Etude du report de résonateurs volumiques par collage

Nous avons choisi des résonateurs de formes classiques pour étudier plus particulièrement l’impact du report. Plusieurs prototypes ont pu être facilement réalisés et reportés de différentes manières. Les simulations préparatoires nous ont permis de quantifier un facteur de qualité idéal d’environ 2000 à 3000 pour ce type de cavité, dans des conditions optimales d’assemblage, et avec des matériaux faibles pertes (utilisés pour les applications spatiales).

La Figure 62 présente la première configuration testée. La cavité rectangulaire est usinée de manière traditionnelle -en aluminium- puis colléesur le plan de masse du substrat où les lignes et les fentes ont été gravées au préalable. La comparaison entre la simulation et la mesure de ce dispositif, montre que les modes TM110 et TE101 sont excités par les lignes sur le substrat, comme en simulation. Cependant ces derniers sont beaucoup moins couplés, la technique de report n’étant pas bien maîtrisée pour ce premier essai.

Figure 62 : cavité rectangulaire excitée par fente, reportée avec de la colle époxy métallique. A gauche, modélisation et photos du dispositif, à droite résultats de simulations et de mesures

Ce premier prototype a permis de confirmer l’utilisation de la colle et son efficacité pour assembler le résonateur à son système d’excitation. Cependant, les performances du résonateur sont moindres qu’attendues, à cause des défauts de montage (alignements, débordements de colle dans la cavité, etc), de la faible conductivité de la colle et de sa mauvaise répartition. Le dépôt de colle est surement non-homogène à cause de la technique de dépôt (dépôt manuel avec une seringue). Nous avons donc tenté d’améliorer la technique pour corriger ces problèmes. Une rainure dans l’épaisseur de la cavité a été usinée pour permettre une bonne évacuation du surplus de colle vers l’extérieur de la cavité. Des piges de centrage et des motifs d’aide à l’alignement ont été également gravés pour minimiser les désalignements lors de l’assemblage. La Figure 63 montre les améliorations mises en œuvre pour le report des cavités métalliques.

Figure 63 : technique de centrage par pige et rainure d’évacuation du surplus de colle dans l’épaisseur de la paroi de la cavité

La seconde configuration d’excitation qui a été testée est présentée en Figure 65, (avec un iris dans la cavité et un collage sur les conducteurs électriques), intégrant les conclusions de la précédente génération de prototypes. Cette configuration permet d’éviter qu’un mauvais étalement de la colle vienne recouvrir les fentes. Cela permet aussi d’exciter différents modes, comme le montre la Figure 64. Nous avons effectué une simulation large bande pour répertorier les modes excités.

Figure 64 : simulation large bande de cavités rectangulaires et cylindrique excitées par des lignes de transmission micro-ruban, et détermination des modes excités

Une autre évolution a été intégrée : le motif d’accueil sert aussi pour fermer la cavité. Dans le cas de la cavité cylindrique, la ligne d’excitation peut être recourbée pour exciter au mieux le mode TE111. La Figure 65 présente la comparaison entre la simulation et la mesure pour une cavité cylindrique excitée sur ce mode. Il apparaît une meilleure maîtrise du report et de la simulation, avec la prise en compte de diverses améliorations et la caractérisation des matériaux.

Figure 65 : cavité cylindrique excitée par fente, reportée avec de la colle époxy métallique. A gauche : modélisation et photos du dispositif. A droite : résultats de simulations et de mesures

De nombreux prototypes ont ensuite été fabriqués pour déterminer la meilleure méthode de report d’une cavité volumique sur un substrat avec cette colle époxy métallique. Les Tableau 15 et Tableau 16 regroupent les différents tests d’alignement et de motif d’accueil d’une cavité volumique, rectangulaire ou cylindrique. La comparaison des dispositifs se fait principalement grâce à la mesure du facteur de qualité à vide. Celui-ci nous indique les performances du dispositif, qui comprend la cavité reportée avec la colle sur le substrat.

Couplage et centrage Visualisation du substrat d’accueil Modes et

Mesures Q0 Commentaire ^{Visualisation} prototype

1-Fente Motif

TM110 / TE101

1680 / 2500

Encoches gravées dans le plan de masse pour aligner

les angles de la cavité.

2-Fente

Motif ^{N.A. / N.A.}

Empreinte de la cavité gravée dans le plan de

masse ; difficulté pour aligner la cavité. Dispositif non fonctionnel : de la colle

a recouvert les fentes. 3-Ligne

Motif

TM110 / TE101

190 / 210

Motif de l’empreinte et marqueurs d’angles pour l’alignement. Possibilité de glissement de la cavité, qui rend la méthode sensible. 4-Ligne Pige TM110 / TE101 80 / 170 Piges de centrage, et perçage de la cavité et du substrat pour l’alignement

5-Ligne Motif

TM110 / TE101

N.A. / 1470

Idem ligne 3 pour l’alignement. Fond de cavité réalisé par un motif en cuivre

sur le substrat.

6-Ligne Pige

TM110 / TE101

N.A. / 610

Idem ligne 4 pour l’alignement. Fond de cavité réalisé par un motif en cuivre

sur le substrat.

Tableau 15 : synthèse de résultats des différents prototypes à cavité carrée pour le report avec la colle époxy, l’alignement et la technique d’assemblage

Les tableaux de synthèse, Tableau 15 et Tableau 16, montrent qu’il est préférable d’avoir la cavité fermée par un plan en cuivre au niveau de la ligne d’excitation. De même, la présence de ce plan métallique le plus grand possible autour de la cavité permet une meilleure évacuation de la colle et de meilleures performances pour fermer la cavité. Il est en effet préférable que la colle ne soit pas en contact avec le substrat, poreux, et dans lequel les solvants peuvent se répandre. D’un point de vue thermomécanique, le fait de symétriser le substrat, avec du cuivre sur chaque face, donne aussi l’avantage d’éviter des effets bilames lors de changements de température. A l’aide des tableaux de synthèse, il apparaît aussi que la technique d’alignement utilisant des piges de centrage est à préférer. La cavité est maintenue à sa position durant tout l’assemblage et la cuisson du dispositif, ce qui permet un meilleur maintien mécanique. L’utilisation d’un motif de centrage dépend fortement de l’habileté du manipulateur dans le cadre d’un prototypage rapide. Il est à noter cependant qu’un procédé industriel utilisant, par exemple, une machine dite « pick-and-place31 » permettrait un alignement reproductible de manière efficace avec des motifs.

Couplage et centrage Visualisation du substrat d’accueil Modes et Mesures facteur de qualité Commentaire ^{Visualisation} prototype 1-Ligne Motif TE211 690

Idem ligne 3 du tableau précédent pour l’alignement. Fond de cavité réalisé par le plan de masse du substrat.

2-Ligne Pige

TE211

710

Idem ligne 4 du tableau précédent pour l’alignement.

Le fond de la cavité est réalisé par le plan de masse

du substrat d’accueil. 3-Ligne

Motif

TE211

1690

Idem ligne 3 du tableau précédent pour l’alignement. Fond de cavité réalisé par un

motif en cuivre sur le substrat.

4-Ligne Pige

TE211

1650

Idem ligne 4 du tableau précédent pour l’alignement. Fond de cavité réalisé par un

motif en cuivre sur le substrat.

Tableau 16 : synthèse de résultats des différents prototypes à cavité cylindrique pour le report avec la colle époxy, l’alignement et la technique d’assemblage

Les facteurs de qualité sont en deçà de ce qui est attendu pour des cavités métalliques résonantes fermées (facteur de qualité entre 3000 et 4000 pour une simulation idéale, sans problème de report, avec des conductivités caractérisées précédemment : aluminium = 17 S/µm

et colle = 0,5 S/µm), cependant cet aspect dépend grandement du report. La Figure 66 met

évidence ce problème potentiellement dû à des fuites de courant hyperfréquence. Nous avons effectué une mesure en l’absence de colle : la cavité est alors pressée sur le motif d’accueil. Les réponses obtenues avec la cavité collée et la cavité pressée sont très similaires. On remarque également que selon l’orientation des champs électromagnétique des modes, leur facteur de qualité est plus ou moins impacté par cette configuration d’assemblage. Le mode TM110 présente ainsi un très faible facteur de qualité : cela est lié au plan de coupe de la cavité, orienté dans le même sens que les champs magnétiques et les courants de surface. A l’inverse, le mode TE101 subit moins de perturbations, le plan de coupe de la cavité étant perpendiculaire aux champs magnétiques de ce mode. L’obtention de résonances non perturbées, quel que soient la configuration nécessite donc absolument un report maîtrisé.

Figure 66 : problématique du report, comparaison des cavités carrées reportées, avec et sans colle, visualisation des champs des modes excités

Les technologies flip-chip [94] sont actuellement bien maîtrisées et permettent le report de puces ou de transistors sur des cartes-mères. Ces techniques permettent une gestion efficace des liaisons électriques et la gestion des effets thermiques [101], mais elles sont cependant rarement adaptées à des composants volumineux telles que les cavités présentées ici. A nos fréquences de travail, les composants passifs microondes sont encore trop volumineux par rapport aux dimensions des cartes d’accueil. Cependant, des études sont à mener pour optimiser cet aspect du report. On peut citer par exemple comme piste, les travaux [78], où une transition entre un motif planaire et un guide d’onde volumique est réalisée grâce à une bille d’alumine.

Nous avons ainsi exposé le travail de développement d’un report de cavité sur substrat, nous avons déterminé des règles de conception sur la cavité et sur le substrat pour une utilisation de la colle époxy dans le cadre d’un prototypage rapide en laboratoire. De nombreuses études nécessitant des moyens industriels conséquents seraient à mener pour maîtriser cet aspect de nos travaux. Les performances atteintes avec les meilleurs prototypes sont en accord avec le cahier des charges, et permettent donc de valider ces études sur l’aspect report et de continuer le travail sur l’aspect compensation en température.