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II. O PTIMISATION ET REALISATION DU MODULE ACTIF DE LA CELLULE ELEMENTAIRE …69

II.3. C OUPLAGE COMPOSANTS – PUCE – SYSTEME

II.3.1 R EALISATION DE LA PARTIE ACTIVE DE PUISSANCE

Après avoir défini les paramètres des bras d’onduleur il nous faut maintenant procéder au

design du layout de la puce. Dans le processus de design il est nécessaire de tenir compte de

contraintes de natures différentes :

 Le design de la puce doit être conforme aux règles de dessin du fondeur (design kit)

qui conditionnent les relations géométriques telles que les largeurs des pistes, les

longueurs des pistes, les distances entre les pistes, les extensions des différentes

couches, le contour des couches et des vias, les surfaces maximales occupées par une

couche de métallisation, les ratios entre les surfaces, etc. ;

 Les densités de courant étant définies pour chaque couche de métal, pour chaque via

et pour chaque plot, cela impose, d’une part, que les pistes doivent être les moins

longues et les plus larges possibles afin de réduire la résistivité des amenés de

courant et, d’autre part, que le nombre de plots par potentiel doit être suffisant pour

que leur impédance soit limitée ;

 Au fil du processus de design il est nécessaire d’optimiser l’emprise de la puce afin

de ne pas être pénalisé en terme de prix en raison de la surface de silicium

nécessaire ;

 Afin de faire le report flip-chip, il est nécessaire de tenir compte des contraintes et

des normes de conception des circuits imprimés telles que les distances d’isolement,

les largeurs des pistes, les diamètres internes et externes des vias, etc., pour le

nombre et le positionnement des plots de contact de puissance mais aussi de

commande. Par ailleurs, le nombre de plots est aussi déterminant pour la faisabilité

et la qualité d’un montage flip-chip. Comme nous allons le voir plus loin, plus le

nombre des plots est grand, plus il est difficile de reporter la puce et d’avoir un

montage stable et fiable.

La technologie d’AMS C35B4M3 utilisée pour la conception de la puce fait partie de la

famille C35B4. Elle dispose de quatre couches de métallisation, les interconnexions entre

elles se faisant par l’intermédiaire de vias. A la différence des autres technologies de 0,35µm

proposées par AMS, sa quatrième couche de métal est plus épaisse, ce qui la rend bien

adaptée aux circuits faisant transiter des courants importants. La Figure II.22 illustre la vue en

coupe de la technologie d’AMS C35B4M3.

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Figure II.22 – Vue en coupe de la technologie AMSC35B4M3

Le tableau suivant montre que la densité de courant de la couche du métal épais est 5 fois

plus grande par rapport à celle des autres couches. Ces valeurs ont été tirées de la

documentation technique de cette technologie [AMS].

Tableau II.8 – Densités de courant des couches de métallisation en fonction de la largeur

Couches Densité de courant

Métal 1 1mA/µm

Métal 2 1mA/µm

Métal 3 1mA/µm

Métal 4 (épais) 5mA/µm

Autant que faire se peut, les pistes de puissance ont été réalisées sur cette dernière couche

de métallisation afin de réduire la résistivité et l'emprise des connexions. Cette approche a été

appliquée par [Del09]. Dans notre cas, le design est optimisé tout d’abord au niveau de la

commande rapprochée. Elle est directement implémentée sur toute la longueur de la grille des

transistors NMOS et PMOS de puissance. Ceci permet de réduire la longueur des pistes entre

les points milieux du premier étage d’amplification et de distribuer le courant au niveau des

grilles de façon uniforme. Les plots de contact du point milieu sont directement intégrés au

niveau du drain commun entre le NMOS et le PMOS de puissance (voir Figure II.23). Cette

méthode de design permet de réduire au maximum la longueur des amenés du courant et, par

conséquent, de réduire leur résistance.

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Figure II.23 – Layout d’un bras CMOS

Comme la Figure II.24 le montre, ce design permet d’avoir une distribution homogène du

courant au niveau de tous les bras grâce aux deux équipotentielles V

DD

sur les parties haute et

basse de la puce et le GND au milieu de celle-ci. De plus, le courant attaque directement la

couche de métal épais et ceci perpendiculairement et dans la largeur et non dans la longueur

de la puce, ce qui réduit la résistance des amenés de courant. La structure de la puce a été faite

de façon à ce que les distances entre ses plots respectent les normes de design d’un PCB afin

de pouvoir déposer par flip-chip la puce directement sur celui-ci. L’architecture de la puce

permet de compacter au maximum sa taille et d’utiliser la technologie standard pour la

conception du PCB (largeur minimale des pistes et distance d’isolation 125µm, épaisseur des

pistes 35µm). Au final, la puce fait 4,5mm de long sur 2,2mm de large, ce qui donne une

surface totale de 9,9mm².

Figure II.24 – Layout complet de la puce (les anneaux rouges sont les trous métallisés du PCB)

Le design du circuit imprimé a été conçu conjointement avec le design du layout de la puce

pour que son empreinte soit optimisée vis-à-vis des contraintes de chaque technologie, l'une

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étant à l'échelle du micron et l'autre étant plutôt à l'échelle de la centaine de microns. La

Figure II.25 illustre l’empreinte de la puce sur un PCB standard de deux couches avec 2

commandes externes et indépendantes.

Figure II.25 – Layout de l’empreinte de la puce sur le PCB

Coupler le design du layout de la puce avec celui du PCB présente plusieurs intérêts pour

des aspects électriques et thermiques. D’abord l’approche flip-chip fait en sorte que les fils de

bonding ne soient plus nécessaires. Ceci va réduire la résistivité des connexions et les

perturbations dues aux inductances parasites, ce qui, par conséquent, permettra d’utiliser la

puce dans les meilleures conditions. Ensuite, l’architecture de la puce a été conçue de façon à

ce que les plots de tous les points milieux des bras de puissance soient vis-à-vis de via (voir

Figure II.26). Ces dernières vont, d’une part, relier les plots des points milieux avec les pistes

de puissance situées sur la face inférieure du PCB et, d’autre part, évacuer la chaleur générée

lors du fonctionnement de la puce. Les pistes de V

DD

, de GND et de commande auront le

même rôle de refroidissement. La section suivante est consacrée notamment aux

caractéristiques que le circuit imprimé, faisant office de substrat de report, peut donner en

terme de la gestion thermique du système.

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Toute l'approche considérée ici part du principe que la puce est utilisée après un flip-chip

afin de ne considérer que des mises en œuvre optimisant les connectiques électriques. Cela ne

signifie pas pour autant que d'un point de vue thermique cette approche sera optimale car une

large surface d'échange en face arrière serait disponible pour évacuer la chaleur produite dans

la puce si nous procédions à des interconnexions par fils de bonding par exemple.