Intégrabilité dans un circuit intégré microonde

La charge utile d’un satellite de télécommunications regroupe un certain nombre de modules RF devant être intégrés dans un même circuit. Les circuits MIC « Microwave Integrated Circuit » et les MMIC « Monolithic Microwave Integrated Circuit » sont communément utilisés dans les applications spatiales. Ils coexistent au sein de systèmes hybrides permettant une intégration peu encombrante et des reports simples des différents modules. Les MIC sont constitués de lignes de transmission gravées sur le substrat support sur lesquelles des composants actifs et passifs de différents substrats sont reportés. Pour les MMIC, plus couteux, les composants actifs et passifs et les interconnexions sont réalisés sur un même substrat semi-conducteur présentant de meilleures performances.

I.8.2.1 Circuits intégrés en technologie hybride

L’intégration hybride consiste à assembler sur un même support un ensemble de composants montés avec différentes techniques d’intégration. Elle se fait grâce à des lignes de transmission planaires gravées sur un substrat, généralement une céramique, sur lequel les composants actifs et passifs sont soit gravés, soit reportés par des techniques de brasage ou de collage suivies de câblage filaire « wire bonding ». La figure I.32 présente un exemple d’intégration d’amplificateurs MMIC dans un circuit hybride [25]. Les amplificateurs sont liés à leur accès à des lignes microruban d’impédance caractéristique 50 Ω par l’intermédiaire de 2 fils de « bonding ». L’impédance caractéristique de 50 Ω est choisie comme standard par les concepteurs de circuits afin de réaliser les lignes permettant le guidage du signal entre les différents composants. Les pads situés aux accès des lignes microruban servent de motifs de compensation des fils de « bonding ».

Il existe deux familles de circuits hybrides : - Les circuits hybrides à couches épaisses :

Ces circuits présentent de bonnes performances pour des fréquences allant jusqu’à 10 GHz. Ils sont réalisés par des techniques de sérigraphie suivies de traitements thermiques. Les motifs de métallisation utilisés pour ce type de technologie sont relativement épais (10 à 50 µm) d’où l’appellation couches épaisses.

- Les circuits hybrides à couches minces :

Utilisés pour les fréquences millimétriques, ces circuits sont plus répandus dans les applications spatiales.

Pour ce type de technologie, le substrat utilisé traditionnellement est l’alumine Al2O3 à 99%. D’autres matériaux peuvent être utilisés comme la Silice fondue SiO2 ou encore le Quartz. Les couches de métallisation minces dans ce cas (quelques micromètres) sont déposées le plus souvent par pulvérisation cathodique. Pour des couches plus épaisses, il est nécessaire par la suite de passer par une étape de croissance soit par électrolyse soit par autocatalyse grâce à un processus chimique. Ces étapes technologiques sont plus amplement expliquées dans le chapitre II.

La figure I.33 présente un exemple de motifs réalisés par une technique couches minces [26].

I.8.2.2 Interconnexions par fils de « bonding »

Le câblage filaire « wire bonding » est une technique d’interconnexion largement utilisée dans les circuits intégrés hybrides. Sa popularité est due à son faible coût et la flexibilité de son usage. Avec la montée en fréquence, les fortes inductances des fils de « bonding » entrainent des effets parasites importants ainsi que des problèmes d’adaptation d’impédance. La figure I.35 [27] présente l’exemple d’un câblage type « bonding ». Le fil en or considéré a un diamètre égal à 25 µm et une longueur minimale de 480 µm. La valeur de l’inductance parasite augmente avec à la fois l’élévation de la fréquence et le rallongement du fil.

Plusieurs méthodes permettent de diminuer les effets inductifs parasites liés aux interconnexions de « bonding ». Parmi ces méthodes, l’usage de plusieurs fils est la plus répandue.

La figure I.36 (b) [28] permet de constater une diminution notable des réflexions indésirables pour des interconnexions à deux fils de « bonding ». Pour ce type d’interconnexion, plus l’espacement entre les fils se rapproche de la largeur de la ligne microruban sur laquelle ils sont reportés plus leur inductance mutuelle diminue (cf. figure I.36 (c)). Une autre méthode consiste à rapprocher les différents circuits afin d’utiliser des fils moins longs avec des inductances plus faibles et plus faciles à compenser.

La compensation se fait généralement à l’extrémité des lignes d’accès par l’intermédiaire de pads capacitifs. L’ensemble {fils + pads de compensation + lignes d’accès} peut être modélisé par le circuit de la figure I.37. La compensation par des capacités permet de former un filtre passe bas avec l’inductance du « bonding ». La valeur de la capacité est

choisie de telle sorte à avoir la fréquence de coupure la plus haute possible. Dans [29], des lignes interconnectées par deux fils de « bonding » espacés de 100 µm sont simulés avec le logiciel EεDS d’Agilent pour différentes longueurs de câblage (cf. figure I.38). Ce résultat justifie la nécessité de raccourcir les fils afin de réaliser une compensation efficace avec un simple pad capacitif. Ceci est d’autant plus important que les fréquences de travail sont élevées.

Figure I.36 : [28] (a) Câblages de type « bonding » à 1, 2 et 3 fils (b) Paramètres S11 des câblages à 1,2 et 3 fils (c) Evolution de l'inductance mutuelle pour un câblage à 2 fils en fonction du rapport espacement des fils /

largeur de la ligne microruban

Figure I.37 : Circuit équivalent de l'ensemble {fils de "bonding"+ pads de compensations + lignes d'accès} représenté sur le logiciel ADS d'Agilent.