Soutenance mémoire
Les télécommunications connaissent un développement extraordinaire tant les possibilités d’applications sont prometteuses et nombreuses. Cette évolution entraîne une forte demande de circuits électroniques hautes fréquences miniatures, fabriqués à faible coût tout en offrant des fonctionnalités toujours plus complexes et performantes. C’est pour répondre à ces exigences que l’industrie de la microélectronique se dirige progressivement vers l’intégration complète de fonctions électroniques analogiques et numériques sur une même puce en développant des technologies qui permettent de plus de faibles puissances de consommation. Ainsi l’augmentation de la finesse de gravure est une voie largement suivie pour les composants actifs. En revanche, les composants passifs ne connaissent pas une telle évolution, et leur miniaturisation ne peut être réalisée aussi « facilement », notamment pour ce qui concerne les composants inductifs.
Actuellement, les inductances sont principalement intégrées sous forme de spirales à deux dimensions. Ces dispositifs peinent à remplir les contraintes de densités d’intégration et de niveaux de performance souvent requis par l’application. Plusieurs approches ont été développées pour améliorer ainsi les caractéristiques de ces composants comme l’intégration de matériaux magnétiques, pour augmenter l’inductance par unité de surface et stocker plus d’énergie magnétique dans un espace confiné, ou l’utilisation de technologies 3D pour limiter l’extension des lignes de champ dans le substrat. Ces approches souffrent principalement de leur grande complexité, du coût important des processus nécessaires et de l’incompatibilité de ces processus pour une intégration sur les substrats sur lesquels des composants actifs sont déjà intégrés. L’objectif de notre travail de thèse a donc consisté à développer une technologie faible coût pour la réalisation de structures inductives tridimensionnelles à fort coefficient de qualité et de densités d’intégration élevées.
Inductances et transformateurs intégrés
Définitions
L’inductance solénoïde par définition est un dipôle formé d’une ou de plusieurs spires de fil conducteur enroulées autour d’un noyau (Figure I.1). Ce noyau peut être isolant ou réalisé en matériau magnétique canalisant les lignes de champ.
Lorsque l’inductance est parcourue par un courant, celui-ci crée un champ magnétique H qui donne naissance à un flux φ à travers chacune des spires de l’inductance. Le flux total Ф à travers le solénoïde est la somme des flux à travers chaque spire : Ф=nφ. L’inductance L est définie comme le rapport du flux par l’intensité du courant parcourant le circuit.
Etat de l’art des techniques d’intégration des composants inductifs
Diverses études ont été menées afin d’améliorer les performances des structures inductives, notamment le facteur de qualité. Ces études peuvent être divisées en deux groupes principaux. Le premier consiste à améliorer la conception du composant en optimisant sa géométrie ou sa topologie, afin d’augmenter les performances sans changer radicalement la technologie de fabrication. Le second groupe consiste à développer de nouveaux procédés technologiques ou des techniques pour réaliser des structures inductives tridimensionnelles pour à nouveau augmenter le facteur de qualité ainsi que la valeur de l’inductance par unité de longueur. C’est sur ces deux groupes des travaux que porte l’état de l’art (non exhaustif) présenté dans ce paragraphe.
Type d’inductance/transformateur
Dans le processus de réalisation d’une inductance, le premier choix qui s’impose est le choix du type d’inductance. Dans la littérature consacrée à l’inductance intégrée, trois types d’inductance sont présentées principalement : les inductances de type méandre, les inductances spirales et les inductances solénoïdes. Chacune de ces inductances possède des avantages et des inconvénients que nous détaillons maintenant.
Méandre
Le méandre simple est un bobinage planaire (Figure I.8) relativement facile à fabriquer mais la valeur d’inductance est faible par rapport à l’espace occupé [5], [6] en raison de la présence d’inductance mutuelle négative entre les conducteurs voisins. Le principal avantage de cette structure réside dans sa simplicité de réalisation. Toutefois, ses faibles performances freinent son utilisation.
Spirale
• Spirale planaire monocouche
C’est le type de structure inductive le plus utilisé dans le domaine des radiofréquences pour fabriquer des inductances dont les valeurs ne dépassent pas quelques nH. Avec cette structure l’enroulement des fils est réalisé sur un seul plan (cf. Figure I.9 (a)). Ce composant présente l’avantage qui est sa facilité de fabrication. La présence d’inductance mutuelle positive entre les conducteurs voisins permet d’accroître la valeur de l’inductance par unité de longueur de fil comparé à l’inductance de type méandre.
• Spirales multicouches empilés
Afin de diminuer le couplage entre la métallisation et le substrat ainsi que pour réduire la surface occupée, une structure peut être fabriquée en utilisant deux ou plusieurs niveaux de métallisation disposés dans des plans différents. La Figure I.9 (b) montre le principe de ces inductances et une photographie de réalisation. L’inductance monocouche planaire à 4,5 tours (Figure I.9 (a)) avec la surface occupée 280 μm×280 µm présente une inductance 4,7 nH et un facteur de qualité Q = 4,4 à 3,8 GHz. Pour la valeur d’inductance inférieure (4 nH) la structure réalisée avec 3 tours a deux niveaux empilés (Figure I.9 (b)) avec une surface occupée considérablement plus faible 170 μmx170 µm et présente une valeur de facteur de qualité Q = 4,6 à 2,8 GHz.
• Transformateurs
Les transformateurs de type méandre sont rarement utilisés dans les applications RF en raison de ses faibles performances et densités d’intégration limités.
Les transformateurs réalisés à partir de la topologie en spirale en exploitent deux exemplaires, un pour former le primaire et un autre pour le secondaire. Ceux-ci peuvent être placés de manière concentrique dans le même plan ou bien sur deux plans différents. Dans le second cas, les deux spirales sont alignées verticalement de façon à maximiser le couplage magnétique entre les deux enroulements. La première variante occupe généralement une grande surface avec des inductances relativement faibles et il présente un coefficient de couplage moyen de l’ordre de 0,6 0,7 [8]– [11]. La variante multicouche présente plusieurs avantages qui sont la faible surface occupée et la grande valeur du coefficient de couplage, l’ordre de 0,8 [11], [12], [13].
Solénoïde
Ce type de structure est réalisé en empilant trois couches métalliques (généralement du cuivre). Les couches inférieure et supérieure sont séparées par un isolant (inductance à air) ou par un matériau magnétique (inductance à matériau magnétique). La couche intermédiaire permet de fabriquer les vias qui connectent entre elles les deux couches pré-citées.
L’avantage de ce type de structures solénoïdales est de favoriser l’induction mutuelle positive tout en limitant les pertes, notamment celles dues à l’effet de couplage entre la métallisation (cf. Chapitre II, § II.5.2.d) par rapport aux inductances planaires. Cette amélioration bénéficie aussi aux transformateurs réalisés sur ce principe. Néanmoins, la fabrication de ces structures nécessite plusieurs étapes technologiques pour réaliser les deux niveaux de métallisation et des vias. Nous verrons également dans le chapitre suivant qu’il faut assurer une certaine épaisseur non négligeable pour maximiser les performances, ce qui, en principe, rend critique la fabrication de ce type de structure.
Technologies de fabrication
La mise en place des techniques permettant de fabriquer les structures inductives tridimensionnelles est l’aspect le plus important dans le processus de conception, réalisation et caractérisation de ces composants. Plusieurs travaux présentent des technologies de fabrication de dispositifs tridimensionnels. Dans cette partie nous allons brièvement évoquer ces différentes technologies trouvées dans la littérature. Ces travaux sont regroupés selon la technologie de fabrication dans le but de réaliser leurs comparaisons en termes de degré de complexité de mise en œuvre ainsi que de performances. Les technologies de fabrication sont les suivantes : Micro-usinage (Mictomachining), Low Temperature Co-Fired Ceramic (LTCC), Above-IC.
Technologie Micro-usinage
La technique de micro-usinage consiste à déposer des structures inductives tridimensionnelles ou planaires par-dessus un substrat de silicium. Afin de diminuer le couplage électromagnétique entre la métallisation et le substrat, qui présente souvent une faible résistivité, différentes techniques ont été utilisées pour éloigner les métallisations du substrat. Les premiers travaux présentent des inductances [31] et des transformateurs [32] tridimensionnels réalisés à l’aide de la technique « Stressed Metal». La modification de la pression dans la chambre d’évaporation au cours du dépôt métallique permet de stresser la couche qui est en mesure, après libération, de former l’inductance et le transformateur 3D. Ces deux structures sont présentées dans la Figure I.12. L’étude suivante [33] exploite la technique « Plastic deformation magnetic assembly (PDMA) ». Le principe de cette technique repose sur le dépôt d’une couche ferromagnétique par-dessus l’inductance et de l’exciter par un champ magnétique afin de faire lever la structure (Figure I.12 (c), (d)). Les inductances et les transformateurs intégrés réalisés grâce à ces deux techniques présentent des facteurs de qualités intéressants, mais ils possèdent des procédés de fabrication relativement complexes en exploitant, pour le second, un matériau plutôt exotique. De plus, la manipulation du circuit avec les structures réalisées au moyen de la technique PDMA doit être effectuée avec précaution pour éviter d’endommager la bobine verticale. Ainsi la masse de ces structures doit être réduite au minimum pour éviter les défaillances mécaniques. Il se pose également le problème de l’encapsulation de ces dispositifs.
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Table des matières
Introduction générale
CONTEXTE DE L’ETUDE
Introduction
Inductances et transformateurs intégrés
Définitions
Applications
Etat de l’art des techniques d’intégration des composants inductifs
Type d’inductance/transformateur
Méandre
Spirale
Solénoïde
Synthèse et choix de la topologie optimale
Technologies de fabrication
Technologie Micro-usinage
Technologie de fabrication LTCC
Technologie Above-IC
Synthèse et choix de la technologie de fabrication
Conclusion
References
CONCEPTION D’INDUCTANCES ET DE TRANSFORMATEURS SOLENOIDAUX
Introduction
Origine des pertes dans une structure inductive intégrée
Pertes dans les métallisations
Pertes dans le substrat
Simulation électromagnétique de la structure inductive solénoïde
Modèle de simulation de l’inductance sous HFSS
Optimisation des performances des inductances étudiées
Critère d’évaluation des performances d’une inductance : Le facteur de qualité
Circuit électrique équivalent
Performances visées
Description du solénoïde étudié
Dimensionnement de l’inductance
Influence de l’épaisseur de conducteur
Influence de largeur de piste W
Influence de l’espacement entre les spires S
Influence du rapport de forme hauteur/largeur du noyau
Paramètres géométriques retenues pour la fabrication des inductances
Optimisation des performances des transformateurs
Paramètres électriques étudiés
Performances visées
Dimensionnement des transformateurs
Influence de la largeur de piste W
Influence de l’espacement entre les spires S
Paramètres géométriques retenues pour la fabrication des transformateurs
Conclusion
Références
INFLUENCE DE L’ENVIRONNEMENT DE MESURE SUR L’EXTRACTION DES PERFORMANCES DES DISPOSITIFS A FORT COEFFICIENT DE QUALITE
Introduction
Mise en évidence d’un problème de caractérisation des inductances
Cas d’un solénoïde
Cas d’une inductance spirale
Caractérisation à l’aide de différentes pointes RF
Reproduction et analyse du problème en simulation
Intégration de la pointe RF dans la simulation EM
Extraction des puissances absorbées et de l’énergie stockée à partir des champs E et H
Représentation du problème par les facteurs de qualité
Validation expérimentale de l’hypothèse d’un rayonnement électromagnétique
Solutions visant à réduire le rayonnement parasite
Plan de masse commun à un ensemble de structures de test
Dimensionnement de l’anneau métallique entourant l’inductance
Application à de nouvelles structures test
Inductance
Transformateur
Conclusion
Références
FABRICATION ET CARACTERISATION DES DEMONSTRATEURS
Introduction
Développements technologiques
Procédé technologique
Dessin de masques
Mesure des performances RF des composants réalisés sur silicium
Résultats de caractérisation des inductances
Résultats de caractérisation des transformateurs
Mesure des performances RF des composants fabriqués sur substrat verre
Dépôt d’un film sec de résine époxy
Caractérisation du film sec de résine époxy
Résultats de caractérisation des structures inductives
Inductances
Comparaison de nos inductances RF avec l’état de l’art
Transformateurs
Comparaison des transformateurs RF fabriqués avec l’état de l’art
Conclusion
Références
Conclusion générale
