FR3029013A1 - Dispositif electronique comprenant des puces empilees - Google Patents

Dispositif electronique comprenant des puces empilees Download PDF

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Romain Coffy
Julien Pruvost
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STMicroelectronics Grenoble 2 SAS
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Abstract

Procédé de fabrication d'un dispositif électronique et dispositif électronique, dans lesquels une première et une seconde puces de circuits intégrés (2, 5), sont empilées en vis-à-vis et à distance l'une de l'autre, une pluralité de piliers de connexion électrique (11) et au moins une barrière de protection (7, 28, 29, 35) sont interposés entre lesdites puces, en délimitant un espace libre (8) entre des régions locales (9, 10) en vis-à-vis desdites puces, et un bloc d'encapsulation (12) s'étend autour de la puce (2) qui présente la face de montage la plus petite et sur la périphérie la face de montage de l'autre puce (5) ; et dans lesquels lesdits piliers de connexion électrique et ladite barrière de protection sont en au moins une même matière métallique en vue d'une fabrication simultanée.

Description

1 Dispositif électronique comprenant des puces empilées.
La présente invention concerne le domaine des dispositifs électroniques qui comprennent des puces de circuits intégrés empilées les unes sur les autres. Selon une réalisation connue, un dispositif électronique comprend un empilage constitué d'une première puce collée sur une seconde puce de plus grandes dimensions et d'une plaquette de connexion électrique sur laquelle est collée la seconde puce et de plus grandes dimensions que cette seconde puce. Des plots avant de la première puce sont reliés à des plots avant de la seconde puce par des premiers fils courbés de connexion électrique. D'autres plots avant de la seconde puce sont reliés à des plots avant de la plaquette de connexion électrique par des seconds fils de connexion électrique courbés. Couramment, la première puce contient un capteur, par exemple un microsystème électromécanique, généralement appelé MEMS, et la seconde puce contient des circuits électroniques de traitement des signaux issus du capteur et les signaux traités sont transmis à la plaque de circuit imprimé au travers de la plaquette de connexion électrique. La première et la seconde puces et les premiers et seconds fils de connexion électrique sont noyés dans un bloc d'encapsulation aménagé à l'avant de la plaquette de connexion électrique dans le but de protéger les fils de connexion électrique et le capteur notamment contre l'humidité. Le dispositif électronique est ensuite fixé sur une plaque de circuits imprimés par l'intermédiaire de billes ou de piliers de connexion électrique. Un tel dispositif électronique présente l'inconvénient d'être volumineux et d'être onéreux du fait de l'existence de trois éléments 3029013 2 empilés, de l'existence des fils de connexion électrique généralement en or et du grand nombre d'opérations à effectuer pour réaliser le montage. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif 5 électronique de volume réduit et plus simple à fabriquer, de telle sorte qu'il peut être moins onéreux. Selon un mode de réalisation, il est proposé un procédé de fabrication d'au moins un dispositif électronique comprenant une première et une seconde puces de circuits intégrés empilées l'une sur 10 l'autre. Ce procédé comprend : réaliser simultanément, sur des zones de montage d'une face de montage d'une première puce, par croissance ou électrodéposition d'au moins un métal, une pluralité de piliers métalliques de connexion 15 électrique et au moins une barrière métallique de protection, en entourant une région de ladite face de montage ; placer une seconde puce au-dessus de ladite première puce dans une position telle qu'une face de montage de cette seconde puce soit en vis-à-vis de ladite face de montage de la première puce et que les 20 extrémités desdits piliers de connexion électrique et de ladite barrière de protection viennent en contact sur des zones de montage de la seconde puce ; solidariser par soudure les extrémités desdits piliers de connexion électrique et de ladite barrière de protection sur lesdites 25 zones de montage de la seconde puce, de telle sorte que cette barrière de protection délimite un espace libre étanche entre lesdites puces ; et apporter une matière d'enrobage autour de la puce qui présente la face de montage la plus petite et sur la périphérie de la face de montage de l'autre puce et faire durcir cette matière d'enrobage de 30 façon à réaliser un bloc d'encapsulation. Le procédé peut comprendre : réaliser ladite barrière de protection au moins partiellement sous la forme d'au moins un anneau fermé.
3029013 3 Le procédé peut comprendre : réaliser ladite barrière de protection au moins partiellement sous la forme d'au moins un anneau ouvert. Le procédé peut comprendre : réaliser ladite barrière de 5 protection au moins partiellement sous la forme de piliers distants les uns des autres. Le procédé peut comprendre : réaliser ledit bloc d'encapsulation de telle sorte que ce dernier atteigne ladite barrière de protection.
10 Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif électronique comprenant : une première et une seconde puces de circuits intégrés, empilées l'une au-dessus de l'autre et présentant des faces de montage en vis-à-vis et à distance l'une de l'autre, 15 une pluralité de piliers de connexion électrique et au moins une barrière de protection, interposées entre lesdites faces de montage desdites puces et solidaires de ces dernières, en délimitant un espace libre entre des régions locales en vis-à-vis desdites faces de montage, et un bloc d'encapsulation s'étendant autour de la puce qui 20 présente la face de montage la plus petite et sur la périphérie de la face de montage de l'autre puce, lesdits piliers de connexion électrique et ladite barrière de protection étant en au moins une même matière métallique. Ladite barrière de protection peut comprendre, au moins 25 partiellement, au moins un anneau fermé. Ladite barrière de protection peut comprendre, au moins partiellement, au moins un anneau ouvert. Ladite barrière de protection peut comprendre, au moins partiellement, des piliers distants les uns des autres.
30 L'une des puces peut comprendre un capteur et l'autre puce peut comprendre un circuit électronique de traitement du signal délivré par ce capteur. Des dispositifs électroniques vont maintenant être décrits à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par le dessin sur lequel : 3029013 4 - la figure 1 représente une coupe transversale d'un dispositif électronique, comprenant deux puces ; - la figure 2 représente une coupe à plat du dispositif électronique passant entre lesdites puces, selon II-II de la 5 figure 1 ; - les figures 3 et 4 représentent des coupes transversales d'un ensemble correspondant à des étapes de fabrication du dispositif électronique ; - les figures 5 et 6 présentent des coupes transversales d'un 10 ensemble correspondant à d'autres étapes de fabrication du dispositif électronique ; et - les figures 7 à 9 représentent des coupes à plat de variantes de réalisation du dispositif électronique. Comme illustré sur les figures 1 et 2, un dispositif électronique 15 1 comprend une première puce de circuits intégrés 2 qui présente une face de montage 3, par exemple carrée, et qui contient un capteur 4 au-dessous de la partie centrale de cette face de montage 3, par exemple un microsystème électromécanique, généralement appelé MEMS. Le dispositif électronique 1 comprend une seconde puce de 20 circuits intégrés 5 qui présente une face de montage 6, par exemple carrée, et qui contient un circuit électronique intégré 5a au-dessous de cette face de montage 6. La surface de la face de montage 3 de la puce 2 est plus petite que la surface de la face de montage 6 de la puce 5. Les puces 2 et 5 sont empilés l'une au-dessus de l'autre dans 25 une position telle que les faces de montage 3 et 6 sont parallèlement en vis-à-vis et à distance l'une de l'autre, la puce 2 étant au milieu de la puce 5 et leurs bords périphériques étant disposés, respectivement, parallèlement. Le dispositif électronique 1 comprend une barrière métallique 30 de protection se présentant sous la forme d'un anneau fermé de protection 7 interposé entre des zones locales de montage des faces de montage 3 et 6 et solidaire à ces zones locales, en entourant des régions locales en vis-à-vis 9 et 10 des faces de montage 3 et 6 des 3029013 5 puces 2 et 5 et en délimitant un espace libre étanche 8 entre ces régions locales. L'anneau de protection 7 s'étend par exemple sous la forme d'un carré dont les côtés sont parallèles aux bords périphériques des 5 puces 2 et 5. Le capteur 4 est inclus dans la région locale 9 de la puce 2, à distance de l'anneau de protection 7. Le dispositif électronique 1 comprend une pluralité de piliers métalliques de connexion électrique 11 qui sont interposés entre les faces de montage 3 et 6 et solidaires à ces dernières et qui sont situés 10 à l'extérieur de l'anneau de protection 7, c'est-à-dire entre et à distance de cet anneau de protection 7 et des bords périphériques de la puce 2. Par exemple, des éléments métalliques de connexion électrique 11 sont prévus sur deux lignes opposées parallèles situées le long de deux branches opposées parallèles de l'anneau de protection 7.
15 Les piliers de connexion électrique 11 sont aménagés sur des zones locales de montage constituées par des plots de connexion électrique des faces 3 et 6 des puces 2 et 5. Le dispositif électronique 1 comprend en outre un bloc d'encapsulation 12, par exemple en une résine époxy, qui est formé sur 20 la partie périphérique de la face de montage 6 de la puce 5 de façon à entourer la puce 2 et qui s'étend entre les faces de montage 3 et 6 des puces 2 et 5 en passant entre les piliers de connexion électrique 11 et jusqu'à l'anneau de protection 7. Grace à cet anneau de protection 7, la matière du bloc d'encapsulation 12 n'atteint pas l'espace libre 8, de 25 telle sorte que ce dernier est protégé notamment contre l'humidité et contre toute pénétration de particules solides et qu'en conséquence le capteur 4 est protégé. L'épaisseur du bloc d'encapsulation 12 est telle que ce dernier présente une face extérieure 13 qui s'étend dans le même plan que la 30 face extérieure 14 de la puce 2 opposée et parallèle à sa face de montage 3. Les côtés périphériques de la puce 5 et du bloc d'encapsulation 12 sont alignés et s'étendent perpendiculairement aux faces de 3029013 6 montage 6, de telle sorte que le dispositif électronique 1 se présente sous la forme d'un parallélépipède. La puce 5 présente une pluralité de vias métalliques de connexion électrique 15, dits traversants, qui relient le circuit 5 électronique intégré 5a et un réseau de connexion 16 aménagé sur la face extérieure 17 de la puce 5, opposée à sa face de montage 6. Le dispositif électronique 1 peut être monté sur une plaque de circuit imprimé 18 par l'intermédiaire d'éléments de connexion 19, telle que des billes ou des piliers de connexion électrique, interposés 10 entre cette plaque de circuit imprimé 18 et le réseau de connexion électrique 16. Du point de vue électronique, sélectivement par l'intermédiaire des piliers de connexion électrique 11, des vias métalliques de connexion électrique 15 et des billes de connexion électrique 19, le 15 capteur 4 et le circuit électronique 5a peuvent être alimentés en énergie électrique et les signaux issus du capteur 4 peuvent être, au moins en partie, traités par le circuit électronique 5a pour être délivrés à la plaque de circuit imprimé 18. En se reportant aux figures 3 à 6, on va maintenant décrire un 20 mode de fabrication du dispositif électronique 1. Comme illustré sur la figure 3, en vue d'une fabrication collective, on dispose d'une plaque 2A qui comprend, sous la forme d'une matrice, une pluralité de premières puces 2 adjacentes les unes aux autres et qui présente une face 20 incluant les faces de montage 3 25 de ces puces 2, dans des emplacements sur lesquels on va réaliser simultanément l'anneau métallique de protection 7 et les piliers métalliques de connexion électrique 11 correspondants, en mettant en oeuvre les moyens utilisés en micro-électronique. On forme sur la face 20 un masque 21 au travers duquel on 30 aménage, dans chaque emplacement, des ouvertures traversantes 22 correspondant aux anneaux de protection 7 à réaliser et des ouvertures traversantes 23 correspondant aux éléments de connexion électrique 11 à réaliser, sur les zones locales correspondantes.
3029013 7 Puis, on réalise dans les ouvertures 22 et 23, par dépôts par croissance ou électrodéposition dans des bains adaptés et simultanément, notamment des portions de base 7a et lla des anneaux métalliques de protection 7 et des piliers métalliques de connexion 5 électrique 11, par exemple en cuivre, puis des portions d'extrémité 7b et llb en une matière de soudure, par exemple en un alliage d'étain et d'argent. Des couches intermédiaires peuvent être prévues pour faciliter l'accrochage et pour constituer des barrières de diffusion. Ensuite, comme illustrée sur la figure 4, on procède 10 l'enlèvement du masque 21. Puis on passe la plaque 2A dans un four de façon que les portions d'extrémité 7b et llb prennent la forme de dômes. Puis, on procède à la singularisation des puces 2 par sciage de la plaque 2A le long des lignes 24 de la matrice d'emplacements 15 correspondants. Comme illustré sur la figure 5, en vue d'une fabrication collective, on dispose d'une plaque 5A qui comprend, sous la forme d'une matrice, une pluralité de secondes puces 5 adjacentes les unes aux autres et qui présente une face 25 incluant les faces de montage 6 20 de ces puces 5, dans des emplacements sur lesquels on va monter les puces 2 préalablement réalisées. Par report, on place respectivement sur ces emplacements des puces 2 dans la position décrite en référence à la figure 1. Puis, dans un four, on procède à la soudure simultanée des portions d'extrémité 25 7a et 11 a sur les zones correspondantes des puces 5. Ensuite, on procède par étalement à l'épandage d'une couche commune 26 d'une matière liquide d'encapsulation, destinée à la fabrication de blocs d'encapsulation 12 dans les emplacements correspondants, qui remplit les espaces entre les puces 2 reportées et 30 soudées, cette matière fluant par capillarité entre les piliers de connexion électrique 11 et étant empêchée d'atteindre les espaces libres 8 grâce à l'existence des anneaux de protection 7. Selon une variante de réalisation, la couche commune 26 pourrait être obtenue par injection d'une matière liquide d'encapsulation dans l'espace 3029013 8 restant de la cavité d'un moule, délimitée par une plaque de moule en contact sur les faces 14 des puces 2, puis durcissement de cette matière d'encapsulation. Puis, on procède dans un four au durcissement de la couche 5 commune 26. Ensuite, on procède à la pose des billes de connexion électrique 19 dans chacun des emplacements. Enfin, on procède à la singularisation des dispositifs électroniques 1 obtenus dans chaque emplacement, par sciage de la plaque 2A et de la couche 26 le long des lignes 27 de la matrice 10 d'emplacements correspondants. Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 7, l'anneau fermé de protection 7 constituant une barrière de protection peut être remplacé par un anneau ouvert continu de protection 28 présentant des portions d'extrémité 28a et 28b s'étendant l'une à côté 15 de l'autre. La distance entre ces portions d'extrémité 28a et 28b est telle que, lors de la formation précitée de la couche 26 en une matière liquide d'encapsulation, cette matière, si elle pénètre entre ces portions 28a et 28b, n'atteigne pas l'espace libre 8.
20 Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 8, une barrière de protection peut être constituée par un anneau ouvert discontinu de protection 29. Cet anneau de protection 29 comprend deux portions 30 et 31 s'étendant en forme de C, symétriques et ouvertes l'une vers l'autre, et des portions droites 32 et 33 s'étendant 25 devant les espaces séparant les extrémités des branches des portions 30 et 31. La distance entre les branches des portions 30 et 31 et les portions droites 32 et 33 est telle que, lors de la formation précitée de la couche 26 en une matière liquide d'encapsulation, cette matière, si 30 elle pénètre entre ces portions, n'atteigne pas l'espace libre 8. Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 9, une barrière de protection peut être constituée par un anneau discontinu de protection qui, cette fois, comprend une pluralité de piliers métalliques 34 espacés, dont certains sont constitués par les piliers 3029013 9 métalliques de connexion électrique 11 et les autres sont constitués par des piliers métalliques 35 non connectés électriquement. La distance entre les piliers métalliques 34 est telle que, lors de la formation précitée de la couche 26 en une matière liquide 5 d'encapsulation, cette matière, si elle pénètre entre ces piliers 34, n'atteigne pas l'espace libre 8. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. En particulier, les piliers métalliques de connexion électrique et la barrière métallique de protection pourraient être réalisés 10 simultanément sur la puce incluant un circuit électronique et la puce incluant un capteur pourrait être mise en place sur ces piliers et cette barrière. D'autres variantes de réalisations sont possibles sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'au moins un dispositif électronique comprenant une première et une seconde puces de circuits intégrés (2, 5) empilées l'une sur l'autre, comprenant : réaliser simultanément, sur des zones de montage d'une face de montage (3) d'une première puce (2), par croissance ou électrodéposition d'au moins un métal, une pluralité de piliers métalliques de connexion électrique (11) et au moins une barrière métallique de protection (7, 28, 29, 35), en entourant une région (9) de ladite face de montage ; placer une seconde puce (5) au-dessus de ladite première puce dans une position telle qu'une face de montage (6) de cette seconde puce soit en vis-à-vis de ladite face de montage de la première puce et que les extrémités desdits piliers de connexion électrique et de ladite barrière de protection viennent en contact sur des zones de montage de la seconde puce ; solidariser par soudure les extrémités desdits piliers de connexion électrique (11) et de ladite barrière de protection (7) sur lesdites zones de montage de la seconde puce, de telle sorte que cette barrière de protection délimite un espace libre étanche (8) entre lesdites puces ; et apporter une matière d'enrobage autour de la puce qui présente la face de montage la plus petite et sur la périphérie de la face de montage de l'autre puce et faire durcir cette matière d'enrobage de façon à réaliser un bloc d'encapsulation (12).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant : réaliser ladite barrière de protection au moins partiellement sous la forme d'au moins un anneau fermé (7).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, comprenant : réaliser ladite barrière de protection au moins partiellement sous la forme d'au moins un anneau ouvert (28, 29).
  4. 4. Procédé selon la revendication 1, comprenant : réaliser ladite barrière de protection au moins partiellement sous la forme de piliers (34) distants les uns des autres. 3029013 11
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant : réaliser ledit bloc d'encapsulation de telle sorte que ce dernier atteigne ladite barrière de protection.
  6. 6. Dispositif électronique comprenant : 5 une première et une seconde puces de circuits intégrés (2, 5), empilées l'une au-dessus de l'autre et présentant des faces de montage (3, 6) en vis-à-vis et à distance l'une de l'autre, une pluralité de piliers de connexion électrique (11) et au moins une barrière de protection (7, 28, 29, 35), interposées entre 10 lesdites faces de montage desdites puces et solidaires de ces dernières, en délimitant un espace libre (8) entre des régions locales (9, 10) en vis-à-vis desdites faces de montage, et un bloc d'encapsulation (12) s'étendant autour de la puce (2) qui présente la face de montage la plus petite et sur la périphérie de la 15 face de montage de l'autre puce (5), lesdits piliers de connexion électrique et ladite barrière de protection étant en au moins une même matière métallique.
  7. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ladite barrière de protection comprend, au moins partiellement, au moins un 20 anneau fermé (7).
  8. 8. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ladite barrière de protection comprend, au moins partiellement, au moins un anneau ouvert (28, 29).
  9. 9. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ladite 25 barrière de protection comprend, au moins partiellement, des piliers (34) distants les uns des autres.
  10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel l'une des puces comprend un capteur (4) et l'autre puce comprend un circuit électronique (5a) de traitement du signal délivré 30 par ce capteur.
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