Modélisation du champ de contrainte dans un empilement BAW SMR soumis à un gradient de température et une contrainte résiduelle

Besoin et spécifications de la fonction filtrage pour un téléphone cellulaire

Compte tenu de l’augmentation continue de l’occupation du spectre radiofréquence et afin de pouvoir assurer la cohabitation de tous les standards de la téléphonie mobile, des exigences de plus en plus strictes émergent, conduisant à des architectures plus sélectives. Les technologies actuelles sont remises en cause. Des solutions innovantes les remplacent afin de relever les nouveaux défis technologiques. Un exemple de composants concernés est celui des filtres RF passe-bande.
Pratiquement tous les filtres utilisés pour les applications mentionnées ci-dessus sont de tels filtres.
Les caractéristiques principales d’un filtre passe-bande sont définies sur la FIG.1-5.

Emplacement et fonction du filtre RF dans un système d’émission et de réception radio

Comme expliqué précédemment, du fait de l’occupation croissante du réseau hertzien, chaque utilisateur doit être capable d’isoler l’information utile à la réception, et de s’assurer lors de l’émission de ne pas perturber les autres utilisateurs. Ce sont en quelques mots les deux fonctions principales des filtres RF utilisés dans les chaînes d’émission et de réception radio pour un téléphone mobile. Les architectures émetteur-récepteur RF sont nombreuses, mais le principe de base reste le même :l’émetteur translate le signal à émettre des basses fréquences (la bande de base) vers les radiofréquences, tandis que le récepteur réalise l’opération inverse (FIG.1-6). Ces deux opérations sont réalisées grâce à un signal RF de référence appelé porteuse, dont on vient moduler l’une des caractéristiques (amplitude, fréquence ou phase) à l’aide du signal à émettre. La fonction mélangeur est utilisée pour multiplier le signal à émettre (en basse fréquence, appelée bande de base) par la porteuse synthétisée à l’aide d’un oscillateur local. Ainsi on obtient un signal RF centré sur la fréquence de l’oscillateur local (la fréquence porteuse). Ce signal est ensuite amplifié par un amplificateur de puissancePA(Power Amplifier) puis envoyé dans l’antenne aprèsle passage par le filtre passe-bande. Cette étape de filtrage est nécessaire pour éliminer tous les signaux inutiles générés pendant les étapes précédentes (principalement dus aux effets nonlinéaires du mélangeur et de l’amplificateur de puissance réalisés avec des composants intrinsèquement nonlinéaires comme les transistors). Ainsi, le signal est porté par cette référence, et peut être récupéré par le récepteur en utilisant cette même référence. L’antenne est un composant passif permettant de capter des ondes électromagnétiques dans une bande de fréquence biendéterminée. Ainsi, le signal RF émis est reçu au niveau de l’antenne mais avec d’autres signaux parasites provenant d’autres communications. C’est pour cette raison que l’on a aussi recours à un filtre passe-bande à la réception pour filtrer le signal reçu par l’antenne autour de la bande de réception.Le point délicat au niveau de la réception est de détecter un signal utile d’amplitude faible, bien souvent en présence de signaux parasites qui peuvent avoir des amplitudes comparables voire supérieures à celle du signal utile. Ainsi une très bonne sélectivité du filtre en réception est nécessaire. A titre indicatif, pour le standard WCDMA avec une largeur du canal de 5MHz et une fréquence centrale autour de 2GHz, la sélection directe de l’information nécessite en théorie un filtre avec un facteur de qualité au moins égal à 500 et une atténuation hors bande égale à 33dB au moins [R.1.26] . Une fois le signal utile extrait, ce dernier est amplifié par un amplificateur faible bruit LNA(Low Noise Amplifier). Un mélangeur et un oscillateur sont ensuite utilisés pour reconstituer le signal de base. Il faut savoir que de nos jours, les standards de communications tels que l’UMTS, convergent vers le mode de fonctionnement « full-duplex » c’est-à dire que les systèmes de télécommunications fonctionnent simultanément en émission (TX) et en réception (RX). En d’autres termes, le téléphone doit pouvoir émettre et recevoir simultanément.

La technologie à ondes acoustique de volume (BAW): une «nouvelle» solution, de nouveaux défis

L’âge d’or des filtres SAW prend fin lorsque EPCOS,FUJITSU, TRIQUINT décident à partir de 2006 (EPCOS commence puis les autres un peu plus tard) de passer à la phase de production des BAW même s’ils gardent la production des SAW comme activité principale (FIG.1-11) [R.1.91].

Optimisation acoustique d’un dispositif BAW SMR

Comme cité ci-dessus, une configuration en λ/4 du miroir acousique ne permet pas d’optimiser les performances acoustiques du dispositif (FIG.1-22 (a)) (couplage de modes par la géométrie et génération de vibration transverse). Une première étape consiste à jouer sur les épaisseurs du miroir de Bragg pour isoler le mode d’épaisseur et des ondes parasites. Cette optimisation peut être réalisée en simulant la réflexion (ou la transmission) du miroir de Bragg à l’aide du modèle de Mason (qui sera introduit par la suite) en remplaçant les vitesses acoustiques des ondes longitudinales par les vitesses des ondes transverses des différents matériaux [R.1.126] . La FIG.1-22 (b) montre qu’il est possible de trouver une combinaison d’épaisseurs pour laquelle le réflecteur de Bragg est optimisé pour les deux polarisations autour de la fréquence de résonance.

Les applications de la technologie BAW

La première application de la technologie BAW est certes l’application filtrage passe-bande, toutefois, cette technologie commence à élargir son spectre d’utilisation en cherchant à développer de nouvelles solutions non seulement pour le secteur de télécommunications mais aussi pour d’autres domaines comme l’automobile, le secteur médical ainsi que pour d’autres applications que nous aborderons brièvement dans la suite.

Les filtres BAWpasse-bande

La première application des ondes acoustiques de volume dans des couches minces est de construire des filtres passe-bande pour les fréquences au GHz fondés sur le même principe de fonctionnement que les résonateurs à ondes acoustiques de volume introduits précédemment. Dans le cadre de l’étude actuelle, nous nous intéresserons dorénavant au mode d’épaisseur fondamental (TE1). Contrairement aux filtres SAW, le principe de fonctionnement des filtres BAW consiste à exciter une onde acoustique de volume qui se propage selon l’épaisseur de la structure. La fréquence d’opération de ces filtres est donc directement liée à l’épaisseur de la couche piézoélectrique (même si toutes les couches du résonateur y contribuent) et non plus à la largeur des électrodes des transducteurs comme pour un SAW.
L’évolution récente des procédés de dépôt de matériaux piézoélectriques [R.1.114-R.1.117] a permis la réalisation de couches minces de bonne texturation avec un ordonnancement cristallin colonnaire dans le sens de l’épaisseur. En conséquence, la gamme defréquences d’opération au mode fondamental des filtres BAW a pu être étendue aux hautes fréquences et certains travaux ont déjà montré la faisabilité de résonateurs BAW à des fréquences comprises entre6 et 20GHz [R.1.98-R.1.100] . En plus de cette facilité pour monter plus haut en fréquence, la propagation des ondes acoustiques dans le volume permet une meilleure tenue en puissance. Un autre avantage important de la technologie BAW est la possibilité d’utiliser un substrat bas coût tel que le silicium contrairement aux filtres SAW qui requièrent un substrat piézoélectrique. En outre, les procédés de fabrication de dispositifs BAW sont compatibles avec les procédés de fabrication des circuits CMOS et BiCMOS (en termes de contamination et de température) ce qui permet d’envisager la réalisation des chaînes radiofréquence complètement intégrées à coûts réduits. Les filtres BAW peuvent être classés en deux grandes catégories : les filtres à résonateurs et les filtres empilés.

Résonateurs BAW pour des oscillateurs dans les émetteurs-récepteurs RF

Les oscillateurs sont utilisés quasiment dans tous les systèmes de communications. Ainsi cette deuxième fonction est aussi importante que la fonction de filtrage dans la mesure où chaque système RF sans fil nécessite une référence de temps (une source de signal périodique). Le générateur de fréquence permet en émission de générer le signal de la fréquence porteuse et en réception le signal de l’oscillateur local. En conséquence, les performances en termes de stabilité fréquentielle et de bruitde phase sont cruciales pour remplir cette fonction. Le résonateur va servir comme élément de référence et sera utilisé pour stabiliser la fréquence de l’oscillateur. Ce signal de référence est le plus souvent obtenu par synthèse de fréquence, en multipliant lafréquence de résonance d’un oscillateur très stable à basse fréquence (le plus souvent utilisant le Quartz comme résonateur) grâce à une boucle à verrouillage de phase (PLL) (FIG.1-33) ou une boucle à verrouillage de délais (DLL) [R.1.131].
Les critères les plus importants pour un oscillateur sont une bonne stabilité, un faible bruit de phase, une faible consommation afin d’améliorer l’autonomie des systèmes alimentés par batterie, une puissance de sortie conséquente, un faible encombrement ainsi qu’une intégration dans les technologies silicium avancées CMOS et BiCMOS. Avec la montée continue en fréquence, ces oscillateurs doivent aussi fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées tout en gardant l’objectif de réduire le coût du composant et de conserver des caractéristiques techniques compatibles avec l’application .

Modèles pour la technologie BAW

Plusieurs méthodes (1D ou plus) peuvent être utilisées pour modéliser un résonateur BAW. Dans ce paragraphe, on introduit uniquement les modèles quivont être utilisés dans les travaux de thèse. La structure BAW a la particularité d’avoir des dimensions latérales qui sont grandes devant son épaisseur. En conséquence, une approche unidimensionnelle peut être adoptée en premier temps pour une étude simplifiée des caractéristiques électriques et acoustiques du résonateur. Dans un second temps des modèles 3D tels que les simulations par éléments finis peuvent être utilisés pour tenir compte des effets non considérés dans les modèles 1D. Les méthodes les plus utilisées sont le modèle analytique 1D, le modèle de Mason, le MBVD et la simulation par éléments finis. Elles seront présentées dans la suite. Suivant le type d’analysesouhaitée ainsi que la précision demandée l’une ou l’autre de ces méthodes peut être utilisée.

Modèle analytique 1D

Le modèle 1D utilise les équations de la piézoélectricité pour mener une analyse unidimensionnelle suivant la direction qui nous intéresse (par exemple z pour le mode TE), et établir une expression analytique de l’impédance électrique du résonateur piézoélectrique. Ce dernier se compose de deux parties : les accès et la capacité. La partie importante à modéliser dans un résonateur BAW est celle qui influence sa réponse acoustique c’est-à-dire lapartie active, le réflecteur de Bragg et le substrat.
Les accès ne sont pas concernés par le phénomène acoustique et donc peuvent être considérés d’un point de vue purement électrique.
Pour pouvoir utiliser l’approximation d’une propagation unidimensionnelle (1D) deux conditions sont nécessaires [R.1.150]:
-Une propagation en ondes planes : ceci est vrai lorsqu’une structure présente un rapport entre les dimensions latérales et l’épaisseur des couches assez élevé.
-L’orientation du cristal piézoélectrique suivant l’axe normal aux plans des électrodes doit être parfaite
afin d’éviter le couplage piézoélectrique avec les ondes transversales.
Dans un matériau piézoélectrique de la classe 6mm (tel que l’AlN utilisé dans le cadre de notre étude), parmi les trois ondes planes qui peuvent sepropager suivant l’axe z, seule l’onde longitudinale est piézoélectriquement couplée sous l’application d’un champ électrique suivant l’axe z si le cristal est bien orienté [R.1.150] .
Dans ces conditions, l’approximation d’une propagation unidimensionnelle (1D) peut être utilisée. Les grandeurs physiques ne dépendent alors que de l’axe z et les équations constitutives de la piézoélectricité et de l’acoustique se simplifient. Il est alors possible de déterminer la réponse en fréquence des résonateurs BAW, soumis à une excitation électrique, en résolvant l’équation de propagation du déplacement mécanique sur l’ensemble de la structure en fonction des conditions mécaniques, aux limites et aux interfaces, et des conditions électriques, sur les électrodes et dans la couche piézoélectrique.
L’intérêt d’un modèle 1D est sa rapidité de calcul,l’accès à certaines données physiques, comme le déplacement mécanique et la flexibilité au niveau du nombre de couches qui est important pour les structures SMR. Toutefois, ce modèle reste très simpliste et ne permet pas de prendre en compte les effets sur les bords de la structure ni l’effet de la forme du résonateur.

Réduire le coût de procédés de fabrication

Comparés au SAW, les dispositifs BAW en général, etles SMR en particulier font appel à un procédé de fabrication assez coûteux. Ceci est dû au nombreimportant de couches (réflecteur de Bragg, cadre « frame », couche de charge « loading »), mais également au nombre d’étapes lithographiques, à la gravure des couches métalliques du miroir de Bragg, aux étapes de recalage «trimming», à la difficulté de réaliser la compensation en température. Réduire le coût de production pour atteindre un prix compétitif en comparaison des dispositifs SAW constitue un objectif primordial conditionnantune large commercialisation de la technologie BAW.

La maîtrise des épaisseurs

Ce point fait partie des difficultés liées au procédé de fabrication à surmonter. Pour les résonateurset filtres à onde acoustique de volume, la fréquence de résonance est liée au 1 er ordre à l’épaisseur des couches. Les dispositifs BAW sont typiquement constitués de couches d’épaisseurs comprises entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns. Les contraintes en termes d’uniformité et de qualité des couches sont extrêmement fortes dans ledomaine des BAW. L’exigence pour la fréquence de résonance est de l’ordre de ± 0,1% pour les filtres dédiés à des téléphones mobiles. Ceci se traduit par des tolérances de même niveau sur l’épaisseur de la couche piézoélectrique. Une telle précision ne peut pas être satisfaite par les outils standards utilisés pour les procédés de fabrication de semiconducteurs qui offrent généralement une précision de ±3%. Utiliser des équipements spécifiques augmente l’investissement mais peut résoudre une partie de ce problème. Toutefois, obtenir une uniformité suffisante (suivant les normes de production industrielles) sur toute la plaque reste encore un problème majeur qui nécessite le recours à une technique d’abrasion localisée sur le composant final (appelée trimming) permettant de diminuer localement l’épaisseur d’une couche et de corriger ainsi les non-uniformités de fréquence sur la tranche de silicium.

Table des matières
Résumé 
Abstract
TABLE DES MATIERES 
REMERCIMENTS
INTRODUCTION GENERALE DE LA THESE 
CHAPITRE-I: LA TELEPHONIE MOBILE ET LA TECHNOLOGIE A ONDES DE VOLUME 
Introduction du chapitre 1
I.1. La Téléphonie mobile : évolution et tendances actuelles
I.2. Besoin et spécifications de la fonction filtrage pour un téléphone cellulaire
I.3. Emplacement et fonction du filtre RF dans un système d’émission et de réception radio
I.4. Les technologies de filtrage radiofréquence miniaturisées
I.4.1. Les filtres actifs intégrés
I.4.2. Les filtres céramiques
I.4.3. Les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW)
I.5. La technologie à ondes acoustique de volume (BAW): une «nouvelle» solution, de nouveaux défis
I.5.1. Principe de fonctionnement d’un résonateur BAW
I.5.2. La technologie BAW sur membrane (FBAR)
I.5.3. La technologie BAW sur réflecteur de Bragg (SMR)
I.5.4. La technologie BAW sur cavité résonante (HBAR)
I.5.5. Optimisation acoustique d’un dispositif BAW SMR
I.5.6. Les applications de la technologie BAW
I.5.6.1. Les filtres BAW passe-bande
I.5.6.1.1. Les filtres BAW à couplage acoustique
I.5.6.1.1.1. Le SCF (Stacked Crystal Filter) en couches minces
I.5.6.1.1.2. Le CRF (Coupled Resonator Filter) en couches minces
I.5.6.1.2. Les filtres à éléments d’impédance
I.5.6.1.3. Différentes architectures pour le filtrage
I.5.6.1.4. Intégration des Filtres BAW dans les Chaînes RF
I.5.6.2. Résonateurs BAW pour des oscillateurs dansles émetteurs-récepteurs RF
I.5.7. Modèles pour la technologie BAW
I.5.7.1. Modèle analytique 1D
I.5.7.2. Modèle par schéma électrique équivalent MBVD
I.5.7.3. Modèle de Mason
I.5.7.4. Modélisation par éléments finis (MEF)
I.5.8. Les défis de la technologie BAW et les objectifs de la thèse
I.5.8.1. Le couplage électromécanique
I.5.8.2. Réduire le coût de procédés de fabrication
I.5.8.3. La maîtrise des épaisseurs
I.5.8.4. Le facteur de qualité et le miroir de Bragg
I.5.8.5. Les modes parasites
I.5.8.6. Le comportement en température
I.5.8.7. L’encapsulation
I.5.8.8. Les effets nonlinéaires
I.5.8.9. La fiabilité
Conclusion du chapitre 1
Annexe 1: Histoire de la téléphonie mobile jusqu’aux années 1980
Références du chapitre 1
CHAPITRE-II : ETUDE DE LA CAPACITE METAL-ISOLANT-METAL, CŒUR DU RESONATEUR BAW
Introduction du chapitre 2
II. Phénomène de polarisation diélectrique et effetpiézoélectrique
III. Choix des matériaux pour la capacité MIM
III.1. Choix du matériau piézoélectrique
III.2. Choix des électrodes
IV. Etude de la structure MIM sous champ électrique
IV.1. Etude de courants transitoires dans l’AlN
IV.2. Etude de la dispersion en fréquence de la permittivité d’AlN
IV.3. Effet du régime transitoire sur la mesure en régime établi
IV.4. Etude de la conduction en régime établi dans l’AlN
IV.4.1. Conduction ohmique dans l’AlN
IV.4.2. Conduction ionique dans l’AlN
IV.4.3. Conduction par mécanisme de Pool-Frenkel (PF) dans l’AlN
IV.4.4. Etude du champ de claquage (E BD ) de l’AlN
IV.5. Etude de la vitesse acoustique de l’AlN sous champ électrique
IV.5.1. L’acoustique picoseconde sous pointes
IV.5.2. Principe de la mesure de variation de vitesse acoustique sous champ électrique par acoustique picoseconde
IV.5.3. Conception de l’échantillon pour l’étude
IV.5.4. Expérimentation de la vitesse acoustique sous tension continue V DC
IV.5.5. Résultats expérimentaux et interprétation physique
IV.5.5.1. Détermination du coefficient de variationde la vitesse acoustique sous champ électrique
IV.5.5.2. Détermination du coefficient piézoélectrique de l’AlN
IV.6. Variation de la permittivité de l’AlN sous champ électrique
IV.6.1. Protocole expérimental
IV.6.2. Résultat expérimental et interprétation physique
IV.6.3. Modélisation de la variation de la permittivité de l’AlN sous champ électrique
IV.7. Etude de la structure MIM sous contrainte mécanique
IV.8. Effet de la variation de la température sur la capacité d’AlN
Conclusion du chapitre 2
Références du chapitre 2
CHAPITRE-III : ETUDE DU RESONATEUR BAW SMR
Introduction du chapitre 3
I. Etude des propriétés d’un résonateur BAW sous une tension continue
I.1. Introduction
I.2. Protocole expérimental
I.3. Résultats expérimentaux
I.4. Etude théorique
I.4.1. Variation de la fréquence d’antirésonance enfonction de V DC
I.4.2. Variation du couplage électromécanique en fonction de V DC
I.4.3. Variation de la fréquence de résonance en fonction de V DC
I.5. Simulation de l’effet d’une tension V DC sur un SMR par le modèle de Mason
I.6. Conclusion
II. Etude des propriétés d’un SMR sous contrainte mécanique
III. Etude thermique d’un résonateur BAW sous puissance RF
III.1. Introduction : La solution BAW pour le filtrage de puissance RF importante
III.2. Importance de l’étude thermique du dispositif BAW
III.3. Source de chaleur dans un BAW
III.3.1. Echauffement par pertes mécaniques
III.3.2. Echauffement par pertes diélectriques
III.3.3. Echauffement par effet Joule
III.4. Modèle thermique d’un BAW SMR
III.5. Mesure thermique sur un BAW SMR
III.6. Modélisation thermique par éléments finis d’un BAW SMR
III.7. Discussion et conclusion
IV. Etude de la fiabilité du résonateur BAW SMR sous puissance RF importante
IV.1. Introduction
IV.2. Etude expérimentale
IV.3. Modélisation de la dérive d’un résonateur sous puissance RF
IV.4. Mesure de la dérive en température d’un SMR
IV.5. Etude des effets nonlinéaires dans un SMR
IV.5.1. Caractérisation des effets nonlinéaire d’unrésonateur SMR (l’harmonique 2)
IV.5.2. Les origines des nonlinéarités dans un SMR
IV.6. Conclusion
V. Etude de la fiabilité du SMR suite à des tests environnementaux
V.1. Introduction
V.2. Définition des tests de vieillissement appliqués aux dispositifs BAW SMR
V.2.1. Cyclage thermique
V.2.2. Le stockage thermique
V.2.3. Le stockage température-humidité
V.3. Résultats des tests environnementaux
V.3.1. Stockage thermique
V.3.2. Stockage chaleur-humidité
V.3.3. Cyclage thermique
V.4. Conclusion
VI. Modélisation du champ de contrainte dans un empilement BAW SMR soumis à un gradient de température et une contrainte résiduelle
VI.1. Introduction
VI.2. Les contraintes dans un empilement SMR et le délaminage aux interfaces
VI.3. Etude de la contrainte thermomécanique loin des bords de la structure d’un SMR
VI.3.1. Modélisation de champ de contrainte thermomécanique en littérature
VI.3.2. Modèle proposé pour le champ de contrainte thermomécanique loin des bords dans un SMR
VI.3.2.1. Hypothèses de calcul
VI.3.2.2. Principes de calcul
VI.4. Etude des contraintes au voisinage des bords de la structure dans un empilement SMR
VI.5. Application : étude de la contrainte thermomécanique dans un empilement SMR en fonction de la technologie du Bragg utilisée
Conclusion du chapitre
Annexe 3-1 : Modèle macroscopique d’étude du couplage électromécanique
I. Le modèle de charge unidimensionnel
II. Modèle macroscopique de h et ε S pour un matériau piézoélectrique
III. Etude de la dépendance des constantes de l’AlNen champ électrique
Annexe 3-2: Modèle pour calculer la contrainte loindes bords dans un empilement SMR
I. Structure soumise à une température uniforme et une contrainte résiduelle
I.1. Structure monocouche
I.2. Structure multicouche
II. Structure soumise à un gradient thermique
II.1. Structure monocouche
II.2. Structure multicouche
Annexe 3-3: Le modèle de Moore
Annexe 3-4: Le modèle de Hsueh
Références du chapitre 3
CHAPITRE IV : ETUDE D’UN FILTRE PASSE BANDE A BASE DE BAW
Introduction du chapitre 4
I. Présentation du véhicule de test
II. Caractérisation du filtre BAW à faible puissance RF
III. Caractérisation sous forte puissance RF
IV. Caractérisation thermique du filtre par thermographie modulée
IV.1. Introduction à la mesure thermique
IV.1.1. La Thermographie Pulsée (TP)
IV.1.2. La Thermographie Modulée (TM)
IV.1.3. La thermographie de phase pulsée (TPP)
IV.2. Banc de tests et protocole expérimental
IV.3. Résultats et interprétation
IV.3.1. Répartition de la puissance RF dans le filtre BAW
IV.3.2. Estimation de la température maximale en fonction de la puissance dissipée
Conclusion du chapitre 4
Annexe 4: Principe de détection en imagerie infrarouge
Références du chapitre 4
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 

Lire le rapport complet