Les différentes étapes de la mise en boîtier seront rappelées ici ainsi que les principales familles de boîtiers qui permettent de les identifier.
I.4.1 Procédé de mise en boîtier
Les premières étapes concernent l’intégration, où les connexions des composants reprennent les différentes technologies abordées précédemment.
Après leur fabrication les wafers sont testés électriquement. Ce pré-test permet d’évacuer les circuits mauvais, ils sont marqués puis les wafers sont amincis suivant l’épaisseur prédéfinie et ensuite prédécoupés en puces individuelles, c'est la singulation. L’épaisseur type pour des packages compacts est de l’ordre de 0.5mm. Après leurs singulations on ajoute les billes de connexion par l'un des procédés décrits précédemment. Pour améliorer l’accroche des puces avec leurs billes de connexion on dépose un fondant (flux) sur le circuit imprimé sur lequel les puces vont être collées. Les puces sont montées sur le circuit (pick and place) et collées par différents procédés de soudure qui seront abordés par la suite. Puis l'underfill est déposé. Enfin la puce est encapsulée par une résine époxy ou "molding" et marquée ; elle est enfin prête à être livrée au client.
Figure 1-34: Etape d’assemblage en flip-chip de puce avec dépôt de fondant sur le support pour une meilleure accroche.
La mise en boîtier est une étape importante du procédé de fabrication des circuits électroniques. Cette étape permet de garantir une protection du dispositif par rapport aux éléments nocifs de son environnement (poussières, humidité, choc). De plus, il assure une connexion électrique, une dissipation thermique vers l’extérieur et éventuellement une interaction avec le milieu extérieur dans le cas des capteurs (Figure 1-35).
Figure 1-35: Domaines de protections du boîtier
I.4.2 Principales familles de boîtiers
Pour les circuits électroniques, les boîtiers peuvent être divisés en deux catégories : les composants à insérer (through-hole) (Figure 1-36-a) et les Composants à Monter en Surface (CMS) (Figure 1-36-b).
Figure 1-36 : Différents types de composants : a) composants à insérer (through-hole) et composant à monter en surface (CMS).
Les composants à insérer peuvent être eux-mêmes divisés en deux catégories: les boîtiers à double rangée de connexions (Dual-In-Line, DIL) (Figure 1-37) et les boîtiers fakir (Pin-grid array, PGA).
Figure 1-37: Evolution en taille des boîtiers à double rangée couramment utilisés
Les CMS peuvent être divisés en Dual (connexions droite et gauche), Quad (connexions sur les quatre côtés du boîtier) et les boîtiers à billes, BGA (Ball Grid Array). Ensuite il existe des modules multi puces, MCM (MultiChip Module) où plusieurs circuits sont intégrés dans le même package. Les composants peuvent être montés côte à côte, les uns sur les autres ou utiliser ces deux types de montage (Figure 1-38).
a) b) c)
Figure 1-38: Différentes façons de placer les circuits dans un boîtier : a) les uns à côtés des autres, b) les uns sur les autres et c) la combinaison des deux.
Il existe aussi le CSP pour "Chip-scale Packaging" qui regroupe plusieurs technologies qui ont comme objectif que la taille du package ne doit pas dépasser 1,2 fois la taille de la puce.
Aucune réelle standardisation n’existe; chaque package est identifié par un acronyme qui renseigne sur la façon de le monter sur le circuit imprimé, sur l’épaisseur, la tenue en puissance et la technologie utilisée. Par exemple HVQFN
(Figure 1-39), qui veut dire "Heat-sink Very-thin Quad flat-pack No-leads": C’est un package de petite taille très fin (moins de 1mm) sans plomb.
a) b)
Figure 1-39: Boîtier HVQFN a) vue de dessous du leadframe et des plots de connexions vers l'extérieur ; b) vue en transparence avec le leadframe le circuit collé dessus et la résine de moulage qui englobe le tout.
Quelques acronymes définissent les différents boîtiers les plus utilisés II.4.5:
• DIP (Dual In line Package) : boîtier ayant ses broches reportées par brasure
de chaque côté; il peut être en céramique ou en plastique.
• SOP (Small Outline Package) : c’est un boîtier DIP en plastique optimisé en
termes d’encombrement.
• LCC (Leaded-chip Carrier) : les sorties sont alors situées à la périphérie du boîtier et il est destiné à être monté en surface sur un circuit imprimé. La puce
peut être montée cavité en haut ou cavité en bas. LLCC (Leadless Chip
Carrier) pour répondre à la nouvelle norme RoHS.
• QFP (Quad Flat Pack) : boîtiers proches dans leur conception et leur réalisation des LCC qui ont été développés pour répondre aux besoins d’augmentation du nombre de broches des circuits intégrés. Les broches situées à la périphérie des boîtiers sont courbées vers l’extérieur ("gull wing").
• PGA (Pin Grid Array) : boîtiers dans lesquels les broches sont disposées en
réseau sur toute la surface du boîtier. Les conducteurs sont répartis sur plusieurs couches de céramique, ce qui permet d’atteindre toutes les entrées-sorties des circuits.
• BGA (Ball Grid Array) : boîtiers identiques aux précédents mais possédant des sorties sous forme de boules permettant un montage en surface.
I.4.2.1. Boîtiers céramiques
Malgré l’avance des matériaux plastiques, l’utilisation de boîtier céramique reste importante pour des applications nécessitant de hautes performances. Ce type de boîtier permet un fonctionnement sans résonances jusqu'à 40GHz. De plus ces boîtiers peuvent s’adapter à toutes les configurations possibles d’assemblage, ce qui les rend très flexibles d’utilisation. Les modes de fermeture sont effectués par brasures ou par collage de capots qui peuvent être en métal ou céramique.
I.4.2.2. Boîtiers plastiques
Pour diminuer les coûts d’assemblage, de plus en plus de matériaux plastiques sont utilisés. Ces boîtiers sont moulés sur un support de connexion métallique (leadframe) autour duquel est injecté et moulé une résine d’encapsulation (molding).
Le "leadframe" joue le rôle de support de l’assemblage durant les opérations de fabrication, de barrière au passage du plastique durant le moulage, de substrat de fixation pour la ou les puces, de matrice de support pour le plastique, de conducteur
électrique et thermique vers l’extérieur. En ce qui concerne le moulage, deux matériaux sont principalement utilisés: les plastiques thermoformables (thermoset) et les thermoplastiques qui peuvent être réutilisés après un premier moulage. Les thermoformables sont les plus utilisés (résine époxy). Les techniques d’encapsulation sont basées sur un procédé de fabrication réactive des polymères. Cela permet la polymérisation et le moulage du boîtier dans la même opération. Les différentes techniques utilisées sont :
• Le moulage par transfert : le plastique est injecté sous forme liquide, sous
pression et moulé par une presse;
• Le dépôt par distribution radiale "glob top": le plastique est injecté sous forme
liquide par une buse située au-dessus de la puce;
• Le moulage par réaction-injection, peu approprié aux composants
électroniques.
Après la mise en boîtier, l'étape suivante concerne l'analyse de la fiabilité des composants encapsulés. C'est une étape indispensable dans toute étude de fonctionnement pour évaluer la qualité et la durée de vie de ces composants.