Collage de puces : Le processus de placement d'une puce sur un substrat.

1. Développement des méthodes de liaison

Pour garantir le bon fonctionnement des puces semi-conductrices dans divers domaines, une tension de polarisation externe et une entrée doivent être fournies. Il est donc nécessaire de connecter des conducteurs métalliques aux pastilles de la puce. À l'origine, ces conducteurs étaient connectés par soudure. Depuis 1965, cette méthode de connexion a évolué, passant du câblage par fil à Assemblage Flip Chip, puis aux vias traversants en silicium (TSV), en passant par différentes étapes de développement.

Comme son nom l'indique, le câblage par fil est une méthode qui utilise des métauxFil d'aluminiumPour les connexions, la technologie Flip Chip remplace les fils métalliques par des plots, ce qui accroît la flexibilité des connexions. La technologie TSV, une méthode totalement nouvelle, relie les puces supérieure et inférieure au circuit imprimé (PCB) par l'intermédiaire de centaines de vias.

2. Comparaison des méthodes de liaison : liaison par fil et liaison Flip Chip

Le choix entre le câblage par fil et la technologie flip-chip pour le conditionnement des semi-conducteurs n'est pas simple. Les ingénieurs doivent prendre en compte des facteurs tels que le coût, les performances et l'application spécifique.

Le câblage par fil est la méthode d'encapsulation de semi-conducteurs la plus rentable et la plus utilisée, représentant 90 % des circuits intégrés dans le monde.

En revanche, la technologie flip-chip offre des longueurs d'interconnexion plus courtes et permet l'empilement vertical des puces, mais elle implique un processus de fabrication plus complexe.

Le collage de puces, étape suivant la découpe, est une technique permettant de fixer la puce au substrat. Le câblage, étape ultérieure du collage de puces, assure la transmission des signaux électriques. Une autre méthode de connexion similaire au câblage est le collage flip chip (voir « Collage de puces : Processus d'assemblage d'une puce sur un substrat »). Ces deux méthodes utilisent de très petits objets métalliques pour connecter les pastilles de la puce à celles du circuit imprimé (dans le cas du câblage, cette connexion est uniquement possible sous le cadre de connexion).

En comparaison, le câblage par fil, qui utilise des fils métalliques pour les connexions, présente plusieurs inconvénients : les fils métalliques sont plus longs et de diamètre inférieur à celui des plots de soudure, ce qui allonge le temps de transmission du signal. De plus, en raison de l’impédance élevée des fils métalliques, les signaux sont sujets à distorsion. Par ailleurs, le collet de soudure est fragile et sa résistance à la traction est relativement faible, ce qui entraîne une faible résistance à la traction.

En revanche, bien que l'opération de connexion de petites billes de soudure dans le procédé de flip chip puisse être quelque peu complexe, elle offre de nombreux avantages en termes de fiabilité de connexion et de transmission du signal électrique.

3. Qu'est-ce que le câblage par fil ?

Le câblage par fil est une méthode de connexion de fils métalliques à des pastilles, permettant de relier des puces internes et externes. Le fil métallique sert de pont entre les pastilles de la puce (première liaison) et celles du support (seconde liaison). Si, à l'origine, les grilles de connexion étaient utilisées comme supports, les circuits imprimés (PCB) sont de plus en plus employés avec les progrès technologiques. Le câblage reliant deux pastilles indépendantes varie considérablement selon le matériau du fil, les conditions de connexion, l'emplacement des connexions (pouvant relier non seulement la puce et le support, mais aussi deux puces ou deux supports), et d'autres facteurs.

4. Liaison par fil : méthodes de thermocompression, ultrasoniques et thermosoniques

Il existe trois principales méthodes pour connecter des fils métalliques à des pastilles : la méthode de thermocompression, la méthode ultrasonique et la méthode thermosonique.

1. **Méthode de thermocompression** : Cette méthode relie la pastille et le coin capillaire (un outil permettant de déplacer des fils métalliques, semblable à un tube capillaire) par chauffage et compression. La pastille est préchauffée à environ 200 °C, puis la température à l’extrémité du coin capillaire est augmentée jusqu’à ce qu’elle prenne une forme sphérique. Une pression est ensuite appliquée à travers le coin capillaire pour connecter le fil métallique à la pastille.

2. **Méthode ultrasonique** : Cette méthode utilise des ultrasons appliqués à un outil en forme de coin (semblable à un coin capillaire, mais sans forme sphérique) pour réaliser la liaison entre le fil métallique et la pastille. Son principal avantage réside dans ses faibles coûts de fabrication et de matériaux. Cependant, le remplacement des étapes de chauffage et de pressurisation par des ultrasons, plus simples à mettre en œuvre, entraîne une résistance à la traction relativement faible de la liaison (capacité du fil à résister aux forces de traction après liaison).

3. **Méthode thermosonique** : C’est la méthode la plus couramment utilisée dans les procédés de fabrication des semi-conducteurs. Elle combine les avantages des méthodes de thermocompression et d’ultrasons. La méthode thermosonique applique de la chaleur, de la pression et des ondes ultrasonores au coin capillaire, permettant ainsi des connexions optimales. Dans les procédés de fabrication des semi-conducteurs, la résistance de la liaison est plus critique que le coût. Par conséquent, malgré son coût plus élevé, le soudage par fils thermosonique est la technique de soudage la plus fréquemment employée.

### 5. Matériaux pour le collage des fils métalliques : or (Au), aluminium (Al) et cuivre (Cu)

Le choix du matériau pour les fils métalliques repose sur une analyse approfondie de divers paramètres de soudage, combinés pour définir la méthode la plus appropriée. Ces paramètres incluent le type de produit semi-conducteur, le type de boîtier, la taille des plots de connexion, le diamètre du fil, la méthode de soudage et des indicateurs de fiabilité tels que la résistance à la traction et l'allongement du fil métallique. Les matériaux couramment utilisés pour les fils métalliques sont l'or (Au), l'aluminium (Al) et le cuivre (Cu), les fils d'or étant fréquemment employés dans le boîtier des semi-conducteurs.

Le fil d'or possède une excellente conductivité, une grande stabilité chimique et une forte résistance à la corrosion. En revanche, le principal inconvénient du fil d'aluminium, autrefois très utilisé, est sa sensibilité à la corrosion. Le fil d'or présente également une dureté élevée, ce qui lui permet de former une belle boule lors de la première soudure et de créer une boucle semi-circulaire bien définie lors de la seconde.

Le fil d'aluminium présente un diamètre et un pas supérieurs à ceux du fil d'or. Si le fil d'or de haute pureté permet de former des boucles sans se rompre, le fil d'aluminium pur est fragile et est donc souvent allié à des éléments comme le silicium ou le magnésium pour améliorer ses performances. Le fil d'aluminium est principalement utilisé dans les emballages haute température (comme le scellage hermétique) ou dans les procédés ultrasoniques où le fil d'or est inadapté.

Le fil de cuivre, bien que moins cher, présente une dureté très élevée. Une dureté excessive rend difficile la formation de billes et impose de nombreuses limitations lors de la réalisation de boucles. De plus, lors du processus de liaison par billes, une pression doit être appliquée sur la pastille de la puce ; une dureté excessive peut entraîner des fissures dans le film mince situé sous la pastille. Il existe également un risque de décollement de la couche de la pastille. Malgré ces problèmes, le fil de cuivre est de plus en plus privilégié car les interconnexions métalliques des puces sont réalisées en cuivre. Pour atténuer les inconvénients du fil de cuivre, il est souvent allié à de faibles quantités d'autres matériaux.

6. Matériaux différents, méthodes de câblage différentes : fil d’or vs fil d’aluminium

En soudage par fil, le coin capillaire est sans doute l'outil le plus important. On utilise généralement du fil d'or avec les coins capillaires, tandis que le fil d'aluminium est utilisé pour le soudage par coin. Le coin capillaire réalise la liaison en formant une bille, contrairement au soudage par coin.

Si le fil d'or est soudé par la méthode de soudage « thermosonique-capillaire-bille », le fil d'aluminium est soudé par la méthode de soudage par coin, qui suit l'approche « ultrasonique-coin ». En raison de sa faible résistance à la traction, la méthode ultrasonique pour l'aluminium ne peut être utilisée que dans des cas particuliers, tandis que dans plus de 90 % des cas, on utilise la méthode « thermosonique pour fil d'or ». Cependant, la méthode thermosonique présente également des inconvénients, tels que la fragilité du col de la bille. Par conséquent, une gestion rigoureuse de la zone affectée thermiquement (ZAT) – la zone où le matériau du fil métallique est légèrement fondu par la température élevée du capillaire, puis recristallisé lors de la solidification – est essentielle.