Couverture ElectroniqueS n°127

Transmettre fidèlement les signaux, évacuer la chaleur et protéger le circuit intégré qu'il abrite, telles sont les trois vocations d'un boîtier. Celles-ci sont devenues autant de défis à relever avec les nouvelles puces. Des résultats concrets et des idées pour l'avenir existent déjà. Aujourd'hui, tous les types de composants sont soumis aux mêmes exigences des concepteurs de systèmes. Des exigences souvent contradictoires puisque sont demandés plus de complexité et plus de rapidité et, en même temps, moins de surface et d'encombrement, moins de consommation et un faible coût. Or un composant, c'est bien sûr la partie active réalisée dans le silicium, mais c'est aussi le boîtier qui l'abrite. Si les réels progrès des puces sont largement relatés, il n'en est pas de même de ceux concernant les techniques d'encapsulation. Et pourtant ils existent ; sans une évolution au moins aussi conséquente des boîtiers, les exploits techniques sur silicium n'auraient guère servi aux systémiers. Ainsi, quel pourrait être l'intérêt d'un processeur fonctionnant à 1 GHz si cette performance ne dépasse pas le boîtier ? Les innovations dans les techniques d'encapsulation ont donc été très nombreuses durant ces dernières années, et continuent de l'être (Electronique n° 78 p. 47, et n° 122 p. 20). Elles sont le résultat d'importants investissements en recherche et développement qui ont permis d'atteindre de meilleurs rapports prix/performances des composants ; en fait, des rapports inaccessibles jusqu'ici. Les ventes de matériaux pour l'encapsulation sont en pleine expansion : d'après des études de la société Semi, les chiffres étaient de 8,34 milliards de dollars en 2001 ; cette année verra une croissance de 10,9 % avec 9,25 milliards de dollars et 12 milliards de dollars sont envisagés en 2004. Un premier constat s'impose : le cahier des charges d'un circuit intégré engendre les spécifications du boîtier qui le contiendra. Aussi, dès le début de la conception de ce circuit l'attention doit être portée sur la technique d'encapsulation qui sera employée (Electronique n° 125, p. 40). Fini le temps où la question du boîtier ne venait qu'une fois la puce terminée. Aujourd'hui, cette attitude ne pourrait conduire qu'à un échec. Par exemple, opter pour un boîtier à sorties périphériques (du type Dil, SO ou autres QFP) ou à sorties matricielles (BGA ou PGA) interviendra directement sur la topographie du circuit intégré. Un boîtier est investi de trois missions principales, d'égales importances pour la puce aussi bien que pour le système. Un de ses rôles consiste à assurer l'inter-connexion du circuit intégré interne avec le reste du système pour les tensions d'alimentation, la masse et les signaux d'entrées/sorties ; et ceci aussi rapidement que possible et avec le moins de distorsion. Il est également en charge de la dissipation de la chaleur produite par la puce en fonctionnement. C'est un problème qui n'est pas des moindres, notamment avec les fréquences actuelles des processeurs. Sa capacité à évacuer cette chaleur influence directement les performances et la fiabilité des fonctions internes du composant. Enfin, le boîtier protège la puce des contraintes mécaniques et autres perturbations environnementales, tout en n'en créant pas par lui-même. Intel enterre sa puce Le leader des microprocesseurs, s'il a basculé la totalité de sa production en boîtiers BGA et PGA, prévoit qu'à l'avenir ces solutions ne seront pas viables avec des cadences de 10 GHz. En effet, plus le microprocesseur est complexe et comprend de transistors, plus il exécute de fonctions et donc plus il a besoin de signaux de communication. Une puce avec 1 000 broches devant véhiculer des informations ultra-rapides n'est pas inconcevable dans quelques années ; ni un BGA ni un PGA ne seront à la hauteur. Pour prévenir ces problèmes à venir, Intel a mis au point le BBUL (Bumpless build-up layer). Il s'agit d'une sorte de sandwich où le circuit intégré n'est plus collé au boîtier mais enterré dans celui-ci (figure 3). La partie inférieure de ce « sandwich » est un minuscule circuit imprimé multicouche, dont la surface en contact avec le silicium est constituée de petites (microscopiques) billes métallisées permettant d'assurer la continuité électrique entre la puce et le boîtier. Les couches inférieures de ce mini-circuit imprimé routent des vias vers les pattes adéquates. L'ensemble de ce montage tient dans l'épaisseur d'une pièce d'un euro. Les gains attendus par Intel pour cette technique BBUL sont d'abord au niveau de l'inductance (de l'ordre de quelques picohenries), et de la résistance également plus faible grâce à l'emploi de pistes de cuivre. La distance réduite entre la puce et les capacités de découplage promet un meilleur filtrage des transitoires, donc à terme la possibilité d'utiliser des tensions d'alimentation encore plus faibles et de consommer moins. Enfin, la société espère atteindre 10 000 connexions sur la surface d'une puce de 2 à 3 cm2 . Pour l'enrobage, le matériau prévu est très proche des diélectriques actuellement utilisés dans l'encapsulation. Il n'est pas question d'aller vers des substrats hors de prix. Néanmoins, sa composition a été optimisée pour éliminer les tensions qui pourraient apparaître lors de la dilatation du silicium sous l'effet de la chaleur. La technique BRUL (figure 3) Dans un boîtier classique, la puce est posée sur le substrat du boîtier (a). Avec la technique BRUL (b), Intel enfouit le circuit intégré dans le substrat. Cette technique BBUL peut également permettre de relier plusieurs puces séparées, à la manière d'un véritable circuit imprimé. Une manière de faire qui rappelle celle des modules multipuces ou MCM (pour multichip modules) ou des puces empilées dans un même boîtier. Ce dernier concept d'empilage de plusieurs circuits intégrés sous une unique encapsulation est baptisé « system in package », en écho au célèbre « système on chip » correspondant à un système intégré sur un même silicium. Le « system in package » est aujourd'hui une réalité avec notamment les produits proposés par la société française 3D Plus ou la firme américaine Amkor. Les processeurs conquis par les boîtiers matriciels Quelques points de vocabulaire sont utiles pour parcourir les catalogues des fournisseurs de microprocesseurs. Les BGA (ball grid array) et les PGA (pin grid array) sont des boîtiers à sorties matricielles. Pour les premiers, ces sorties sont des billes de soudure ; pour les seconds, il s'agit de picots enfichables. Il existe également des LGA (land grid array) qui ne sont autres que des BGA sans billes de soudure. Ceux-ci seront fixés sur le circuit imprimé par une technique de collage réduisant ainsi les problèmes de fatigue mécanique. Intel a basculé toute sa production sur des boîtiers de type PGA, principalement pour les processeurs de bureau, et BGA pour les mobiles. Nous trouvons ainsi dans son catalogue de processeurs une famille de FC-PGA (flip chip PGA), avec divers systèmes de dissipation de la chaleur fixés au dos de la puce retournée. Cette série comprend également des OLGA (ou OOI) pour « organic land grid array » et des PPGA pour « plastic PGA ». Du côté des mobiles, on trouve des Micro-FCPGA, mais aussi des Micro-FCBGA, généralement avec des substrats organiques.

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