Solutions d’intégration en boîtier de puces MMIC via la technologie LTCC

La technologie d’intégration hybride des modules micro-ondes, voire millimétriques, est un sujet très important dans les domaines des télécommunications, des systèmes de transports, militaire et aérospatial. Cette technologie repose sur deux piliers distincts, l’un étant celui de l’électromagnétisme et l’autre celui des sciences des matériaux. On ne peut pas améliorer l’intégration et monter plus haut en fréquence sans une forte coopération entre des scientifiques qui se chargent de la partie conception de systèmes et de leurs composants (actifs et passifs) et des scientifiques qui se chargent de la mise en place et du développement de la technologie en elle-même. L’avancement des deux parties doit être fait en co conception pour un résultat favorable.

À cause d’un spectre en fréquence de plus en plus saturé dans le domaine centimétrique (qui couvre la bande de 3 à 30 GHz, on cherche aujourd’hui à utiliser des fréquences dans le domaine millimétrique (de 30 à 300 GHz), voire submillimétrique. Par exemple, les concepteurs de radars automobiles ont eu l’autorisation d’utiliser la bande autour des 24 GHz pour les radars anticollision jusqu’en 2013, date à laquelle ils sont sensés changer pour une fréquence autour de 77 GHz [1]. Concernant la radiométrie, des fréquences millimétriques sont utilisées pour étudier la concentration de certaines molécules dans l’atmosphère, comme les bandes des 118 GHz pour l’oxygène et 183 GHz pour la molécule d’eau, pour n’en citer que quelques-unes. D’autres applications en très hautes fréquences sont celles de la détection d’armes, de produits explosifs ou de drogues, utilisées, par exemple, dans les contrôles de sécurité des aéroports ou à l’entrée du métro de Londres. Ce type de systèmes utilise des fréquences allant de 35 GHz à 140 GHz, comme indiqué dans [2]. L’atténuation des ondes dans l’atmosphère dans le domaine millimétrique est plus forte que dans le domaine centimétrique, ce qui est avantageux dans certains cas, car cela limite la distance de propagation et les fréquences peuvent alors être réutilisées.

Aujourd’hui, pour tout ce qui concerne les systèmes, il faut d’abord concevoir et fabriquer des circuits intégrés qui fonctionnent à ces fréquences très élevées, ce qui est en soi un défi important. Néanmoins, la tâche suivante, correspondant à la mise en boîtier de ces puces, est aussi une tâche très contraignante, où il faut avoir une connaissance conjointe des problèmes électromagnétiques et des sciences des matériaux. Pour illustrer ce défi, prenons un exemple à 10 GHz. À cette fréquence, la longueur d’onde est de 3 cm en espace libre. Or, la longueur d’onde diminue avec la racine carrée de la permittivité relative du milieu de transmission, et donc pour un choix de matériau de type Alumine (Al2O3, εr=9.8), la longueur d’onde n’est que de 9.6 mm. Cela veut dire qu’à cette fréquence, pour un déplacement sur la ligne de 0.1 mm, la phase est modifiée d’environ 4°. Avec ce petit exemple, nous pouvons comprendre qu’un fil de connexion dans un système micro-onde n’est pas qu’un simple fil de connexion, mais un élément qui modifie plus ou moins le signal qui le traverse. Plus on monte en fréquence, plus la perturbation sur le signal est sensible, c’est pourquoi il faut contrôler le matériel et les tolérances dimensionnelles de manière fine pour réussir une mise en boîtier performante d’un circuit intégré.

Chip Scale Package (CSP)

Le CSP est un type de boîtier miniature avec des dimensions presque identiques à celle du composant qu’il contient. Ce boîtier protège le composant intégré et laisse entrer/sortir le signal en face arrière du boîtier. L’idée est que les plots d’accès soient positionnés sur la face arrière du boîtier et redistribués si besoin, pour ne pas agrandir le boîtier.  Les plots des circuits intégrés sont connectés aux plots du boîtier par ballbonding et les entrées/sorties du module sont connectées à la carte mère avec des billes de soudure, pour une technologie d’interconnexion qu’on appelle Ball Grid Array, BGA.

Ball Grid Array (BGA)

La technologie d’interconnexion BGA a plutôt été utilisée pour des modules contenant des processeurs numériques, avec de très nombreuses entrées/sorties et une fréquence d’horloge inférieure à quelques GHz. Pour un tel module, les billes sont distribuées sur la face arrière en une matrice qui couvre la surface complète. La technologie BGA est avantageuse quand le CET du module et de la carte mère diffère, ce qui est une situation assez fréquente (par exemple pour un module en LTCC avec un CET de ~6 ppm/°C monté sur une carte mère avec un CET typique d’environ 20 ppm/°C). Dans ce cas, en élevant la température, le module va se dilater moins que la carte mère sur laquelle il est soudé et, à cet instant, les billes du BGA fonctionnent alors comme des amortisseurs qui absorbent la différence de dilatation. Puisque cette technologie d’interconnexion ne s’avère pas chère, assez facile à mettre en œuvre et est robuste par rapport à l’exigence environnementale, son utilisation est maintenant poussée plus haut en fréquence, pour des modules RF et pour des modules intégrant plusieurs puces. Cette montée en fréquence réduit certaines exigences, mais en rajoute cependant d’autres. Par exemple, un module hyperfréquence contient moins d’entrées/sorties, mais réclame des dimensions pour les accès plus petites et avec des tolérances plus précises et cela pour diminuer les effets parasites. Dernièrement, la technologie BGA a été étudiée, avec des outils de simulation, pour des modules allant jusqu’à 50 GHz [14].

Land Grid Array (LGA) 

La solution Land Grid Array ressemble beaucoup au BGA, sauf que les billes ont été remplacées par des plots planaires, qui sont soudés sur les plots d’accueil de la carte mère directement. Cette solution est moins résistante contre les variations de température du système et les problèmes de dilatation associés, mais elle est cependant moins chère à mettre en œuvre (pas besoin de passer par l’étape de création de billes de soudure). Il est aussi plus facile de minimiser les dimensions pour réussir la montée en fréquence. En comparant les solutions BGA et LGA, il a été montré, en simulation, qu’avec des transitions de type LGA, la bande passante est améliorée en passant de 50 à 55 GHz [14], donc le signal peut passer du continu jusqu’à 55 GHz.

Multi Chip Module en céramique (MCM-C)

Pour diminuer le poids et le coût des HMICs, on a, avec l’arrivée du LTCC. Ce module est construit comme un HMIC classique, mais, au lieu de l’intégrer dans un boîtier mécanique, le substrat fonctionne en lui-même comme boîtier avec, souvent, un cadre de métal soudé sur la surface externe et un capot installé par dessus pour enfermer et protéger les parties sensibles. Pour améliorer la performance thermique, une semelle métallique peut être implantée en dessous du substrat pour évacuer la chaleur. Pour ce type de boîtier, des connecteurs compatibles avec un montage sur PCB, tels que GPO ou SMP .

Table des matières

Introduction générale
I. La mise en boîtier de MMICs millimétriques
I.1 Introduction
I.2 Boîtiers et connecteurs micro-ondes et millimétriques : état de l’art
I.2.1 Lead frame packages (DIL, SO-type, QFP, etc.)
I.2.2 Chip Scale Package (CSP)
I.2.3 Ball Grid Array (BGA)
I.2.4 Land Grid Array (LGA)
I.2.5 Boîtier métallique avec connecteurs coaxiaux.
I.2.6 Multi Chip Module en céramique (MCM-C)
I.2.7 Boîtiers spéciaux avec accès en guide
I.2.8 Boîtiers spéciaux avec couplage direct vers une antenne
I.2.9 Bilan
I.3 La technologie LTCC
I.3.1 Introduction sur la technologie LTCC
I.3.2 Choix d’une technologie LTCC au sein du laboratoire Microondes de Télécom
Bretagne
I.4 Les techniques d’interconnexion d’un circuit intégré
I.4.1 Le « ballbonding »
I.4.2 Le « wedgebonding »
I.4.3 Le « ribbonbonding »
I.4.4 Le fil « micro-coax »
I.4.5 Le « flip-chip bonding »
I.4.5.1 Transition GSG de trois billes
I.4.5.2 Solution hot-via
I.4.5.3 Solution coaxiale
I.4.6 Limitations en fréquence du micro-câblage et du montage flip-chip
I.5 Conclusion
II. Supports de transmission
II.1 Introduction
II.2 Guides d’ondes rectangulaires
II.2.1 Modes de propagation et fréquences de coupure
II.2.2 Dispersion
II.2.3 Pertes métalliques
II.2.4 Pertes diélectriques
II.3 Guides d’ondes à nervure
II.4 Guide d’ondes intégré dans un substrat
II.4.1 Guide d’ondes multicouches
II.4.1.1 Modes de propagation et fréquences de coupure du LWG
II.4.1.2 Pertes d’insertion du LWG
II.4.1.3 Simulation d’un LWG en bande X
II.4.1.4 Limitation en fréquence pour un LWG due aux vias
II.4.2 LWG à nervure
II.4.3 LWG en tranchées métallisées
II.4.4 Gap Waveguide
II.4.5 WG réalisé en LTCC
II.5 Comparaison des supports de transmission
II.6 Conclusion
III. Conception et validation de briques de base
III.1 Briques de base en LTCC
III.1.1 Conception d’un GLWG « limite »
III.1.2 Conception d’un GLWG à nervure « limite »
III.1.3 Conception d’une transition CPW vers GLWG pour mesures sous pointes
III.2 Validation expérimentale de supports de transmission en LTCC
III.2.1 Résultats pour les tronçons GLWGs en bande U
III.2.2 Résultats pour les tronçons GLWGs en bande V
III.2.3 Résultats pour les tronçons GLWGs en bande W
III.2.4 Résultats pour les tronçons GLWGs en bande G
III.2.5 Discussion sur les tronçons GLWG
III.2.6 Résultats pour les coudes de type GLWG
III.2.7 Résultats pour les tés de type GLWG
III.2.8 Résultats des charges de type GLWG
III.3 Conclusion sur les briques de base
IV. Conception d’un module actif en LTCC
IV.1 Introduction
IV.2 Conception de puces MMIC
IV.3 Transitions FC entre le GLWG et une puce MMIC
IV.3.1 Solution avec plot « signal » connecté en mode FC et masse ramenée par
câblage
IV.3.2 Solution intégrant un via métallisé pour connecter le signal de la puce
IV.3.3 Solution avec report FC utilisant trois billes pour le contact GSG
IV.4 Validation expérimentale des transitions GLWG vers flip-chip
IV.4.1 Résultats de la deuxième transition GLWG vers FC, en bande W
IV.4.2 Résultat de la troisième transition GLWG vers FC, en bande W
IV.5 Transitions LWG vers WG
IV.5.1 Comparaison des transitions
IV.5.2 Le développement de transitions en interne et premiers résultats de test
IV.5.2.1 Transition GLWG vers WG en LTCC
IV.5.2.2 Transition d’un GLWG sur le LTCC vers un WG standard
IV.6 Conclusion sur le module actif LTCC
Conclusion

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