1 Le banc de mesure

Pour analyser des inductances intégrées, nous avons commencé par développer un banc de mesure devant être capable de mesurer des inductances entre 10nH et la dizaine de µH et sur une gamme de fréquence devant s’étendre de 1kHz à 100MHz. Parmi les techniques de mesures existantes (analyseur de réseau, RFIV, ou pont auto balancé), notre étude a conclu que le mesure d’impédance par la méthode du pont auto balancé était la plus adaptée car elle permet de couvrir une large gamme d’impédances jusqu’à 110MHz [22, 139]. Pour cela, nous avons utilisé l’analyseur d’impédance 4294A d’Agilent Technologies. Cet appareil présente les caractéristiques suivantes, qui sont en accord avec notre besoin :

- Fréquence de travail : 40 Hz < f < 110 MHz.

- Gamme de mesure de module d’impédance à 30% de précision : 3mΩ< |Ζ| < 500MΩ .

- Gamme de mesure de module d’impédance à 10 % de précision couvrant quasiment la totalité des valeurs d’inductances suivant la fréquence que nous désirons mesurer. La précision est supérieure à 10% seulement lorsque |Z|<20mΩ. Pour nos composants inductifs, cela pose problème pour les faibles valeurs d’inductance, uniquement aux faibles fréquences : f<10kHz.

- Amplitude du signal de test AC : 5mVrms < VAC < 1Vrms.

- Gamme de la polarisation en courant : 0 < IDC < 100mA.

- Fonction d’analyse de réponse fréquentielle et d’extraction de paramètres de schémas équivalents.

Figure 4.1. Mesure quatre points Hc, Hp, Lp et Lc par méthode du pont auto-équilibré

L’analyseur d’impédance utilise la méthode du pont auto équilibré (Auto Balancing Bridge ou ABB) (Figure 4.1). Le courant traversant le composant mesuré, traverse également la résistance R. Le potentiel du point L est maintenu à 0V et le courant de R s’équilibre avec celui du composant mesuré grâce à l’entrée haute impédance du convertisseur courant-tension.

L’impédance du composant est calculée en utilisant la mesure des tensions au point H et aux bornes de R. De plus, l’appareil est configuré pour permettre le test à quatre fils afin de s’affranchir des pertes en ligne. Avant la mesure, une calibration open/short est nécessaire afin de modéliser les parasites des connectiques à l’aide des paramètres ABCD (Figure 4.2). Ils forment une matrice 2x2 liant les variables tension et courant (V1, I1) mesurées par l’appareil aux variables de tensions et de

courant (V2, I2) aux relatives au composant testés (4.1).             =       I V . D C B A I V 2 2 1 1 _(4.1)

L’impédance mesurée par l’appareil Zxm et l’impédance vraie du composant ZX sont définies par

(4.2) et (4.3). I V Z 1 1 xm= (4.2) I V Z 2 2 x= (4.3)

En associant (4.1), (4.2) et (4.3), nous pouvons exprimer l’impédance du composant Zx à partir de

la valeur mesurée Zxm (4.4). Cette expression représente la correction réalisée par l’appareil de mesure

sur la valeur mesurée pour définir la vraie valeur d’impédance.

A Z C Z D B Z xm xm x − − = (4.4)

Pour la mise en œuvre de l’analyseur d’impédance 4294A, nous avons suivi les recommandations de la note d’application N°5988-5102EN éditée par la société Agilent, fabricant de l’analyseur [139]. Plusieurs modes de mesures sont présentés. Pour utiliser des caractérisations jusqu’à 110MHz, deux méthodes sont plus particulièrement recommandées.

La première utilise la sonde de mesure 49241A représentée par la figure 4.3. Avec un câble coaxial SMA et une sonde de type ACP capable de mesurer jusqu’à 40GHz (Figure 4.3.b), ce montage est fortement recommandé pour des mesures d’impédance précise jusqu’à 110MHz. Néanmoins, ce montage n’a pu être mis en œuvre car les pointes ACP requièrent une empreinte de contact spécifique (Figure 4.3.b) qui n’a pas été prévue lors de l’édition des masques. Ces contacts sont de types GSG (Ground Signal Ground) et présentent une largeur et un écartement spécifique (entre 150µm et 500µm). L’épaisseur de SU-8 au-dessus des bobines et la configuration des pointes GSG rendent difficile la descente de la sonde jusque sur le plot de contact. L’ensemble des étapes technologiques étant maîtrisées, notamment le polissage de la SU-8, les prochaines générations de masques seront pourvus de contacts spécifiques avec une empreinte GSG.

a) b)

Figure 4.3. Montage avec la sonde de mesure 42941A a) Montage, b) Détail sur la sonde de mesure ACP

Sonde

G S G

Contact sur le wafer

La deuxième méthode correspond à la technique de mesure en 4 fils (Figure 4.4.a), destinée à supprimer les effets des résistances séries des câbles de mesures. Les 4 fils sont connectés deux à deux à des pointes coaxiales de type DCP (Figure 4.4.b). La calibration décrite plus haut permet de corriger les mesures des parasites des câbles coaxiaux, représentés par leur modèle équivalent sur la figure 4.4.a. Pour atteindre la station sous pointes, un câble dit d’ « extension de port » 16048A (1 mètre) fourni par Agilent est utilisé. La longueur électrique de ce câble est compensée par une procédure de compensation de phase qui précède la calibration des éléments parasites.

a) b)

Figure 4.4. Montage pour une mesure en 4 fils

a) Détail avec le modèle des parasites des câbles, b) Pointes de mesure coaxiale

Sur le graphique de la figure 4.5, nous pouvons voir que l’extension de port induit une variation négative de phase sur la mesure correspondant au retard de la ligne pour les fréquences supérieures à 4 MHz environ. Cette variation est normale car la longueur d’onde associée à la fréquence de mesure devient non négligeable devant la longueur de la ligne. Au-delà de 15 MHz environ, par contre, la variation de phase devient telle qu’on ne peut être certain que la compensation de longueur électrique est performante. Afin de garantir l’exactitude de l’étude qui suit, nous avons décidé de ne considérer les mesures effectuées que dans la gamme de fréquences de 40Hz à 10MHz.

Influence de la compensation de longueur électrique

-90 -45 0 45 90

1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08

Fré que nce f (Hz) P h a s e T h e ta ( °)

Theta Etalon directement connecté

Theta Etalon sur extension de port, sans compensation Theta Etalon sur extension de port, avec compensation

Figure 4.5. Variation de phase perçue par l’appareil de mesure et compensation de cette variation.

Nous avons vu que la principale limitation est la fréquence maximum de mesure que nous avons obtenue : fmax=10MHz. Des mesures comparatives (Figure 4.6) d’une inductances CMS sous pointes

puis avec un support spécifiques aux CMS directement connecté à l’analyseur (Figure 4.7.a), ont permis de connaître l’influence du montage sur la mesure. Les courbes, qui montrent la réponse fréquentielle donnée par le constructeur, puis mesurée aux bornes de l’appareil et finalement mesurée

en fin de chaîne du banc de caractérisation, témoignent de nouveau à la fois de la qualité des mesures obtenues avant fmax et de l’inexactitude des mesures obtenues après 10MHz. Il est difficile à ce stade

de déterminer la part de responsabilité des pointes et des câbles de mesures.

Inductance Coilcraft MSS6122-682MX Ls=6,8µH ; Rs=100mΩΩΩΩ ; Cp=1.6167pF 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000

1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08

Fréquence f (Hz) Im p e d a n c e | Z | ( ΩΩΩΩ )

|Z| donné par le constructeur |Z| mesuré avec support |Z| mesuré sous pointes

Figure 4.6. Performances de mesure de l’appareil et du banc de caractérisation sur une inductance CMS du commerce.

La plage 10MHz-110MHz ne pouvant être négligée pour notre étude, nous avons décidé de réaliser nos mesures sur des composants montés sur boîtiers. Connectés à un support spécifique (Figure 4.7.b), qualifié par Agilent jusqu’à 110MHz, la mesure au plus près de l’appareil permet de s’affranchir des perturbations des connectiques de mesures.

a) b)

Figure 4.7. Supports de mesures [139] a) CMS (SMD), b) Boîtiers

La correction des parasites est réalisée avec un boîtier vide pour la calibration OPEN et, pour la calibration SHORT, avec un boîtier contenant la même longueur de fils de bonding, utilisée pour connecter les inductances.

II-2. Reproductibilité

Les premières mesures ont porté sur la reproductibilité pour à la fois valider la technologie mis en œuvre et vérifier la précision des mesures obtenues avec des composants montés sur boîtiers. Pour cela nous avons mesuré plusieurs composants de même type réalisés sur wafer silicium et Pyrex®.