Brevet FR2838577A1 — publié le 20031017

Alectromagntique. 1 2838577 MODULE COMPRENANT DES COMPOSANTS A ONDES ACOUSTIQUES D'INTERFACE Le domaine de l'invention est celui des modules hybrides comportant des dispositifs à ondes acoustiques d'interface réalisés à I'interface de deux substrats. Il est connu de réaliser des dispositifs à ondes acoustiques de surface qui utilisent la propagation d'ondes de longueur d'onde à la surface d'un substrat piézoélectrique. Dans le cas général, la génération et la réception des ondes sont assurées par des transducteurs à peignes interdigités composés d'électrodes entrelacées entre lesquelles on impose une différence de potentiel. La figure 1a représente le schéma classique d'un dispositif de ce type. Il comprend un substrat A piézoélectrique d'épaisseur eA g ran de devant la longueu r d'onde acoustiq ue d'utilisation et une zone d' interface Z en contact avec l'air ambiant. Ladite zone est généralement une structure stratifiée d'épaisseur ez et qui comprend au moins les dispositifs de transbuction électro-acoustiques D. Ces dispositifs présentent deux inconvénients principaux: D'une part, pour que les ondes de surface se propagent correctement à la surface de la zone d'interface, cette surface doit rester libre. Cette condition est obtenue par des technologies d'encapsulation permettant d'obtenir une cavité. D'autre part, le pas des électrodes composant les peignes interdigités est souvent faible, de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Aussi, des particules conductrices de très faibles dimensions présentes à l'intérieur du bo^tier peuvent court-circuiter un transducteur et perturber le fonctionnement normal du dispositif. Pour pallier cet inconvénient, il faut, soit rendre les botiers des composants hermétiques, soit déposer sur les transducteurs une fine couche de matériau diélectrique iso lant. Cette opé ratio n app elée passivation perm et de s upp rime r la sensibilité aux particules conductrices. Elle ne permet néanmoins pas d'éliminer l'opération d'encapsulation qui est une opération coûteuse à réaliser. 2 2838577 Concernant les circuits électroniques classiques, de nombreux travaux ont eu pour but d'optimiser leur intégration. L'intégration des composants passifs (inductances, capacités et résistances) qui sont utilisés dans le domaine des bandes radio-fréquence fait partie des développements technologiques récents. Ces travaux ont débouché sur deux types de technologies différentes. D'une part, en utilisant des dépôts de multicouches sur des matériaux de type céramique, on intégre des éléments passifs (inductances, capacités et résistances) dans les couches de cé ram ique. Cette tech nologie dite LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) permet l'intégration d'un grand nombre de couches. Les résolutions accessibles des conducteurs par cette technologie sont de l'ordre de la centaine de microns. Concurrentiellement, une autre technologie d'intégration des composants passifs (dite Thin Film ou IPD pour Integrated Passive Device) est basée sur la photolithographie de conducteurs sur des matériaux isolants, souvent de type verre ou en Arseniure de Gallium. Le nombre de couches possibles est plus faible que pour la technologie LTCC, mais la résolution accessible des conducteurs, de l'ordre de quelques microns, permet une plus grande intégration. Aussi, cette technologie est actuellement fréquemment utilisée. Lorsque l'on veut intégrer des dispositifs à ondes acoustiques de surface sur un module du type LTCC ou du type Thin Film, utilisé par exemple pour la réalisation de ''Front End modules" pour des applications d'émission et de réception de radio-capteurs, le processus complet de réalisation nécessite par conséquent un grand nombre d'opérations. La réalisation d'un tel module hybride comporte notamment les étapes suivantes: À Réalisation de-l'embase du module; Intégration dans cette embase des différents circuits et composants électroniques; À Montage des composants électroniques classiques et des éventuels dispositifs de mesure sur la surface de l'embase; Réalisation des substrats des composants acoustiques de surface; Réalisation des zones d'interface comprenant les dispositifs de transduction sur ces substrats; Réalisation de la passivation et l'encapsulation; Report des composants finaux sur l'embase initiale. La multiplication des opérations génère nécessairement des surcoûts et diminue la fiabilité du dispositif final. Il est possible de remplacer les disposiifs à ondes acoustiques de surface par des dispositifs à ondes acoustiques d'interface. On utilise, dans ce cas, non plus la propagation des ondes acoustiques à la surface du substrat mais à l'interface entre deux substrats. De façon générale, un dispositif à ondes acoustiques d'interface est constitué de deux substrats notés A et B d'épaisseurs eA et eB grandes devant la longueur d'onde acoustique d'utilisation, dont l'un au moins est piézoélectrique et d'une zone d'interface Z située entre ces deux substrats comme il est indiqué sur la figure 1 b. L'onde acoustique se propage principalement dans la zone d'interface et les amplitudes des déplacements acoustiques sont évanescentes dans les substrats A et B. La zone d' interface Z est une structure d'épaisseur ez qui peut être soit faible devant la longueur d'onde acoustique d'utilisation ou soit de quelques longueurs d'ondes (typiquement moins de dix fois la longueur d'onde), et qui comprend au moins les dispositifs de transduction électro-acoustiques. Dans le cas général, la zone d'interface est une structure stratifiée comportant plusieurs couches de matériaux diélectriques. Lorsque la zone d'interface comporte uniquement les dispositifs de transbuction électro-acoustiques, ceux-ci sont nécessairement inclus dans l'un des deux substrats. Des interconnexions électriques couplées auxdits dispositifs permettent l'émission et ia transmission des signaux. L'utiiisation d'ondes se propageant à l'interface de deux matériaux permet d'obtenir naturellement un composant passivé ne nécessitant plus de réalisation de cavité. Les ondes d'interface sont utilisables pour réaliser des composants passifs. De façon générale, tout type de dispositif obtenu à l'aide d'ondes se propageant à la surface d'un cristal peut être réalisé en utilisant des ondes d'interface. En particulier, il est possible de réfléchir les ondes 4 2838577 d'interface à l'aide de réseaux d'électrodes métalliques de période égale à une demi-longueur d'onde placé à l'interface. On réalise ainsi d'abord un résonateur en plaçant un transducteur interdigité entre deux réseaux réflecteurs et ensuite un filtre en couplant des résonateurs entre eux par des moyens électriques ou acoustiques. On améliore la directivité d'un transducteur en y intercalant des réflecteurs. Toutes les applications des composants à ondes de surface sont alors accessibles, notamment les lignes à retard, les filtres de bande, les résonateurs, les filtres dispersifs, les dispositifs dits à code de phase dont la répartition des électrodes est telle que 1'on sait associer un code particulier à un composant donné. Les dispositifs à ondes d'interface peuvent également être utilisés en tant que capteurs interrogeables à distance pour la mesure de pression, de température, d'accéleration ou en tant que dispositifs codés d' identification interrogeables à distance. Les dispositifs interrogeables à distance sont des composants entièrement passifs que l'on peut interroger à distance par une onde radio. En général, on utilise un code de phase à l'émission de l'onde. L'onde est captée par une antenne reliée à l'entrée du composant. De façon classique, le transducteur convertit le signal en onde mécanique. L'onde se propage jusqu'au transducteur de sortie o elle est alors reconvertie en signal électrique et réémise. Le signal reçu est analysé et le composant qui a transformé le signal est ainsi identifié. Il n'est pas nécessaire que les deux matériaux soient piézoélectriques, permettant l'intégration du dispositif dans un module électronique. Il devient alors possible de réaliser des modules hybrides comprenant des composants classiques et des composants à ondes acoustiques d'interface. Plus précisément, I'invention a pour objet un module comportant une embase comprenant au moins un circuit électronique, caractérisé en ce que ledit module comporte: au moins sur une des faces de l'embase une zone d'interface acoustique plane interconnectée au circuit électronique, ladite zone comprenant au moins un dispositif de transduction électro acoustique, 2838577 au moins un substrat comportant une face plane en regard de ladite zone d'interface; chaque ensemble constitué par la zone de l'embase située sous une zone d' interface, ladite zone d'interface, et led it substrat situé su r ladite zone d'interface, constituant un composant à ondes acoustiques d'interface. Avantageusement, ledit substrat est réalisé en matériau piézoélectrique. Avantageusement, le circuit comporte des composants électroniques passifs ou actifs, lesUits composants pouvant étre soit intégrés sur ou à l'intérieur de l'embase, soit rapportés sur ladite embase. Avantageusement, la configuration choisie permet de guider l'énergie acoustique générée par le dispositif de transduction principalement dans la zone d'interface, c'est à dire que le mode de propagation utilisé par le dispositif est tel que les ondes acoustiques sont évanescentes dans le substrat et dans l'embase. Avantageusement, si le module fonctionne autour d'une longueur d'onde acoustique À, Ies épaisseurs de l'embase et du substrat sont grandes devant ladite longueur d'onde de façon que les ondes acoustiques restent confinées à l'intérieur du module sans perturbations extérieures possibles. En fonction de la nature des matériaux, I'épaisseur de la zone d'interface peut-être: faible devant la longueur d'onde de façon à peu perturber la propagation des ondes acoustiques dans le substrat. de l'ordre de quelques longueurs d'onde. Avantageusement, la zone de l'embase située sous la zone d'interface est libre de tout composant sur une profondeur supérieure à la longueur d'onde acoustique. On évite ainsi toute perturbation de ia propagation des ondes acoustiques à l'intérieur de l'embase sous la zone d'interface. Avantageusement, la zone d'interface comporte des couches de matériaux destinés à faciliter le report et à améliorer le fonctionnement du composant à ondes acoustiques d'interface. Il est possible d'améliorer ainsi le guidage des ondes et de réduire les pertes par propagation des ondes acoustiques. 6 2838577 Dans le cas o il n'est pas possible d'obtenir une propagation des ondes à l'interface entre les deux matériaux seuls, par exemple si le substrat n'est pas piézoélectrique, la présence d'une ou plusieurs couches intermédiaires ayant comme caractéristique une vitesse de propagation des ondes acoustiques plus faible que les vitesses de propagation dans le substrat et le matériau de i'embase, permet d'obtenir un guidage et rend possible la réalisation du dispositif. Avantageusement, Le matériau de l'embase est réalisée dans un matériau isolant de façon à isoler électriquement les différents composants. 0 Dans le cas o le matériau de ladite embase n'est pas électriquement isolant, notamment si celui-ci est un matériau semi-conducteur, la zone d'interface comporte des couches de matériaux destinés à isoler électriquemement les transbucteurs de l'embase. La zone d'interface peut être réalisée: À soit sur l'embase avant intégration du substrat sur ladite zone, soit sur le substrat avant intégration du substrat sur l'embase. Le choix du meilleur procédé possible dépend essentiellement de la complexité de la zone d'interface à réaliser. Il est important que le contact entre la zone d'interface et le substrat soit le meilleur possible afin que la propagation des ondes ne soit pas perturbée. Aussi, la planarisation de la face du substrat en contact avec la zone d'interface ou la planarisation de la zone d'interface elle-même est avantageusement réalisée par polissage. Le dispositif de transduction de la zone d'interface est réalisé notamment en aluminium ou en cuivre. Avantageusement, les liaisons entre le substrat piézoélectrique, la zone d'interface et l'embase sont établies par collage moléculaire, ce qui assure une adbérence la plus parfaite possible. Ces liaisons peuvent également être réalisées par soudure anodique. Enfin, une résine de protection peut être déposée sur l'ensemble du module après intégration des substrats et des composants électroniques. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparatront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: 7 2838577 - La figure 1a donne la configuration générale exposée de façon schématique d'un dispositif à ondes de surface selon l'art connu; - La figure 1b donne la configuration générale exposée de façon schématique d'un dispositif à ondes d'interface également selon l'art connu; - Les figures 2a et 2b présentent une vue en coupe du module et une vue en coupe d'une partie détaillée du module hybride complet; - Les figures 3a et 3b présentent deux vues en coupe d'une partie d'u n modu le selon l' invention avant assemblage des substrats piézoélectriques S. Sur la première figure, la zone d'interface Z est intégrée o au substrat S. sur la seconde figure, elle est intégrée à l'embase E; - La figure 4 représente une vue en coupe d'une partie d'un module selon l'invention lorsque la face portant les composants et les substrats est noyée dans une résine de protection. De façon générale, la réalisation du module électronique selon l'invention peut comporter les étapes suivantes: À Réalisation de l'embase; Mise en place des substrats piézoélectriques; Mise en place des composants électroniques. L'embase est réalisée dans un matériau T. Comme il est indiqué sur la figure 2, elle comprend sur une de ses faces un circuit électronique C réalisé de façon classique. Celui-ci comporte des zones d'interconnexions I permettant d'assurer la connexion avec des composants électroniques F et avec la ou les zones d'interface Z. Les figures 2a et 2b représente une variante de réalisation possible des zones d'interface lorsque celles- ci sont intégrées aux substrats avant mise en place sur l'embase. Les composants F peuvent être situés soit à l'intérieur de l'embase soit sur sa surface. Ceux-ci peuvent être passifs ou actifs. Dans une réalisation préférée, le matériau T est isolant, il comprend à sa surface des éléments passifs réalisés par la technologie "thin films". Des composants actifs semiconducteurs ou passifs F sont reportés à sa surface. Dans une autre réalisation préférée, le matériau T est semiconducteur et contient des circuits intégrés. Dans ce cas, une couche isole électriquement les transducteurs du semiconducteur. 8 2838577 Des plots d'interconnexion permettent de relier le module à l'extérieur. Une couche isolante G situé au-dessus du circuit C permet d'isoler électriquement et de protéger la surface extérieure dudit circuit de l'extérieur dans les zones non recouvertes par les composants ou les substrats piézoélectriques. Des zones sans composants sont aménagées sous chaque zone d'interface de facon à ne pas perturber la propagation des ondes acoustiques. Il existe deux variantes possibles concernant l'intégration de la l o zone d'interface Z. Dans une première variante, I'embase comporte uniquement des plots de connexion I comme il est indiqué sur la figure 3a. La zone d'interface comprenant notamment les transbucteurs interdigités est alors réalisée sur le matériau piézoélectrique S. Il est possible, dans une seconde variante de 1' intégrer à l'embase au cours de la réalisation de ladite embase. La figure 3b illustre cette variante. Dans ce cas, le substrat rapporté comporte uniquement le matériau piézoélectrique. Dans les deux cas, les transbucteurs sont soit intégrés dans la zone d'interface, soit déposés dans une couche intermédiaire située sur ladite zone. Le dépôt dans une couche intermédiaire est utile dans le cas o le matériau sur lequel on dépose les électrodes de transduction est difficilement gravable, comme par exemple le Tantalate de lithium. La réalisation de transducteurs intégrés passe par les étapes suivantes: 25. Gravure de l'empreinte des transducteurs sur la surface qui servira à la génération des ondes acoustiques; Dépôt d'une couche de métal sur ladite surface gravée; Planarisation de la surface ainsi métallisée de façon à obtenir une surface plane dans laquelle seules les empreintes restent métallisées. Dépôt éventuel d'une ou de couches supplémentaires permettant d'obtenir une surface de collage homogène et/ou daméliorer le guidage des ondes acoustique à l'interface. 9 2838577 La réalisation de transducteurs déposés passe par les étapes suivantes: Dépôt d'une couche intercalaire sur la surface qui servira à la génération des ondes acoustiques; À Gravure de l'empreinte des électrodes dans cette couche; À Dépôt d'une couche de métal sur cette couche gravée; Planarisation de la surface métallisée de la couche de fa,con à obtenir une surface plane dans laquelle seules les empreintes restent métallisées. 10. Dépôt éventuel d'une ou de couches supplémentaires permettant d'obtenir une surface de collage homogène et/ou d'améliorer le guidage. Dans ce dernier cas, il est possible de changer l'ordre des opérations en déposant d'abord le métal des électrodes, puis en réalisant la gravure des électrodes, en déposant ensuite le matériau de la couche intermédiaire, enfin en planarisant celle-ci. On obtient le même résultat final. Dans tous les cas, les opérations de planarisation peuvent être réalisées par polissage et le métal des transducteurs est préférentiellement du cuivre ou de l'aluminium. La mise en place des substrats est réalisée soit par coilage moléculaire, soit par soudure anodique. Dans le cas o le substrat porte les peignes d'électrodes, le raccord entre les peignes d'électrodes et l'embase se fait classiquement au niveau de plages d'interconnexions I comme il est indiqué sur la figure 3a. Cette mise en place est effectuée avant la mise en place éventuelle de composants F à la surface de l'embase; 11 est en effet important de bénéficier pour cette mise en place d'une surface qui soit la plus plane et la plus propre possible de façon à assurer une adhérence parfaite et ainsi une propagation correcte des ondes. Le matériau des substrats piézoélectriques est notamment soit du Tantalate de lithium soit du Niobate de lithium soit du quartz. Le report des composants électroniques éventuels sur la surface de l'embase est réalisée de façon classique après mise en place des substrats piézoélectriques. 2838577 En finale, on obtient un module M comportant éventuellement des composants électroniques classiques F et des composants à ondes acoustiq ues d' interface. Pour assurer la protection des composants, notamment en cas d'utilisation en milieu pollué, une résine de protection R peut être déposoe après intégration des substrats et des composants électroniques telle que représentée en figure 4. Exemples de réalisation de modules utilisés pour la téléphonie mobile. Il existe plusieurs grandes normes internationales pour la téléphonie mobile. Les Etats-Unis utilisent les normes CDMA (Code Division Multiple Access) et WCDMA (Wide Code Division Multiple Access, soit l'équivalent du CDMA sur une bande élargie) basées sur un multiplexage de signaux, un code étant attribué à chaque locuteur. Un duplexeur permettant de séparer les signaux à l'émission et à la réception est alors nécessaire. De manière classique, un duplexeur comprend deux filtres d'émission et de réception et un circuit passif permettant d'assurer la mise en paralléle des deux filtres. Typiquement, ce circuit passif est un inverseur d'impédance, constitué d'une ligne de propagation d'un quart de longueur d'onde ou d'élements à constantes localisées (une inductance et deux capacités). Avec la technologie utilisant des composants à ondes acoustiques d'interface, le circuit passif est réalisé en technologie Thin Film sur un matériau T et deux substrats piézoélectriques sont reportés sur l'embase de façon à obtenir les filtres d'émission et de réception. Les transducteurs sont réalisés soit sur I'embase soit sur le matériau pièzoélectrique. Cependant, leur réalisation sur le matériau piezoélectrique présente plusieurs avantages du point de vue de la fabrication: Il est avantageux de faire séparément les réalisations des transducteurs et des éléments passifs. En effet, les transducteurs ont des largeurs d'électrodes faibles et nécessitent des moyens technologiques lourds qu'il est moins coûteux d'utiliser sur des substrats comportant une grande densité de zones à haute résolution. D'autre part, les substrats piezoélectriques comportant les transducteurs sont avant leur collage des composants à ondes acoustiques de surface (de performances amoindries par rapport au composant final à ondes d'interface). Il est donc possible de les tester avant le collage final. lo En Europe, on utilise principalement la norme GSM (Global System for Mobile communication). Selon cette norme, les signaux sont multiplexés temporellement (TDMA: Time Division Multiple Access). Pour les standards GSM, il n'y a jamais émission et réception simultanées et, par conséquent, un commutateur (switch) sépare les signaux émis et reçus. Cette fonction est réalisée par un module dit 'Front End'. Typiquement, un module Front End contient un switch, plusieurs filtres passe-bas (à éléments discrets) destinés à filtrer les harmoniques du signal émis et plusieurs filtres passe-bande souvent à ondes de surface. Dans le cadre de l'invention, les filtres passe-bande sont à ondes d'interface et reportés sur l'embase. Les filtres passe-bas sont réalisés dans l'embase en technologie Thin Film et le switch ainsi que les autres composants du module sont reportés sur l'embase. 1 2 2838577 REVENDICATIONS 1. Module (M) comprenant une embase (E) comportant au moins un circuit électronique (C) caractérisé en ce que ledit module comporte: À au moins sur une des faces de l'embase une zone d'interface acoustique plane (Z) interconnectée au circuit électronique, ladite zone comprenant au moins un dispositif de transduction électro- acoustique, 10. au moins un substrat (S) comportant une face plane en regard de ladite zone d'interlace; chaque ensemble constitué par la zone de l'embase située sous une zone d'interface, ladite zone d'interface, et ledit substrat situé sur ladite zone d'interface, constituant un composant à ondes acoustiques d'interface. 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat (S) est en matériau piézoélectrique. 3. Module selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit (C) comporte des composants électroniques passifs ou actifs (F) , lesdits composants pouvant étre intégrés à l'intérieur de l'embase et/ou situés sur ladite embase. 4. Module selon les revendications 1 ou 2, fonctionnant à une longueur d'onde acoustique À, caractérisé en ce que les épaisseurs de l'embase et du substrat sont grandes devant ladite longueur d'onde et l'épaisseur de la zone d'interface est faible devant cette longueur d'onde. 5. Module selon les revendications 1 ou 2, fonctionnant à une longueur d'onde acoustique À, caractérisé en ce que les épaisseurs de l'embase et du substrat sont grandes devant ladite longueur d'onde et l'épaisseur de la zone d'interface est inférieure à environ dix fois la longueur d'onde acoustique. 13 2838577 6. Module selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la zone de l'embase située sous la zone d'interface est libre de tout composant électronique passif ou actif (F) sur une profondeur supérieure à la longueur d'onde acoustique. 7. Module selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le dispositif de transbuction de la zone d'interface est réalisé en cuivre ou en aluminium. 8. Module selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la zone d'interface comportent des couches de matériaux destinés à améliorer le fonctionnement du composant à ondes acoustiques d'interface. 9. Module selon la revendication 8, caractérisé en ce que la zone d'interface comportent des couches de matériaux destinés à améliorer le guidage ou à rébuire les pertes par propagation des ondes acoustiques. 10. Module selon la revendication 9, caractérisé en ce que la zone d'interface comporte des couches de matériaux destinés à assurer la propagation des ondes acoustiques lorsque la propagation ne peut étre assurée directement entre le matériau constituant l'embase et le substrat. 11. Module selon la revendication 10, caractérisé en ce que les vitesses de propagation des ondes acoustiques dans les matériaux desdites couches sont plus faibles que les vitesses de propagation dans le substrat (S) et le matériau (T) de l'embase. 12. Module selon la revendication 8, caractérisé en ce que la zone d' interface comporte des couches de matériaux isolant les transducteurs de l'embase dans le cas o le matériau de ladite embase n'est pas électriquement isolant, le matériau de l'embase étant semi-conducteur ou conducteur. 1 4 2838577 13. Procédé de réalisation du module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone d'interface est réalisée sur l'embase avant intégration du substrat sur ladite zone. 14. Procédé de réalisation du module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone d'interface est réalisée sur le substrat avant intégration du substrat sur l'embase. 15. Procédé de réalisation du module selon les revendications lo 13 ou 14, caractérisé en ce que la planarisation de la face du substrat en contact avec la zone d'interface ou la planarisation de la zone d'interface elle-même est réalisée par polissage. 16. Procédé de réalisation du module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est assemblé à la zone d'interface par collage moléculaire. 17. Procédé de réalisation du module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est assemblé à la zone d'interface par soudure anodique. 18. Procédé de réalisation du module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone d'interface est assemblée à l'embase par collage moléculaire. 19. Procédé de réalisation du module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone d'interface est assemblée à l'embase par soudure anodique. 20. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que une résine de protection est déposoe sur l'ensemble