Brevet FR2895565A1 — publié le 20070629

Module électronique à faibles pertes diélectriques comportant un support LTCC Le domaine de l'invention est celui des composants micro- onde et notamment celui des filtres, des coupleurs, des résonateurs, des lignes à retard, d'une manière générale des fonctions passives pouvant fonctionner dans des bandes de fréquences de l'ordre de quelques dizaines de gigahertz. De tels composants sont utilisés pour des modules d'émission et de réception opérant jusque dans les bandes millimétriques et notamment dans des systèmes de communication par satellite. Dans le cadre des composants micro-onde, il a déjà été proposé d'utiliser des modules intégrant des fonctions passives au sein d'un circuit multicouches céramiques reporté sur un substrat organique standard comportant des fonctions actives ou passives. Des boîtiers ont été développés utilisant des technologies céramiques, à partir de substrat HTCC (High Temperature Cofired Ceramic, réalisé à une température de frittage supérieure à environ 1300 C) et LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic, réalisé à une température de frittage de l'ordre de 900 C). Il s'agit d'empilement de couches de céramique comportant un réseau d'interconnexions et des composants passifs. Des feuilles de céramique crue sont individuellement perforées pour réaliser des vias et des cavités. Puis les vias sont remplis avec un conducteur. On sérigraphie des conducteurs et des plans de masse. On procède à l'empilage des feuilles. On presse l'ensemble des feuilles de céramique ainsi assemblées. On procède alors au cofrittage de l'ensemble. Les principaux avantages de cette technologie sont les faibles coûts de fabrication, la capacité d'intégration de fonctions élémentaires passives telles que les résistances, les inductances et les capacités. Le choix des matériaux céramiques, permet par ailleurs de disposer d'une large gamme de valeur de constante diélectrique, permettant ainsi au concepteur un grand degré de liberté pour l'intégration de fonctions complexes. Néanmoins, malgré ces nombreux intérêts, la filière technologique LTCC n'est aujourd'hui exploitée industriellement que pour des applications dont les bandes de fréquences sont limitées à quelques gigahertz (bande L, S). Ceci est du aux pertes diélectriques élevées que présentent ces matériaux. Celles-ci ne permettent que peu de réalisations dans les bandes millimétriques, à l'exception de simples boîtiers d'intégration de circuits intégrés micro-onde dénommés couramment dans la littérature : Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC). En effet, des structures classiques ont été proposées, utilisant ce type de structures et notamment des lignes micro-ruban signal Ls à la surface d'un support LTCC comportant un plan de masse PM. En mode micro-ruban, comme le montre la figure 1, les lignes de champ électrique restant principalement concentrées sous le conducteur, c'est-à-dire dans le io diélectrique, les pertes de propagation sont fortement tributaires des pertes diélectriques. Par exemple, les résultats présentés dans l'article "Low cost LTCC filters for a 30GHz Satellite System", M. J. Rosario and al., 2003 EUMC, ne sont guère satisfaisants. La figure 2 illustre un exemple de configuration de module 15 comprenant un substrat diélectrique 1 de type circuit imprimé sur lequel est reporté un support LTCC 2. Le substrat diélectrique comporte 2 plans de masse PMsi et PMS2 dont la continuité est assurée par des vias conducteurs Vii. Dans cette configuration, une ligne de transmission (ou filtre) Ls est déposée par sérigraphie d'une surface métallique à la surface du support 20 LTCC de manière à constituer la ligne micro-ruban et est connectée à des lignes de transmission d'entrée et de sortie Lse et Lss sur le substrat diélectrique par l'intermédiaire de lignes micro-rubans Ls, et de vias conducteurs Vi2. Le support LTCC comporte par ailleurs 2 plans de masse PMc et PMc' dont la continuité est assurée par des vias conducteurs Via . 25 Dans des structures enterrées, présentant l'avantage d'assurer un blindage par rapport aux influences extérieures, le conducteur constitutif de la ligne micro-ruban est noyé dans le diélectrique mais les performances globales de propagation dépendent encore plus des pertes du matériau diélectrique. La figure 3 illustre un exemple de configuration de module 30 comprenant une ligne de transmission Ls enterrée, dans un milieu homogène diélectrique. Cette ligne de transmission comprise entre deux niveaux de plan de masse PMci et PMC3 pour réaliser un blindage électromagnétique constitue une structure dite triplaque en raison des deux niveaux de plan de masse associés à un niveau de conducteurs. Des zones 35 de masse PMC C2 sont par ailleurs avantageusement introduites au niveau du plan des conducteurs, pour permettre une éventuelle mise à la masse des conducteurs et plus particulièrement pour supprimer les résonances potentielles. La ligne signal Ls est également reliée à des lignes de transmission d'entrée et de sortie Lse et Lss sur le substrat diélectrique par l'intermédiaire de lignes micro-rubans Ls' et de vias conducteurs Vi2 Afin de pallier le problème des pertes diélectriques au sein de ces matériaux, certaines équipes de recherche ont proposé de nouvelles configurations de composants. L'article "A New Millimeter-Wave Stripline Resonator With embedded air cavities in LTCC multilayer structure" Y. C. Lee and al., 2003 IEEE MTT-S digest, pp2027-2030, décrit ainsi une solution dans laquelle une micro-cavité est créée au-dessus et en-dessous d'une ligne de transmission au sein de l'empilement LTCC. Une telle solution nécessite une technologie très minutieuse et présente des risques certains quant à la réalisation en grand volume. La présente invention propose une nouvelle architecture de module intégrant des composants micro-onde, permettant une fabrication de masse. Plus précisément l'invention a pour objet un module électronique comprenant un substrat diélectrique, un support multicouches comportant un ensemble de composants intégrés et solidaire dudit substrat et au moins un composant micro-onde, caractérisé en ce que le support multicouches comporte en surface au moins une couche localement évidée de manière à définir une cavité entre le support multicouches et le substrat diélectrique, au niveau de laquelle est positionné le composant micro-onde. Selon une variante de l'invention, le composant micro-onde comprend une ligne conductrice dite pseudo-triplaque définie à la surface localement évidée du support multicouches. Avantageusement le module électronique selon l'invention peut comprendre une structure dite pseudo-triplaque définie par au moins deux niveaux de plan de masse et un niveau de conducteurs correspondant au composant micro-onde, un premier niveau de plan de masse appartenant au substrat diélectrique et situé en dessous du composant micro-onde, un troisième niveau de plan de masse appartenant au support et situé au-dessus du composant micro-onde. Selon une variante, le module électronique comprend un second niveau de plan de masse appartenant au support multicouches et situé dans le même plan que celui du composant micro-onde, de manière à supprimer des résonances potentielles. Avantageusement., le module électronique selon l'invention peut comprendre un substrat diélectrique avec des lignes micro-rubans inférieures d'entrée et de sortie, connectées à la ligne pseudo-triplaque supérieure. Avantageusement, le substrat diélectrique peut comprendre deux niveaux de plan de masse. Avantageusement, le substrat diélectrique peut comporter dans ce cas, une première série de vias conducteurs de manière à connecter les deux niveaux de plan de masse. Avantageusement, le support multicouches peut dans ce cas comprendre des lignes pseudo-triplaques intermédiaires localisées à la surface de la couche localement évidée et en périphérie, de manière à pouvoir connecter les lignes micro-rubans inférieures à ces lignes pseudotriplaques. Avantageusement, le support peut comporter une seconde série de vias conducteurs, pour connecter la ligne pseudo-triplaque supérieure aux lignes pseudo-triplaques intermédiaires. Avantageusement le support peut aussi comprendre une troisième série de vias conducteurs, permettant de connecter électriquement le second niveau de plan de masse au troisième niveau de plan de masse. Il peut également comprendre une quatrième série de vias conducteurs, pour connecter les premier et troisième niveaux de plan de masse. Avantageusement, le module électronique peut également comprendre des éléments d'adaptation pour connecter les lignes micro-rubans inférieures et la ligne pseudo-triplaque. Avantageusement, le module selon l'invention peut comprendre 30 des fonctions passives, mais également des fonctions actives intégrées ou reportées en surface du substrat multicouches. Selon un mode préférentiel de l'invention, le support multicouches est réalisé avec des couches inorganiques en céramique, mais il peut tout aussi bien être réalisé avec des couches organiques. Selon un mode préférentiel, le substrat diélectrique est de type circuit imprimé. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un module électronique tel que précédemment décrit. Plus précisément l'invention a pour objet également un procédé de fabrication d'un module électronique selon l'invention comportant les étapes suivantes la réalisation d'un empilement d'un ensemble de couches diélectriques comportant des fonctions passives et/ou actives la réalisation d'un évidement dans au moins une couche supplémentaire diélectrique. l'assemblage de l'ensemble des couches diélectriques et de la couche diélectrique évidée, de manière à réaliser un support multicouches partiellement et localement évidé la réalisation d'une fonction active ou passive au niveau de l'évidement sur l'ensemble des couches diélectriques assemblées le report de l'ensemble des couches diélectriques assemblées et comportant la ligne pseudo-triplaque, sur un substrat diélectrique, la couche supplémentaire diélectrique évidée étant en regard dudit substrat diélectrique. Selon une variante de l'invention, la fonction peut-être réalisée sous forme d'une ligne pseudo-triplaque. Avantageusement l'évidement est réalisé par perforation pouvant 25 être de type poinçonnage. Lorsque les couches diélectriques sont des couches en céramique, l'assemblage des couches diélectriques est réalisé par une opération de cofrittage 30 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 illustre le comportement des lignes de champ en mode micro-ruban classique pour une ligne à retard la figure 2 illustre un exemple de structure micro-ruban selon l'art connu, réalisé à la surface d'un support LTCC. la figure 3 illustre un exemple de structure triplaque selon l'art connu et réalisé au sein d'un empilement de type LTCC. - la figure 4 illustre le comportement des lignes de champ en mode pseudo-triplaque selon l'invention - la figure 5 illustre un exemple de structure pseudo-triplaque selon l'invention, réalisée avec un support LTCC évidé, avant assemblage du substrat diélectrique et du support LTCC - la figure 6 illustre l'exemple de structure illustrée en figure 5 après assemblage la figure 7 illustre une vue en perspective de l'assemblage d'un support multicouches évidé sur un substrat diélectrique pour constituer un module selon l'invention (ne représentant que la demie structure, avec un plan de symétrie XZ) la figure 8 illustre un exemple d'élément d'adaptation d'impédance utilisé pour connecter une ligne signal à une ligne de transmission d'entrée de signal dans un module selon l'invention la figure 9 illustre l'évolution des pertes en réflexion et en transmission en fonction de la fréquence pour une ligne de transmission d'impédance caractéristique 50 ohms réalisée dans un module selon l'invention. La présente invention permet de remédier au problème de pertes diélectriques en adoptant un mode de propagation que nous définirons de type pseudo-triplaque, plutôt qu'un mode plus usuel de type micro-ruban (un niveau de plan de masse inférieur et un niveau de plan de signal) comme illustré en figure 1 ou un mode triplaque correspondant à une ligne enterrée entre deux diélectriques présentant 2 niveaux de plan de masse (un niveau de plan de masse supérieur et un niveau de plan de masse inférieur) comme illustré en figure 3. Le mode pseudo-triplaque proposé dans l'invention est relatif à un module comprenant trois niveaux différents comme dans le mode dit triplaque mais présentant également une interface air/diélectrique de manière à réduire les pertes diélectriques qui sont nécessairement plus importantes dans un matériau diélectrique que dans l'air, comme illustré en figure 4, qui représente une ligne pseudo-triplaque Ls entre 2 plans de masse PM1 et PM2. Dans le cas du mode pseudo-triplaque proposé, on se retrouve dans un milieu de propagation mixte diélectrique/air où les lignes de champ sont presque autant attirées par le plan de masse inférieur que par le plan de masse supérieur réduisant de ce fait globalement les pertes diélectriques de la structure. La figure 5 illustre un exemple de module selon l'invention et comprenant ces trois niveaux. Ce module est éclaté de manière à faire apparaître l'interface existant avant assemblage entre le support LTCC et le substrat diélectrique. Ce module présente plus précisément un substrat diélectrique 1, typiquement de type circuit imprimé (souvent dénommé dans la littérature PCB : pour printed circuit board). Ce substrat diélectrique comporte une ligne d'entrée de signal Lse et une ligne de sortie de signal Lss. Le substrat diélectrique comporte au moins un niveau de plan de masse. Pour améliorer le blindage de la structure finale, il est nécessaire d'intégrer deux niveaux de plan de masse comme illustré sur la figure : un premier plan de masse PMs1 et un second plan de masse PMS2, sur chacune des faces du substrat diélectrique. Pour assurer une continuité de masse, le PCB peut comprendre une série de vias conducteurs Vil . Le support 2 en LTCC est représenté de manière schématique avec 2 couches assemblées de matériaux céramiques, une première couche pleine et une seconde couche évidée sur laquelle a été réalisée le composant micro-onde, c'est à dire la ligne pseudo-triplaque encore appelée ligne signal Ls1 et associée à un plan de masse signal PMC2. Cette ligne pseudo-triplaque est couplée à des éléments annexes Ls'1, situés à la surface de la seconde couche LTCC, soit la couche évidée. Ces éléments permettent de connecter la ligne Ls1 aux lignes Lse et Lss . La figure 6 illustre le module après assemblage mettant en évidence la présence d'une cavité d'air Ca de faibles pertes diélectriques en regard de la ligne signal LS1 et définie entre le substrat diélectrique 1 et le 35 support 2 en LTCC. De manière générale, le support LTCC est réalisé par cofrittage d'un ensemble de couches céramiques, dont une couche extérieure a été préalablement perforée pour être en mesure de définir la cavité désirée lors de la réalisation du module selon l'invention. Le support LTCC comprend ainsi au moins 2 couches de céramiques et 2 niveaux de plan de masse représentés par les plans de masse PMC1, PMC3, cet ensemble permettant d'assurer les épaisseurs d'air et de diélectrique souhaitées. Afin de supprimer des résonances potentielles dans le cas de certains filtres, il peut-être intéressant de prévoir un plan de ~o masse PMC2 dans le plan dudit filtre. La description ci-après, non limitative se place dans cette configuration : Le mode de propagation pseudo-triplaque avec la définition d'une cavité Ca n'est constitué qu'une fois le support LTCC reporté sur le PCB, 15 ceci grâce au plan de masse imprimé sur la face extérieure du LTCC , soit le plan de masse PMC3 et un deuxième plan de masse PMS1 sur la face supérieure du PCB, les conducteurs étant eux imprimés sur le LTCC entre ces 2 plans de masse. Ainsi les trois niveaux de plan de masse du mode pseudo-20 triplaque du module de l'invention sont respectivement définis par l'ensemble des plans : (PMC3i PMc2, PMc1 +PMS1), la cavité d'air étant définie entre la ligne micro-ruban LS1 et le plan PMs1 Le module LTCC est constitué par ailleurs de plusieurs séries de 25 trous métallisés appelés vias : Une seconde série de via Vi2 qui assurent le passage des signaux du PCB au LTCC, soit d'un mode microruban à un mode pseudotriplaque. Une troisième série de vias Vi3 qui permettent d'éliminer les 30 résonances potentielles en connectant le plan de masse PMC2 au plan de masse supérieur PMc3. Une quatrième série de vias Vi4 qui assurent une bonne continuité de masse entre les plans de masse inférieur et supérieur du substrat diélectrique ainsi qu'un blindage de la structure. La figure 6 illustre une vue en perspective mettant en évidence le report du support 2 en LTCC sur le substrat diélectrique 1 et notamment le report de la ligne signal LS1 sur la ligne d'entrée Lse et sur la ligne de sortie Lss L'assemblage du substrat diélectrique et du support LTCC, peut typiquement être effectué par soudure directe, comme un composant CMS Il est possible de régler plusieurs paramètres pour assurer une adaptation parfaite de la transition, au passage du mode micro-ruban : lignes de transmission Lsv, au mode pseudo-triplaque : ligne signal Ls, ce dans la bande de fréquence souhaitée. Ces paramètres peuvent notamment être les suivants : - Dimensionnement de la largeur des lignes sur le PCB et sur le LTCC. Ajout d'éléments d'adaptation d'impédance, aussi bien sur le PCB que sur le LTCC. Il s'agit d'éléments tels que ceux illustrés en figure 7 qui donne une vue de la jonction assurée par des éléments Ai entre les lignes signal Ls1 et Lsv . Ces éléments Ai sont des éléments transversaux par rapport aux lignes qu'ils connectent et dont le dimensionnement de la largeur et de la longueur permet de régler cette adaptation. Dimensionnement du diamètre des vias Vil de passage des signaux. -Positionnement de ces vias dans le plan des couches de LTCC. Exemple de réalisation d'un module selon l'invention - Le substrat diélectrique peut typiquement être un circuit imprimé de type polymère connu sous la dénomination Rogers RO4003 d'épaisseur 0.2mm Le support LTCC peut être réalisé à partir d'un matériau de type DUPONT-943, avec pour épaisseur d'air 0.2 mm et de diélectrique 0.3mm. Le mur du support LTCC est d'épaisseur 1.5mm 20 25 30 Selon cette configuration, la largeur de ligne micro-ruban est de 0.45mm et celle de la ligne pseudo-triplaque de 0.2mm. - La cavité définie pouvant typiquement présenter une surface de 6 à 8 mm de côté. Le modèle présenté ici concerne une simple ligne d'impédance caractéristique 50 ohms. Il a été optimisé pour un fonctionnement dans la bande 20-30GHz des terminaux satellite bidirectionnels. La figure 9 présente les résultats de simulations en considérant une ligne de transmission pseudo-triplaque et une double transition mode micro-ruban à mode pseudo- triplaque. II est à noter que les entrée/sortie étant en mode micro-ruban, deux transitions sont nécessaires pour faire la liaison avec la ligne pseudotriplaque. Ces résultats démontrent une très bonne adaptation aux accès micro-ruban de l'ensemble du module dans la bande utile, avec des pertes par réflexion obtenues inférieures à 20dB. les pertes d'insertion dans cette bande sont également très faibles et sont voisines de 0.2dB pour une ligne pseudo-triplaque de 10 mm de long et à 30GHz. La courbe 9a est relative à la réponse en transmission et la courbe 9b est relative à la réponse en réflexion. L'invention a été précédemment décrite dans le cadre de matériaux LTCC mais s'applique tout aussi bien aux matériaux HTCC. Par ailleurs, l'invention a été également illustrée dans le cas d'une structure pseudo-triplaque très simple mais s'applique tout aussi bien au cas d'un support LTCC ou HTCC, comportant également des composants actifs de type MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit), des éléments rayonnants (antenne patch) sur la face externe du LTCC ou d'autres composants passifs pouvant notamment être réalisés par impression sur la face externe du LTCC.30 REVENDICATIONS 1. Module électronique comprenant un substrat diélectrique (1), un support multicouches (2) comportant un ensemble de composants intégrés et solidaires dudit support et au moins un composant micro-onde, caractérisé en ce que le support multicouches comporte en surface au moins une couche localement évidée de manière à définir une cavité (Ca) entre le support multicouches et le substrat diélectrique, au niveau de laquelle est positionné le composant micro-onde. 2. Module électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que le composant micro-onde est constitué par une ligne pseudo-triplaque supérieure (LS1), définie à la surface localement évidée du support. 3. Module électronique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une structure triplaque définie par au moins 15 deux niveaux de plan de masse, un premier niveau de plan de masse (PMS1) appartenant au substrat diélectrique et situé en dessous du composant micro-onde et un troisième niveau de plan de masse (PMC3) situé au-dessus du composant micro-onde. 20 4. Module électronique selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un second niveau de plan de masse (PMC2) appartenant au support multicouches et situé dans le même plan que celui du composant micro-onde, de manière à supprimer des résonances potentielles. 25 5. Module électronique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le substrat diélectrique comprend des lignes micro-rubans inférieures d'entrée et de sortie ( Lse, Lss), connectées à une ligne pseudo-triplaque supérieure (LS1) située au second niveau de plan de masse 30 (PMc2)• 6. Module électronique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le support multicouches comprend des lignes pseudo-triplaquesintermédiaires (Ls',) localisées à la surface de la couche localement évidée et en périphérie, de manière à pouvoir être connectées aux lignes micro-rubans inférieures (Lse, Lss) appartenant au substrat diélectrique. 7. Module électronique selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le substrat diélectrique comprend deux niveaux de plan de masse (PMsi, PMs2) 8. Module électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce ~o que le substrat diélectrique comporte une première série de vias (Vii) conducteurs de manière à connecter les deux niveaux de plan de masse. 9. Module électronique selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le support comporte une seconde série de vias 15 conducteurs (Vi2), pour connecter la ligne pseudo-triplaque supérieure aux lignes pseudo-triplaques intermédiaires. 10. Module électronique selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que le support comprend une troisième série de vias 20 conducteurs (Vis), permettant de connecter électriquement le second niveau de plan de masse au troisième niveau de plan de masse. 11. Module électronique selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que le support comprend une quatrième série de vias 25 conducteurs (Vi4), pour connecter les premier et troisième niveaux de plan de masse. 12. Module selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce qu comprend des éléments d'adaptation d'impédance (Ai) pour 30 connecter les lignes micro-rubans inférieures aux lignes pseudo-triplaques. 13. Module selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le support multicouches comporte des fonctions actives. 14. Module selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le support est constitué de multicouches diélectiques inorganiques. 15. Module selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en 5 ce que le support est constitué de multicouches diélectriques organiques. 10