Brevet FR2773272A1 — publié le 19990702

ANTENNE RESEAU ET PROCEDE DE REALISATION L'invention concerne une antenne réseau et son procédé de réalisation. Plus particulièrement, elle concerne les antennes à balayage électronique (avec ou sans modules actifs) pour lesquelles le pas entre éléments rayonnants est plus faible que la surface d'un module électronique (déphaseur ou module actif). Pour les antennes à balayage électronique, structure d'antenne et géométrie du module sont très liées, et deux architectures d'ensemble font l'objet de publication et de réalisation ( V-Band, space-based phases arrays ; J. Kinzel, General Electric Co ; Microwave Journal ; January 87 A hybrid tile approach for Ka band subarray modules ; S. Sanzgari Texas Instrument, NASA Lewis Research Center ; Sept. 1995 IEEE Transactions on antennas and propagation): - I'architecture en briques pour laquelle les modules électroniques sont placés perpendiculairement au plan de l'antenne (ou plan rayonnant); - l'architecture en tuiles pour laquelle les modules électroniques sont placés parallèlement au plan de l'antenne (ou plan rayonnant). L'architecture des antennes de type brique est actuellement la plus couramment employée du fait de sa similitude avec les antennes à balayage électronique classique. Mais le nombre d'entréeslsorties par module rend complexe et très coûteuse la connexion, essentiellement coaxiale, entre le module et les circuits de distribution hyperfréquence, commandes et alimentations d'une part et l'élément rayonnant d'autre part. Pour réduire ce nombre de connexions d'entréeslsorties, les modules sont maintenant regroupés par 2,4 ou par 8 dans un bi, quadra ou octo pack ('n' pack) et se partagent des fonctions de commande communes. Les connexions du module dans le 'n' pack sont filaires, le 'n' pack est quant à lui équipé de connecteurs coaxiaux qui assurent la liaison avec les distributeurs. Néanmoins, la profondeur de l'antenne ainsi que son poids restent très importants, ce qui peut être rédhibitoire pour des radars aéroportés ou montés sur véhicule. Pour pallier ces inconvénients, la tendance est une évolution vers des antennes de type tuile constituées de plusieurs niveaux qui sont empilés : un niveau éléments rayonnants, un ou deux niveau(x) modules, un niveau distribution des signaux, un niveau drain thermique, etc... interconnectés entre eux par une liaison de type 3D à l'aide de billes, d'interconnexions sans brasure comme les Metal On Elastomer (fils métalliques noyés dans un élastomère) ou encore les fuzz-buttoms (pelote métallique). L'architecture en tuile est séduisante car elle permet de simplifier la distribution des signaux et d'alléger la structure mécanique de l'antenne. Par contre, le module se trouve parallèle au plan d'onde et ses dimensions doivent être compatibles du pas entre éléments rayonnants (c'est-à-dire typiquement inférieures à AJ2 pour des applications classiques radar). De plus, elle est limitée en fréquence, en effet, en montant en fréquence, I'espace entre éléments rayonnants diminue et seule une architecture en brique assure un volume suffisant pour l'intégration du module ( High density microwave packaging program, Phase 1 , Texas InstrumenVMartin Marietta team ; J.A. Reddick ; Texas Instrument Incorporated ; 1995 IEEE MTT S ; Packaging design of wide-angle phased-array antenna for frequencies above 20 GHz ; D.E. Riemer ; Boeing Defense and Space Group; Sept. 1995 IEEE Transactions on antennas and propagation). L'invention s'applique à la réalisation d'une antenne électronique (émission ou réception, à balayage électronique ou non) constituée d'un réseau mono ou bidimensionnel de modules élémentaires, en utilisant une technologie d'interconnexions tridimensionnel. L'invention s'applique à tous types d'antennes à réseau de phase, mais elle est particulièrement bien adaptée aux antennes fonctionnant à très haute fréquence (gammes centimétrique ou millimétrique) qui sont par nature très intégrées, le pas entre éléments rayonnants étant de l'ordre de la longueur d'onde dans le vide divisée par deux, soit 15 mm environ à 10 GHz et 1,5 mm environ à 100 GHz. L'invention concerne donc un procédé de réalisation d'une antenne réseau électronique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: '1' - Réalisation d'un module électronique par élément d'antenne à commander, chaque module comportant au moins un composant électronique monté sur une plaque de connexion et des connexions électriques aboutissant sur des faces de la plaque de connexion; '2' - Empilement de plusieurs modules électroniques avec leurs plaques de connexion disposées parallèlement; '3' - Moulage de l'ensemble dans une résine de façon à obtenir un barreau de modules électroniques; '4' - Usinage des faces du barreau jusqu'à atteindre les côtés des plaques de connexion de façon à ce que lesdites connexions électriques affleurent les faces usinées du barreau; '5' - - Sur une première face longitudinale du barreau, réalisation d'éléments d'antennes rayonnants, un élément étant situé en bout de chaque plaque de connexion; - Sur une deuxième face longitudinale opposée à la première face, réalisation de plots de connexion destinés à recevoir une tension hyperfréquence; - Sur au moins une troisième face longitudinale, réalisation de conducteurs d'interconnexion permettant l'alimentation et la commande des modules électroniques. '6' - Réalisation sur la deuxième face longitudinale d'un réseau de distribution de la tension hyperfréquence. L'invention concerne également une antenne réseau électronique comprenant un réseau d'éléments rayonnants et un circuit électronique de commande associé à chaque élément rayonnant, caractérisée en ce qu'elle comprend un empilement de modules électroniques se présentant sous la forme d'un barreau parallélépipédique, chaque module comportant une plaque de connexion, sur laquelle sont montés des composants électroniques avec des connexions électriques d'entréelsortie reliant ces composants aux bords de la plaque, les bords de chaque plaque affleurant les grandes faces du parallélépipède; une première grande face du barreau portant des éléments rayonnants à raison d'un élément rayonnant par module électronique, les autres faces portant des moyens de connexions auxdits connexion d'entrée/sortie. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un module électronique conçu dans le cadre de la réalisation d'une antenne selon l'invention; - les figures 2a à 2d, une partie du procédé de réalisation d'une antenne selon l'invention; - les figures 3a à 3e, une autre partie du procédé selon l'invention applicable aussi bien à un barreau qu'à un macro bloc; - la figure 4, une antenne selon l'invention. En se reportant aux figures 1 à 4, on va tout d'abord décrire un exemple de procédé de réalisation d'une antenne réseau selon l'invention. Etape 1: Réalisation d'un module électronique élémentaire 1 tel que représenté en figure 1. Les modules électroniques élémentaires 1 disposés en réseau permettent la réalisation de l'antenne électronique. Ce module peut être par exemple un module actif émission et/ou réception intégrant des déphaseurs pour assurer le balayage électronique, il peut être également un module déphaseur, la fonction génération de puissance et/ou réception étant assurée par un autre sous-ensemble. Dans tous les cas, un module électronique élémentaire possède une (ou plusieurs) entrée/sortie hyperfréquence reliées à un circuit de distribution, une entrée/sortie côté antenne (côté opposé au côté distribution), et plusieurs connexions pour les alimentations, les signaux de contrôle, de commande, de test, etc... (entrées/sorties basse fréquence) disposées sur les deux autres côtés. Dans le cas des entrées/sorties hyperfréquence vers le circuit de distribution et vers l'antenne, chacune est constituée d'au moins deux conducteurs métalliques dont l'un au minimum assure la connexion de masse. Le module électronique élémentaire peut comporter un ou plusieurs composants actifs 2 qui peuvent être non encapsulés, encapsulés individuellement ou collectivement. Les composants actifs sont reportés à plat sur une plaque de connexion 19 ou un circuit d'interconnexion qui prolonge les entrées/sorties du composant sous forme de connexions appelées entrées/sorties du circuit d'interconnexion 3. Il existe quatre sortes d'entrées/sorties du circuit d'interconnexion : la ou les connexions entre entrées/sorties des composants actifs d'un même module électronique élémentaire, le ou les entrées/sorties hyperfréquences vers le circuit de distribution, I'entrée/sortie hyperfréquence vers l'antenne (du côté opposé à la précédente), et les entrées/sorties basse fréquence (sur les deux autres côtés). Les entrées/sorties du circuit d'interconnexion peuvent être des pistes métalliques (par exemple en cuivre) sur un substrat qui peut être monocouche ou multicouche, des éléments métalliques (par exemple en cuivre) de section rectangulaire, ou des fils métalliques (par exemple en or) de section circulaire. L'ensemble est reporté sur un socle bon conducteur thermique 4 qui peut être également la masse hyperfréquence. Le socle doit être conçu de telle façon qu'il dépasse la taille des composants côté circuit de distribution et côté antenne s'il constitue la masse hyperfréquence. Le circuit d'interconnexion peut être réalisé indépendamment du socle et assemblé ensuite. II peut être également réalisé en surface du socle. Etape 2: Les modules électroniques élémentaires 1 sont empilés verticalement (figure 2a). Un positionnement mécanique assure une superposition des modules avec une précision suffisante pour la suite du procédé. Les modules sont positionnés de manière à ce que les entrées/sorties des circuits de distribution 3 apparaissent latéralement sur quatre faces de l'empilage 5, à des endroits définis à l'avance ; toutes les entrées/sorties vers le circuit de distribution hyperfréquence sortent du même côté, toutes les entrées/sorties vers l'antenne sortent du même côté. L'espacement entre modules électroniques élémentaires doit également être réalisé avec une précision suffisante pour assurer la suite du procédé. II peut être obtenu par exemple à l'aide de cales calibrées 6 disposées entre les modules électroniques élémentaires. Etape 3 : Les interstices présents dans l'empilage 5 sont remplis de résine en matériau organique 7 (par exemple à base d'epoxy) et l'ensemble ainsi formé s'apparente à un barreau 8 dont les quatre faces perpendiculaires à chaque module électronique élémentaire 1 sont polies jusqu'à obtenir une forme parallélépipédique et jusqu'à rendre apparente sur chacune de ces quatre faces les différents conducteurs des entrées/sorties du circuit d'interconnexion 3 (figure 2b). Sur la face 82 côté entréesrsorties vers le circuit de distribution, le polissage doit également faire apparaître la tranche du socle 4, si le socle constitue la masse hyperfréquence. Etape 3 : Des réseaux conducteurs 9 sont réalisés sur les deux faces 81, 83 du barreau côté entrées/sorties basse fréquence, de manière à ramener les entrées/sorties basse fréquence soit du côté entrées/sorties vers le circuit de distribution, soit sur un des petits côtés du barreau 8 (figure 2c). Ces réseaux de conducteurs sont réalisés par exemple par simple métallisation des deux faces, puis gravure des métallisations. Etape 5 : Dans le cas d'un réseau d'antenne bidimensionnel, plusieurs barreaux 8 sont disposés côte à côte avec une précision suffisante pour assurer la suite du procédé, par exemple en utilisant un positionnement mécanique (figure 2d). Puis les barreaux 8 sont alors rendus solidaires par collage ou par injection de résine, ou par tout autre procédé qui fasse en sorte que les différentes faces du macrobloc 10 ainsi obtenu aient une planéité suffisante pour assurer la suite du procédé, côté entrées/sorties vers l'antenne et côté entrée/sortie vers le circuit de distribution. Dans le cas où les deux faces en contact de deux barreaux supportent des conducteurs, on prévoit une couche d'isolant entre ces barreaux. Cette couche d'isolant peut être la couche de colle utilisée pour coller les barreaux. Etape 6: : Le macrobloc 10 ou le barreau 8 est alors traité de telle façon à réaliser des plots de connexion métallisés 1 1 à l'emplacement des entrées/sorties vers le circuit de distribution et vers l'antenne qui affleurent les deux faces opposées 80 et 82 du macrobloc ou du barreau, de manière à réaliser une connectique perpendiculaire (figure 3a). Etape 7 . Un circuit plan constituant le réseau d'éléments rayonnants 12 est réalisé côté antenne (face 80) du macrobloc 10 ou du barreau 8 (figure 3b). Le circuit peut être réalisé sur un matériau minéral (par exemple en céramique) ou organique; il peut être réalisé en surface du macrobloc ou séparément pour être ensuite assemblé par un procédé flip chip par exemple. La connectique entre les plots métallisés il de chaque module électronique élémentaire 1 et chaque élément rayonnant 13 peut être effectué par couplage électromagnétique ou par contact métallique, par exemple à l'aide de trous métallisés. Etape 8 : On réalise un circuit plan 14, dans la plupart des cas multicouches, constituant un circuit de distribution hyperfréquence vers chacun des modules électroniques élémentaires 1 (figure 3c). Ce circuit est réalisé côté entrée/sortie (face 82) vers le circuit de distribution du macrobloc 10 ou du barreau 8. Ce circuit peut être réalisé en matériau minéral (par exemple en céramique) ou organique. II peut être réalisé couche par couche en surface du macrobloc 10 ou du barreau 8, ou séparément pour être ensuite assemblé par un procédé flip chip par exemple. Les conducteurs de ce circuit multicouche sont reliés électriquement aux plots de connexion métallisés 11 sur le macrobloc 10 ou sur le barreau 8. L'ordre des étapes 7 et 8 est indifférent. Etape 9: Si nécessaire, ce circuit peut supporter des composants actifs 15 montés à sa surface, le circuit de distribution hyperfréquence 14 assurant la connectique électrique entre ces composants et les modules électroniques élémentaires (figure 3d). L'ensemble obtenu à l'issue des étapes 8-9-10 est appelé ciaprès macromodule 16. Etape 10 ' Le refroidissement des macromodules peut être amélioré en assemblant des ailettes 17 constituées d'un matériau bon conducteur thermique et assemblées sur le macromodule du côté du circuit de distribution (face 82) dans la continuité des socles 4 qui constituent les drains thermiques des modules électroniques élémentaires 1 (figure 3e). Les ailettes peuvent par exemple être assemblées par brasage sur les socles 4 après que la partie correspondante de ces socles ait été mise à nu, par exemple en retirant localement le matériau constituant le circuit de distribution par ablation par laser. Les ailettes peuvent constituer un radiateur refroidi par convection forcée, ou peuvent être en contact thermique avec un système de refroidissement telle qu'une plaque froide avec circulation de liquide. Etape 1 1 L'ensemble ainsi constitué peut être raccordé électriquement à l'extérieur à l'aide de connecteurs soudés ou collés, ou au travers de contacts électriques par pression, comme les fuzz buttons. Dans le cas du macrobloc 10, les réseaux de conducteurs situés sur les faces 81, 83 communes à des barreaux accolés sont difficilement accessibles. Une extrémité 84 ou 85 au moins des barreaux des macroblocs est donc usinée jusqu'à atteindre les extrémités des réseaux de conducteurs. Lorsque les conducteurs affleurent une extrémité 84 ou 85 usinée il est alors possible d'effectuer des connexions. Si le pas des conducteurs dans les réseaux de conducteurs est faible, il est possible de répartir les connexions sur les deux extrémités 84 et 85 du macrobloc. Les deux extrémités 84 et 85 seront usinées et on pourra prévoir que par exemple les réseaux de conducteurs des faces 81 des barreaux (les alimentations en courant par exemple), affleurent l'extrémité 84 tandis que les réseaux de conducteurs des faces 83 (les signaux de commande et de test par exemple) affleurent l'extrémité 85. L'invention concerne également une antenne telle que représentée de façon simplifiée par la figure 4. Cette antenne comporte tout d'abord un barreau 8 constitué d'un empilement de modules électroniques constitué comme cela est représenté en figure 1 d'une plaque de connexion 19 portant des composants électroniques 2 et des connexions électriques 3. Des cales d'épaisseurs 6 règlent les espaces entre modules. Des socles bons conducteurs de la chaleur 4 permettent le refroidissement des modules. L'ensemble est noyé dans une résine. Les plaques de connexion 19 affleurent les faces longitudinales 80 à 83 du barreau 8 de telle façon que les connexions électriques des modules électroniques affleurent ces faces. Les connexions hyperfréquences vers les éléments d'antennes affleurent la face 80 et sur celle-ci sont réalisés les éléments d'antenne. Les connexions des modules vers le circuit de distribution hyperfréquence aboutissent sur la face 82. Celle-ci porte un réseau de distribution 14 permettant de distribuer l'alimentation hyperfréquence aux différents modules. Les connexions pour l'alimentation en courant et pour la commande et le test des modules électroniques peuvent être réparties vers les deux autres faces longitudinales 81 et 83 du barreau 8. Sur ces faces sont alors réalisés des réseaux rectilignes de conducteurs permettant de réaliser les connexions appropriées. Plusieurs barreaux peuvent être accolés comme cella est représenté en figure 4. Dans ce cas, le réseau d'éléments rayonnants peut être réalisé sur l'ensemble de barreaux après que ceux-ci aient été accolés. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une antenne réseau électronique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: '1 ' - Réalisation d'un module électronique (1) par élément d'antenne à commander, chaque module comportant au moins un composant électronique (2) monté sur une plaque de connexion (19) et des connexions électriques (3) aboutissant sur des faces de la plaque de connexion; '2' - Empilement de plusieurs modules électroniques avec leurs plaques de connexion disposées parallèlement; '3' - Moulage de l'ensemble dans une résine de façon à obtenir un barreau (8) de modules électroniques; '4' - Usinage des faces (80 à 83) du barreau (8) jusqu'à atteindre les côtés des plaques de connexion de façon à ce que lesdites connexions électriques affleurent les faces usinées du barreau; '5'- - Sur une première face longitudinale (80) du barreau, réalisation d'éléments d'antennes rayonnants, un élément étant situé en bout de chaque plaque de connexion; - Sur une deuxième face longitudinale (82) opposée à la première face, réalisation de plots de connexion destinés à recevoir une tension hyperfréquence; - Sur au moins une troisième face (83) longitudinale, réalisation de conducteurs d'interconnexion (18, 19) permettant l'alimentation et la commande des modules électroniques. '6' - Réalisation sur la deuxième face longitudinale d'un réseau de distribution de la tension hyperfréquence. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cinquième étape '5' prévoit de: - réaliser sur la troisième face (83) un réseau de conducteurs parallèles à la direction longitudinale du barreau et permettant l'alimentation en courant des modules électroniques; - réaliser sur la quatrième face (81) du barreau un réseau de conducteurs parallèles à la direction longitudinale du barreau et permettant la transmission de signaux de commande aux modules électroniques. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit de coupler la plaque de connexion à un socle bon conducteur de la chaleur (4). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit de réaliser le réseau de distribution de la tension hyperfréquence sous forme d'un réseau multicouches. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il prévoit d'implanter, à travers le réseau de distribution multicouches , des éléments refroidisseurs (17) couplés thermiquement aux socles bon conducteur de la chaleur (4) et débouchant à l'extérieur du barreau. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il prévoit d'accoler plusieurs barreaux par les faces longitudinales (81, 83) voisines de la face (80) portant les éléments rayonnants. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape '5' de réalisation d'éléments d'antenne prévoit la réalisation de plots de connexion (11) connectés aux modules électroniques en bout de chaque plaque de connexion, puis d'une couche isolante intermédiaire sur la première face du barreau, perçage de cette couche pour accéder aux plots de connexion, puis réalisation des éléments d'antennes. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la mise côte à côte de barreaux se fait avant l'étape '5'. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une couche d'isolant est intercalée entre deux barreaux voisins. 10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins une extrémité des barreaux (84, 85) est usinée jusqu'à atteindre les conducteurs d'interconnexion (18, 19) et en ce que des prises de contact sont réalisées sur les tranches de conducteurs qui affleurent les extrémités des barreaux. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un premier réseau de conducteurs d'interconnexions permettant l'alimentation des modules électroniques est réalisé sur chaque troisième face de chaque barreau, un deuxième réseau de conducteurs d'interconnexion permettant la commande des modules électroniques est réalisé sur chaque quatrième face de chaque barreau, et en ce qu'une première extrémité des barreaux (84) est usinée jusqu'à atteindre le premier réseau de conducteurs et une deuxième extrémité des barreaux (85) est usinée jusqu'à atteindre le deuxième réseau de conducteurs. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l'empilement des modules électroniques (étape '2') on prévoit d'intercaler entre les modules une cale d'épaisseur (6). 13. Antenne réseau électronique comprenant un réseau d'éléments rayonnants (13) et un circuit électronique de commande associé à chaque élément rayonnant, caractérisée en ce qu'elle comprend un empilement de modules électroniques se présentant sous la forme d'un barreau (8) parallélépipédique, chaque module comportant une plaque de connexion (19), sur laquelle sont montés des composants électroniques avec des connexions électriques d'entrée/sortie reliant ces composants aux bords de la plaque, les bords de chaque plaque affleurant les grandes faces du parallélépipède (80 à 83); une première grande face (80) du barreau portant des éléments rayonnants à raison d'un élément rayonnant par module électronique, les autres faces portant des moyens de connexions auxdits connexion d'entrée/sortie. 14. Antenne selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte des cales d'épaisseur (6) situées entre les modules électroniques. 15. Antenne selon la revendication 13, caractérisée en ce que chaque module est connecté à: - à la première grande face (80) du barreau pour la connexion aux éléments rayonnants; - à une première deuxième grande face (82) du barreau opposée à la première (80) pour l'entrée/sortie des signaux hyperfréquences; - à une troisième grande face (81) du barreau par l'alimentation en courant du module électronique; - à une quatrième grande face (83) du barreau pour la transmission des signaux de commande du module électronique. 16. Antenne selon la revendication 15, caractérisée en ce que la deuxième face du barreau (82) comporte un réseau de distribution pour la distribution des signaux hyperfréquences aux différents modules électroniques. 17. Antenne selon la revendication 15, caractérisée en ce que la troisième et la quatrième faces du barreau (81, 83) comporte chacun un réseau de connexion pour respectivement l'alimentation et la commande des modules électroniques. 18. Antenne selon la revendication 17, caractérisée en ce que lesdits réseaux de connexion se présentent sous forme de réseaux de conducteurs parallèles à la direction longitudinale du barreau. 19. Antenne selon la revendication 13, caractérisée en ce que la plaque de connexion est accolée à un socle bon conducteur de la chaleur (4) qui affleure au moins une grande face du barreau. 20. Antenne selon la revendication 19, caractérisée en ce qu'il comporte des éléments refroidisseurs (17) couplés aux socles bons conducteurs de la chaleur et ayant une surface de refroidissement émergeant à l'extérieur de l'antenne. 21. Antenne selon l'une des revendications 13 à 18, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs barreaux accolés les uns aux autres. 22. Antenne selon la revendication 21, caractérisée en ce que les barreaux sont séparés par une couche d'isolant. 23. Antenne selon la revendication 21, caractérisée en ce que lesdits réseaux de connexions affleurent aux extrémités (84, 85) des barreaux. 24. Antenne selon la revendication 23, caractérisée en ce qu'un premier réseau de connexion destiné à l'alimentation des modules électroniques affleure une extrémité (84) des barreaux, et en ce qu'un deuxième réseau de connexion destiné à la commande des modules électroniques affleure l'autre extrémité (85) du barreau.