Technologies multicouches

Lors de la partie précédente, bon nombre des exemples donnés s’appuyait sur les technologies multicouches. Cette partie a pour objectif de présenter rapidement les deux principales technologies utilisées dans la gamme de fréquences que nous visons.

Applications aux dispositifs passifs

Les technologies multicouches permettent tout d’abord d’implémenter aisément les lignes triplaques ; autrement appelées par leur dénomination anglophone « stripline ». Ces lignes affichent, grâce au blindage créé autour de l’âme conductrice, des performances globalement meilleures et la propagation d’un mode purement TEM. Initialement prévue pour fonctionner dans l’air à l’aide de support diélectrique [166], une commercialisation avec un pourtour du conducteur purement diélectrique est rapidement réalisée par plusieurs laboratoires [167, Fig. 4].

Figure 61 : Lignes de transmission triplaques et topographie des champs électromagnétiques.

Cette configuration est applicable à l’ensemble des résonateurs planaires que nous avons décrit dans la partie I.3.2.1. Ce qui permet généralement d’améliorer légèrement leur facteur de qualité ainsi que la force des couplages inter-éléments.

Les filtres multicouches désignent des filtres dont les couplages ou les résonateurs sont répartis sur plusieurs niveaux. Dans le cas des filtres planaires on parlera typiquement de filtres striplines. Le potentiel offert par ces technologies dans la réalisation de filtres planaires semi-volumiques peut être vu dans un article de A.Périgaud publié en 2016 [168]. Les filtres SIW, quant à eux, sont généralement réalisés avec une configuration multicouche et n’ont

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 84

Licence CC BY-NC-ND 3.0

donc pas de dénomination particulière. L’application de ces techniques multicouches offre plusieurs avantages :

• Des résonateurs plus compacts : la surface occupée par les filtres sera réduite. Les parties I.3.2.2.3.2 et I.3.2.2.3.3 montrent deux applications pour les résonateurs SIW. Pour les résonateurs planaires, on peut donner l’exemple de filtre interdigités dont la longueur des barreaux a été réduite par l’ajout d’un effet capacitif [169].

• Une augmentation du nombre de couplages réalisables : dans les deux cas la verticalisation des résonateurs offre de nouvelles opportunités de configurations qui permettent l’implémentation de nouvelles topologies.

Substrat organique : technologie séquentielle

Cette technologie s’appuie sur l’enchainement dans un ordre prédéfini de plusieurs étapes. La structure réalisée doit en tenir compte lors de la conception car plusieurs limitations y sont directement liées.

Avant de considérer les limitations liées à un empilement, il faut étudier les limitations matérielles inhérentes à l’utilisation de substrats organiques. Les gravures peuvent ainsi être réalisées mécaniquement par gravure ou chimiquement par un procédé lithographique. Industriellement, c’est ce dernier qui sera le plus souvent retrouvé car offrant de meilleures résolutions et ne présentant pas de phénomène de sur-gravure. La résolution typique offerte va de 80 à 120 µm de largeur de piste ou d’espace entre deux pistes. Le perçage des différentes couches également soumis à une règle directement liée à l’épaisseur du substrat. Ainsi, le ratio entre l’épaisseur de substrat et le diamètre de perçage ne peut excéder une valeur allant de 0,8 à 1,2 ; cette règle s’applique également aux dispositifs multicouches. L’enchainement répétitif appliqué est alors le suivant :

• Perçage des substrats nécessitant une connexion sur une épaisseur,

• Métallisation des vias obtenus (cette étape vient également « recharger » en métal les faces du substrat, les étapes de gravures se réalisent donc après),

• Gravure des faces intérieures du futur assemblage ou sous-assemblage, • Collage des différentes couches de l’assemblage ou du sous-assemblage.

Ce procédé se répète ainsi jusqu’à obtenir l’assemblage final. La dernière étape consiste alors à reprendre les trois premières étapes : perçage des vias nécessaires dans toute l’épaisseur, métallisation des vias et gravure des faces extérieures. Un exemple de réalisation est donné en Figure 62.

Figure 62 : Illustration du procédé d’assemblage avec deux couches de substrat organique.

Perçage et métallisation des vias

Gravure et collage des faces intérieures

Perçage et métallisation des vias multicouches

+ Gravure des faces extérieures

Film de collage

Perçage et métallisation des vias multicouches

+ Gravure des faces extérieures

À mesure que le nombre de couches augmente, l’assemblage devient de plus en plus complexe et soumis à des limitations. De plus, le coût de la réalisation est également tributaire de ce facteur et peut devenir rapidement important.

Pour assurer la continuité électrique entre deux couches, il faut percer un trou débouchant sur la totalité de l’assemblage et le métalliser. En fonction de l’épaisseur à traverser le diamètre de ce via peut devenir important et gêner la réalisation de certaines fonctions telles que des transitions ou des filtres. Notons de plus qu’il est impossible avec cette méthode d’obtenir un contact métallique continu entre deux épaisseurs.

Des perçages dont l’épaisseur est contrôlée pour réaliser des trous non débouchant (aussi appelé vias borgnes) sont possibles. Cela permet d’obtenir une plus grande flexibilité dans la conception. Toutefois, l’épaisseur du perçage n’est pas très bien maitrisée et la métallisation n’est pas garantie.

Figure 63 : Vues en coupe de réalisations en technologie séquentielle. Sources : <Line Tek14> et <Gideon Analytical Labs15>.

Remarque : il existe une autre technologie d’assemblage intitulée « Smart Via » qui permet d’assembler les différentes couches métalliquement. Néanmoins, cette dernière n’était pas disponible lors de nos contacts avec les industriels et ne sera donc pas développée.

Substrat céramique : technologie LTCC

Contrairement aux technologies appliquées aux substrats organiques la technologie LTCC16 n’utilise pas de médium pour réaliser l’assemblage de plusieurs couches. C’est, en effet, les différentes épaisseurs de matériau diélectrique qui se contractent lors de la cuisson et forment un bloc monolithique.

Chacune des couches est préparée en amont de l’assemblage du dispositif multicouche. Des vias y sont percés et métallisés et les pistes métalliques sont déposées à la surface des substrats unitaires. La température d’assemblage étant relativement basse (≈ 900 °C) des métallisations telles que l’or ou l’argent sont possibles.

Une fois ces étapes préparatoires effectuées, les étages sont superposés et montés en température afin de permettre l’agglomération de ces derniers ; le frittage est le terme consacré pour cette étape où sous l’effet de la chaleur les grains constituant la matière viennent se souder entre eux et assurer la cohésion de la pièce. Durant cette étape, la

14 http://www.line-tek.com/p-387.html

15 https://gideonlabs.com/posts/fire-on-multilayer-pcb

16 Accronyme de l’anglais : Low Temperature Co-fired Ceramic pouvant se traduire par Céramique co-cuite à basse température.

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 86

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structure se réduit pour atteindre ses dimensions finales et des déformations dues à l’inhomogénéité de cette rétractation sont possibles.

Figure 64 : Illustration du procédé de fabrication LTCC.

Les épaisseurs de couches utilisées dans le cadre de ce procédé sont généralement faibles (de 100 à 200 µm). Le nombre de couches assemblables sans surcoût ou problématiques de déformation est de l’ordre de la dizaine.

Figure 65 : Vue en coupe de réalisation en technologie LTCC. Source : <Thèse Aurélien Périgaud [155]>.

III.2. Tentative de réalisation industrielle d’un prototype