Etude des différents composants de dispositif de test

Ligne CPW Substrat _RO4003

Puce SOI et antenne Bonding

Support Connecteur V

Chapitre IV Réalisation et Etude des Antennes dans la Bande Millimétrique

137 Tableau IV.1 Caractérisation du substrat RO4003® fabriqué par la société Rogers

Figure IV.35 Deux techniques de wire bonding Substrat RO4003 Donnée Fabriquant Permittivité relative εr 3.38 +/- 0.05 à 10 GHz

Epaisseur 406 µm

Métallisation 18 µm

)

tan(δ _{0.0027 à 10 GHz}

Le substrat RO4003 de dimension de 20*10 mm, contient un trou dans son centre afin de mettre la puce de SOI dedans. En effet, pour que le circuit intégré puisse être exploité, il doit être électriquement relié au niveau de packaging suivant qui est dans notre cas la puce de SOI. Il existe plusieurs techniques pour réaliser cette interconnexion. Le micro câblage constitue l’une d’entre elles et demeure la plus répandue. Les entrées / sorties présentes sur le circuit intégré sont reliées au support (Boîtier ou substrat) à l’aide de fils dont les dimensions sont extrêmement réduites. Deux types de micro fils sont à distinguer:

¾ Les fils à métallisation « wire bonding »

¾ Les interconnexions TAB (Tape Automated Bonding).

Même si Les interconnexions de puces, par TAB, sont plus résistantes que les fils à métallisation et exhibent des meilleures caractéristiques thermiques, nous avons choisi l’utilisation de fils à métallisation. L’installation de ces fils est plus maniable et nous pouvons utiliser ses fils avec des angles plus raides (entre les plots radiofréquences et les lignes CPW). De plus, les fils ont un diamètre plus fin que la largeur de TAB. Cette caractéristique facilite la soudure (la largeur de ruban centrale est de 70 µm).

Deux techniques de base sont utilisées: le Wedge bonding et le Ball bonding (Figure IV.35). Dans le cas de Wedge bonding un fil, le plus souvent en aluminium est amené par l'outil (appelé stylet ou aiguille), puis appliqué sur le plot à souder. La liaison entre le fil et la zone à connecter s’effectue en combinant pression et vibration ultrasonore. Il s’agit d'une soudure « à froid ». C’est l’énergie ultrasonique qui entraîne un ramollissement du fil semblable à l'effet obtenu par une élévation de température. Le fil est en suite guidé par l'outil sur le second plot et une soudure effectuée. C’est la méthode que nous avons utilisée pour l’implémentation des bonding [IV.20] [IV.21] [IV.22].

Pour des fréquences peu élevées, les interconnexions du type wire bonding, reliant des lignes microstrip, sont modélisées par des composants élémentaires (Inductance, résistance et capacité) or cette méthode devient inadaptée lorsque la fréquence du signal devient élevée (La longueur d’onde du signal est du même ordre ou plus grande que la longueur moyenne d’interconnexion). Il faut donc modéliser les interconnexions (bonding) de façon plus précise, en les assimilant à des lignes de transmission [IV.20].

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Figure IV.36 Schéma des fils à métallisation coplanaires

Figure IV.37 Dimension des lignes coplanaires de circuit de test Dans notre cas, nous utilisons les bonding

pour relier les lignes CPW imprimés sur le substrat RO4003 aux plots radiofréquences des antennes imprimées sur SOI (Figure IV.36). Il s’avère donc indispensable d’utiliser trois fils de bonding simple pour cette procédure d’interconnexion. L’impédance caractéristique de cette ligne CPW formé par les trois fils de bonding est calculée par les équations de chapitre II.

La conception de circuit de ligne coplanaire tapérisée, montrés dans la Figure IV.33, est extrêmement délicate [IV.23]. A cause des contraintes reliées à la fabrication de circuit imprimé sur RO4003, nous étions obligés de s’adapter aux conditions de photolithographie du

concepteur de circuit. L’espacement minimum entre le ruban central et les plans de masse de la ligne CPW est de 75 µm. Avec ces conditions, nous ne pouvons pas concevoir des lignes d’impédance caractéristique proche de 50 ohms. Le circuit est tapérisé pour essayer de s’approcher à des coefficient de réflexion inférieurs à -10 dB.

En plus de l’effet de l’adaptation, un autre effet doit être pris en considération. L’excitation des modes parasites est imminente pour les lignes coplanaires de longueur physique de plusieurs longueurs d’onde. Afin d’éviter ce processus, des vias sont placés tout au long de circuit tapérisé. Ces vias relient les deux plans de masse via une arrière métallisation sous le substrat, et ainsi une équipotentialité de plan de masse est acquise. Les dimensions de la ligne à coté de la puce sont présentées dans la Figure IV.37.

Les valeurs des paramètres S de dispositif de test simulées et mesurés sont présentées dans la partie suivante lors de caractérisation du dispositif de test

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139 Figure IV.38 Schéma de méthode utilisé pour la caractérisation de motif de test

Nous voulons étudier les paramètres S entre l’entrée coaxiale et les dispositifs radiofréquences. Cette procédure nécessite le découpage de la puce de SOI incorporant l’antenne au niveau des dispositifs RF.

Cette procédure est illustrée dans la Figure IV.38. Les différents composants nécessaires à la mesure des paramètres S de dispositif de test sont les suivantes :

¾ L’analyseur de réseau vectoriel (VNA) pour mesurer les paramètres S. ¾ Des câbles coaxiaux reliant le VNA au dispositif de test.

¾ Une sonde utilisée pour la mesure sous pointes. Les paramètres S de cette sonde, ayant une entrée coaxiale W d’une coté et une sortie GSG de période de 100 µm de l’autre coté, sont données par le constructeurs.

¾ Vu que le VNA et les câbles coaxiaux sont en configuration coaxiale V, et que la sonde dont nous disposons est en configuration coaxiale W, un adaptateur est utilisé pour assurer l’interconnexion. Les paramètres S de cet adaptateur ne sont pas donnés par le constructeur, nous les caractérisons dans la partie suivante.

¾ Le dispositif de test, celui-ci a une entrée coaxiale avec une configuration V, et de l’autre coté nous avons coupé la puce de SOI au niveau des dispositifs radiofréquences pour poser les pointes de la sonde sur les plots.

Notre objectif est de déterminer les paramètres S du dispositif de test. La solution possible est d’utiliser un calibrage SOLT au niveau des terminaux des câbles coaxiaux. Ce calibrage est réalisé avec le kit de calibrage, fourni par le constructeur Anritsu. Ainsi nous pouvons obtenir les paramètres S du système « Adaptateur +Sonde+ Dispositif de Test ».