un très bon conducteur thermique pour évacuer les calories générées par le système. De préférence, on choisit une colle conductrice électriquement et thermiquement.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé consistant : ^ à fabriquer à une première température un composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) comprenant au moins deux couches superposées (12, 14) et mécaniquement solidaires l'une de l'autre, lesdites couches (12, 14) présentant des coefficients de dilatation thermique différents ; ^ à réaliser un empilement comprenant : o un substrat rigide (20) ; o ledit composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) ; et o un matériau d'assemblage (18 ; 38 ; 58) en phase liquide intercalé entre le substrat rigide (20) et le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54), le matériau d'assemblage (18 ; 38 ; 58) étant apte à se solidifier à une seconde température différente de la première température ; ^ à soumettre le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le matériau d'assemblage (18 ; 38 ; 58) à la seconde température ; et ^ lorsque le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) est à la seconde température, à solidifier le matériau d'assemblage (18 ; 38 ; 58).
- 2. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon la revendication 1, dans lequel au moins le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) est pourvu d'une surface mouillable (16 ; 36) en regard du matériau d'assemblage (18 ; 38 ; 58), et dans lequel le matériau d'assemblage (18 ; 38 ; 58) est un matériau de soudure, le procédé consistant : ^ à empiler le substrat (20), le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le matériau de soudure (18 ; 38 ; 58) à une température inférieure à la température de fusion du matériau de soudure (18 ; 38 ; 58); ^ à chauffer le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le matériau de soudure (18 ; 38 ; 58) à une température supérieure à la température de fusion du matériau de soudure (18 ; 38 ; 58); et ^ à refroidir le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le matériau de soudure (18 ; 38 ; 58) à une température inférieure à la température de fusion du matériau de soudure (18 ; 38 ; 58).
- 3. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon la revendication 1, dans lequel le matériau d'assemblage est un polymère réticulable par chauffage, le procédé consistant :^ à empiler le substrat (20), le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le polymère réticulable (18 ; 38 ; 58) dans sa forme non réticulée à une température inférieure à la température de réticulation du polymère réticulable (18 ; 38 ; 58) ; et ^ à chauffer le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le polymère réticulable (18 ; 38 ; 58) à une température supérieure à la température de réticulation polymère réticulable (18 ; 38 ; 58).
- 4. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon la revendication 1, dans lequel le matériau d'assemblage est un polymère réticulable par irradiation, notamment par irradiation ultraviolette, le procédé consistant : ^ à empiler le substrat (20), le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le polymère réticulable (18 ; 38 ; 58) dans sa forme non réticulée ; ^ à soumettre le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le polymère réticulable (18 ; 38 ; 58) à la seconde température ; et ^ lorsque le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) et le polymère réticulable (18 ; 38 ; 58) sont à la seconde température, à réticuler le polymère réticulable (18 ; 38 ; 58) en l'irradiant.
- 5. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'empilement est réalisé en posant le composant microélectronique (10 ; 30 ; 12, 54) sur le matériau d'assemblage (18 ; 38 ; 58).
- 6. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau d'assemblage (38) prend la forme de plots en matériau de soudure, chacun disposé entre une première surface mouillable (36) du composant microélectronique (30) et une surface mouillage (40) du substrat (20).
- 7. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon la revendication 6, dans lequel, pour chaque plot en matériau de soudure (38), l'aire des surfaces mouillables (36, 40) associées au plot (38) et le volume de matériau de soudure du plot (38) sont déterminés en fonction de la distance séparant le composant microélectronique (30) à la température de fusion du substrat (20) à l'emplacement du plot (38).
- 8. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche (14) du composant microélectronique faisant face au matériau d'assemblage (58) est réalisée sous la forme de plots (54).
- 9. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon la revendication 6 ou 7 et la revendication 8 prises ensemble, dans lequel chaque plot de matériau d'assemblage (58) est au contact d'un plot correspondant (54) du composant microélectronique. 10
- 10. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche (14) du composant microélectronique faisant face au matériau d'assemblage (38) est pleine et comprend des ilots (48) en un matériau électriquement conducteur formés dans 15 l'épaisseur de ladite couche (14).
- 11. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon la revendication 6 ou 7 et la revendication 10 prises ensemble, dans lequel chaque plot de matériau d'assemblage (38) est au contact d'un ilot correspondant (47) du composant 20 microélectronique.
- 12. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composant microélectronique comporte uniquement que deux couches superposées (12, 14) et 25 mécaniquement solidaires l'une de l'autre, lesdites couches (12, 14) présentant des coefficients de dilatation thermique différents.
- 13. Procédé de fabrication d'un circuit microélectronique courbé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'une des couches du 30 composant microélectronique qui ne fait pas face au matériau d'assemblage est un capteur d'image.5
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