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Title:
METHOD FOR MANUFACTURING A HIGH-DENSITY MICROMODULE BOARD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/157315
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for manufacturing an electronic board and its electronic board comprising a motherboard on which one or more daughterboards (MHD1) are deposited, characterised in that an array of balls Bi arranged on a given surface Sm and located between the motherboard (1) and at least one daughterboard (MHD1) is used, the geometry, the arrangement and the material of the balls being chosen as a function of the functionalities of the electronic board.

Inventors:
DUSSAUBY MARIE-PIERRE (FR)
RICHARD PATRICE (FR)
CABELLIC MATTHIEU (FR)
PERIS DANIEL (FR)
ANGOT SERGE (FR)
Application Number:
EP2020/052494
Publication Date:
August 06, 2020
Filing Date:
January 31, 2020
Export Citation:
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Assignee:
THALES SA (FR)
International Classes:
H05K3/34; H01L23/00; H05K1/14
Domestic Patent References:
WO2016189199A12016-12-01
WO1998048602A11998-10-29
Foreign References:
US20120068350A12012-03-22
US20080277802A12008-11-13
US20180337120A12018-11-22
US20150091131A12015-04-02
US20050093153A12005-05-05
US20140103522A12014-04-17
US20150228587A12015-08-13
US20060060636A12006-03-23
Attorney, Agent or Firm:
DUDOUIT, Isabelle et al. (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d’une carte électronique comprenant une carte mère (1 ) sur laquelle on dépose une ou plusieurs cartes filles (MHD-i, MHD2, MHD3, MHD4) caractérisé en ce que :

• On utilise une matrice de billes Bi={Bi,..., BK} disposée sur une surface Sm donnée et située entre la carte mère (1 ) et au moins une carte fille (MHD-i, MHD2, MHD3, MHD4), la géométrie, la disposition et le matériau des billes étant choisis en fonction des fonctionnalités de la carte électronique,

• On dispose une ou plusieurs billes Bc au centre de la surface sur laquelle sont disposées les billes, ladite bille Bc située au centre étant en un matériau non fusible.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’on dispose la matrice de billes de la manière suivante :

- une ou plusieurs rangées (31 ) de billes disposées dans une zone centrale d’une surface de la carte mère et une ou plusieurs rangées (32) de billes disposées sur le pourtour de ladite surface, la surface Sm sur laquelle sont disposées les billes correspondant à la surface d’une carte fille.

3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la largeur de entre les rangées des billes disposées dans la zone centrale de la surface est supérieure à la largeur dc entre les rangées de billes disposées sur le pourtour de ladite surface.

4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l’on dispose une ou plusieurs billes Bc au centre de la surface sur laquelle sont disposées les billes, ladite bille Bc située au centre étant en un matériau non fusible.

5. Carte électronique obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu’elle comporte au moins une carte mère (1 ) sur laquelle sont montées une ou plusieurs cartes filles et en ce qu’elle comporte un ensemble de billes disposées sur une surface donnée et positionnées entre la carte mère et les cartes filles, le nombre, la géométrie de la disposition des billes et le matériau les constituant étant choisis selon les fonctionnalités de la carte

électronique et en ce que l’ensemble des billes comprend au moins une bille positionnée au centre de la surface recevant les billes, ladite bille étant en un matériau non fusible.

6. Carte électronique selon la revendication 5 caractérisée en ce que l’ensemble des billes est disposé selon une matrice partielle formant un carré de rangées de billes au centre de la surface recevant les billes et des billes arrangées selon une ou plusieurs rangées sur le pourtour de la surface recevant les billes.

7. Carte électronique selon l’une des revendications 5 à 6 caractérisée en ce que la surface d’une carte fille varie jusqu’à 45*45mm2.

8. Carte électronique selon l’une des revendications 5 à 7 caractérisée en ce que la carte mère comporte une ou plusieurs cartes filles configurées pour fonctionner dans le domaine de la radiofréquence.

Description:
PROCEDE DE FABRICATION D’UNE CARTE MICROMODULES HAUTE

DENSITE

[0001 ] L’invention concerne un procédé de fabrication d’une carte électronique comprenant une carte mère équipée d’un ou de plusieurs micromodules configurés pour remplir différentes fonctions.

[0002] L’art antérieur décrit plusieurs technologies pour fabriquer une carte électronique comprenant différentes fonctionnalités, ces dernières étant adaptées à une application radiofréquence RF, par exemple.

[0003] Il est connu d’utiliser différents systèmes dans un boîtier connu sous l’acronyme « SI P », abréviation anglo-saxonne de System In Package ou sous l’acronyme MCM pour Multi-Chip Module. Ces acronymes désignent un système de circuits intégrés confinés dans un seul boîtier ou module. Le SIP permet de réaliser la totalité des fonctions habituelles d’un système électronique. Les couches de silicium utilisées peuvent être empilées verticalement ou horizontalement les unes à côté des autres sur un substrat. Les connexions internes se font par des fils conducteurs ou par la technologie connue sous l’abréviation anglo-saxonne flip-chip.

[0004] Un SIP contient plusieurs circuits intégrés, des composants actifs, une mémoire, un processeur, qui sont associés à des composants passifs montés sur un même support. Ce type d’architecture conduit à une réduction de taille et de complexité d’une carte qui s’avère utile pour des implémentations dans des espaces restreints.

[0005] Malgré tous les avantages qu’ils présentent, ces systèmes ne permettent pas de réaliser des macro-composants radiofréquences d’une surface allant jusqu’à 45mmx45mm, à partir de sous-fonctions d’une carte regroupant quelques centaines (150 à 300) de composants élémentaires avec une technologie compatible de montage en surface EMS (composants en boîtiers, passifs ou actifs, capot pour blindage contre les émissions électromagnétiques CEM, couches internes, routage des pistes, utilisation des moyens industriels) standard de la filière assemblage EMS et compatible des environnements aéronautiques extrêmes (gamme climatique, vibration et chocs d’appontage). Les contraintes peuvent être classées en plusieurs catégories : conception, assemblage, réparation, et fiabilité.

Les principales difficultés à résoudre pour respecter les règles industrielles afin d’optimiser le coût de production sont les suivantes : Une tenue mécanique des assemblages en cyclage thermique pour application aéronautique,

Pas d’utilisation de moyens de robustification de l’assemblage initial par exemple par sous-remplissage ou « underfill » ou collage, pour permettre une réparation,

Réparation des macro-composants et réparation avec des boîtiers de circuits intégrés plats de type QFN (Quad_Flat_No_leads) en miroir,

- Limiter l’effet d’écrasement des billes centrales et l’effet de vrillage (warpage) du macro-composant pendant l’assemblage sur carte mère, l’assemblage doit être conforme aux spécifications d’assemblage en vigueur, Les non

conformités non résolues dans l’art antérieur sont liées à la déformation des macro-composants sous sollicitation thermomécanique lors de l’assemblage, au moment du passage dans le four pour faire la refusion. La déformation de la matrice de billes est fonction de la température du four. Les amplitudes de déformation mesurées peuvent aller jusqu’à 300pm, représentant un défaut de planéité. Ce phénomène de vrillage entraîne un écrasement des billes très différent selon la position dans la matrice. Les billes centrales sont plus écrasées que les billes périphériques. Les billes centrales s’écrasent alors que les billes périphériques s’allongent. Lorsque la carte fille est assemblée sur la carte mère, on mesure un différentiel d’écrasement de 300pm. Ce résultat n’est pas conforme aux normes IPC. Il y a un risque de court-circuit avec les pistes ou avec le plan adjacent. L’isolement électrique est insuffisant. Plus la dimension physique du macro-composant est grande (longueur multipliée par la largeur), plus l’amplitude du vrillage est grande, plus la valeur du différentiel d’écrasement est forte. Le critère de conformité est le rapport entre la hauteur et la largeur de la bille, appelé aussi la variation du diamètre. La variation de diamètre entre les billes de la périphérie du BGA (Bail Grid Array) et les billes du centre doit être inférieure à 10%. Ce critère n’est pas respecté selon l’art antérieur. La variation mesurée est de 10,5% dans le cas où il n’y a pas de bille fusible placée de manière centrale.

Adaptation d’impédance sur les accès radiofréquences RF pour garantir un taux d’ondes stationnaires ROS < 1.2,

Assurer le blindage CEM pour les fonctions RF ainsi que le drainage thermique. [0006] L’objet de l’invention vise à fournir une ou plusieurs cartes filles nommées MHD pour « Micromodules Haute Densité » destinées à être implémentées sur une carte mère.

[0007] L’invention concerne un procédé de fabrication d’une carte électronique comprenant une carte mère sur laquelle on dépose une ou plusieurs cartes filles (MHD-i, MHD 2 , MHD 3 , MHD 4 ) caractérisé en ce que l’on utilise une matrice de billes Bi={Bi,..., B K ] disposée sur une surface S donnée et située entre la carte mère et au moins une carte fille (MHD-i, MHD 2 , MHD 3 , MHD 4 ), la géométrie, la disposition et le matériau des billes étant choisis en fonction des fonctionnalités de la carte électronique.

[0008] On dispose, par exemple, la matrice de billes de la manière suivante :

- une ou plusieurs rangées de billes disposées dans une zone centrale d’une surface de la carte mère et une ou plusieurs rangées de billes disposées sur le pourtour de ladite surface, la surface sur laquelle sont disposées les billes correspondant à la surface d’une carte fille.

[0009] La largeur d e entre les rangées des billes disposées dans la zone centrale de la surface est, par exemple, supérieure à la largeur d c entre les rangées de billes disposées sur le pourtour de ladite surface.

[0010] On peut disposer une ou plusieurs billes B c au centre de la surface sur laquelle sont disposées les billes, la ou lesdites billes B c situées au centre étant en un matériau non fusible.

[001 1 ] On utilise des cartes filles ayant différentes fonctions dans le domaine radiofréquence.

[0012] L’invention concerne aussi une carte électronique obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l’invention caractérisée en ce qu’elle comporte au moins une carte mère sur laquelle sont montées une ou plusieurs cartes filles et en ce qu’elle comporte un ensemble de billes disposées sur une surface donnée et positionnées entre la carte mère et les cartes filles, le nombre, la géométrie de la disposition des billes et le matériau les constituant étant choisis selon les

fonctionnalités de la carte électronique.

[0013] L’ensemble des billes comprend au moins une bille positionnée au centre de la surface recevant les billes et la ou lesdites billes sont en un matériau non fusible.

[0014] L’ensemble des billes est disposé selon une matrice partielle formant un carré de rangées de billes au centre de la surface recevant les billes et des billes arrangées selon une ou plusieurs rangées sur le pourtour de la surface recevant les billes.

[0015] La surface d’une carte fille peut varier jusqu’à 45 * 45mm 2 .

[0016] La carte mère comporte une ou plusieurs cartes filles configurées pour fonctionner dans le domaine de la radiofréquence

[0017] Les dessins annexés illustrent l’invention :

[0018] [Fig.1 ] représente un exemple de carte mère comprenant plusieurs cartes filles réalisées suivant le procédé selon l’invention,

[0019] [Fig.2] représente une coupe d’une architecture de carte fille,

[0020] [Fig.3A] et

[0021 ] [Fig.3B] une représentation respectivement d’une matrice totale et d’une matrice partielle,

[0022] [Fig.4] représente un exemple de vue de face d’une matrice de billes utilisée pour la fabrication d’une carte fille,

[0023] [Fig.5] illustre un exemple d’écrasement limité grâce à la présence de la bille centrale.

[0024] La description qui suit est donnée à titre d’exemple nullement limitatif pour la fabrication de plusieurs cartes filles, ayant chacune une fonctionnalité définie, destinées à être assemblées sur une carte mère utilisée dans un système radio.

[0025] La figure 1 illustre une carte mère 1 comprenant quatre cartes filles MHD1 , MHD2, MHD3, MHD4. Les quatre cartes filles ont respectivement les fonctionnalités suivantes : réalisation d’une fréquence intermédiaire Fh (deux cartes filles), d’un synthétiseur pour oscillateur local, d’un diviseur de fréquence ou toute autre fonction choisie selon le domaine d’utilisation de la carte mère.

[0026] La carte mère ainsi que les cartes filles sont réalisées sur un substrat multicouche dans un matériau choisi pour limiter au mieux les pertes et les

dispersions, et faciliter le report lors de la fabrication à l’échelle industrielle des cartes.

[0027] La carte mère est par exemple réalisée avec un empilage de douze couches. Les dimensions principales de la carte sont par exemple :

- Une largeur de 120 mm,

- Une longueur de 240 mm,

- Une hauteur de 14 mm hors blindage.

[0028] La surface d’une carte fille peut aller jusqu’à 45 * 45mm 2 . [0029] Les macro-composants RF sont réalisés à partir de sous-fonctions de la carte mère regroupant par exemple 150 à 300 composants élémentaires avec une technologie compatible d’une production standard des sous-traitants externes.

[0030] La figure 2 est une vue en coupe d’une carte fille MHD-i assemblée sur la carte mère au moyen d’un ensemble de billes B,= {B-i,. .,Bk} reportées, par exemple sur une face de la carte mère. Le billage ou assemblage par billes des deux cartes est réalisé par fusion des billes. Les billes, dans cet exemple, sont reportées par pas de l’ordre de 1 ,5mm. La valeur du pas sera notamment fonction de la fonction d’une carte fille MHD. La matrice de billes peut être une matrice totale figure 3A (les rangées Ri à Ri +n de billes Bi occupent toute la surface S m de la matrice M) ou une matrice partielle figure 3B (les rangées de billes Bi occupent partiellement la surface de la matrice M, avec plusieurs rangées formant un carré R et deux rangées R 3 et R 4 suivant le périmètre de la surface de la matrice M).

[0031 ] Les billes sont en alliage SnPb de 0.035” (0.889mm). Compte tenu de la résistance mécanique pour l’alliage SnPb=30 MPa, la matrice de billes dans l’exemple est composée de 288 billes fusibles, la contrainte maximum pour chaque bille étant de 22 MPa. La répartition des billes B, dans la matrice, sur la surface S sur laquelle les billes sont distribuées, sera notamment choisie en fonction du matériau utilisé pour la fabrication d’une carte fille et/ou de l’application.

[0032] Selon une variante de réalisation illustrée à la figure 4, la zone centrale Z c de la surface S m comprendra un ensemble de billes réparties de façon à répartir les contraintes, la largeur d c entre les rangées de billes disposées sous la forme géométrique d’un carré 31 au centre de la matrice sera par exemple supérieure à la largeur d e entre les rangées de billes 32 positionnées sur le pourtour externe P de la surface S.

[0033] Selon une autre variante de réalisation, le procédé va disposer une bille B c au centre C de la surface sur laquelle sont disposées les billes, au centre d’une carte fille MHD, la bille étant par exemple, en un matériau non fusible, permettant ainsi d’éviter l’écrasement selon une spécification liée à l’utilisation. Il est aussi possible de placer une seule bille ou plusieurs billes non fusibles dans la zone centrale.

[0034] L’utilisation d’une matrice partielle permet avantageusement de pouvoir conserver un perçage traversant du substrat, cette technologie étant moins onéreuse que l’utilisation de vias séquentiels ou de micro-vias. Dans la matrice partielle, les billes occupent partiellement la surface et ne sont pas équidistantes. [0035] L’utilisation de billes permet notamment d’éviter un court-circuit lors de l’assemblage des cartes filles sur une carte mère.

[0036] On évitera un court-circuit en respectant notamment les règles suivantes :

- Un équilibrage du cuivre lors de l’implantation des MHD : sur un circuit huit couches par exemple, un même taux de cuivre sur les couches haut et bas (première et huitième couche), un même taux de cuivre sur la deuxième et la septième couche, un même taux de cuivre sur la troisième et la sixième couche, un même taux de cuivre sur la quatrième et la cinquième couche,

- Le circuit imprimé d’une carte fille MHD est réalisé dans la même matière que la carte mère,

- La mise en place d’un vernis en bas avec des vias bouchés sur la carte fille,

- Sur la carte mère, une application d’un vernis, autour des billes.

[0037] L’utilisation des cartes filles MHDs dans l’exemple donné ci-dessus permet de répondre aux contraintes suivantes :

- Une contrainte forte sur le niveau de densification d’un module radiofréquence RF afin d’atteindre l’objectif d’un gain de deux sur l’encombrement du module existant,

- Des contraintes industrielles : surface 45mmx45mm - Environ 300 composants par MHD, ce qui permet de limiter à 3000 composants maximum sur la carte mère et 240 références par face,

- Une technologie compatible avec une production externalisée,

- Une simplification de la carte mère par l’utilisation des MHD, permettant le routage physique des fonctions et une mise au point incrémentale,

- Une conservation d’une approche classique avec des composants petits formats rapportés sur un cuivre époxy ou équivalent, et des connexions réalisées grâces aux billes disposées par pas de 1 ,5 mm, par exemple, afin d’optimiser le coût de fabrication.

[0038] Les étapes décrites précédemment sont mises en oeuvre pour la fabrication de tout type de carte fille destinée à être montée sur une carte mère, ceci quelle que soit sa fonctionnalité.

[0039] La figure 5 illustre l’ajout d’une bille non fusible centrale dans le cas d’une matrice partielle. Ceci permet de limiter l’amplitude différentielle d’écrasement entre les billes centrales et les billes périphériques. Le composant est ainsi conforme à la spécification d’assemblage et il n’y a pas de risque de court-circuit. Le paramètre de variation du diamètre D mesuré dans le pire des cas est de 9,4%, permettant le respect du critère.

[0040] Le procédé selon l’invention permet avantageusement la réalisation de la fonction complète rassemblant tous les blocs sur une même carte de manière à isoler électriquement chaque fonction. Chaque fonction est notamment isolée par une ceinture de masse et une mécanique alvéolée et blindée, vissée de chaque côté de la carte.