Brevet FR2969398A1 — publié le 20120622

B10687 - 10-GR1-293 1 EMETTEUR-RÉCEPTEUR INTÉGRÉ EN ONDES MILLIMÉTRIQUES Domaine de l'invention La présente invention concerne des systèmes émetteurs-récepteurs adaptés à fonctionner en ondes millimétriques et aptes à fournir et recevoir des signaux de dispositifs disposés à des distances supérieures au mètre, par exemple de l'ordre de 10 mètres. Exposé de l'art antérieur Dans un système fonctionnant en ondes millimétriques, par exemple à une fréquence de l'ordre de 60 GHz, les puissances disponibles sont telles qu'il faut prévoir des réseaux d'antennes fournissant des faisceaux directifs, souvent appelés réseaux phasés. Dans de tels réseaux, chaque antenne émet un signal déphasé par rapport à celui des autres antennes, ou est apte à recevoir un signal déphasé par rapport à celui des autres antennes. A 60 GHz, la longueur d'onde dans l'air est de 5 mm. La plus grande dimension des antennes est couramment de l'ordre de la demi longueur d'onde soit 2,5 mm et chaque antenne est séparée des antennes voisines d'une distance au moins du même ordre de grandeur. En conséquence, il est en pratique impossible de disposer le réseau d'antennes sur la puce de circuit intégré qui B10687 - 10-GR1-293 2 contient les circuits électroniques propre à fournir, recevoir, traiter et amplifier les signaux haute fréquence des antennes. En effet, cela conduirait à des dimensions de puce prohibitives. Les dispositifs connus ont souvent utilisé des anten- nes montées sur des substrats individuels insérés dans un bloc de céramique, également destiné à recevoir le circuit intégré de traitement. Ceci amène le système à être relativement complexe d'autant plus qu'il faut rendre minimum les longueurs des pistes entre chacun des éléments pour éviter les rayonnements parasites et les interférences. Par ailleurs, certains de ces systèmes obligent le fabricant de carte à prévoir des dispositifs relativement compliqués pour retraiter les signaux émis/reçus. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la pré- sente invention est de prévoir un système formant un ensemble unique comprenant un circuit d'émission, réception, traitement et amplification des signaux haute fréquence et un réseau d'antennes d'émission/réception d'encombrement minimum, particulièrement adapté à être monté simplement sur une carte de circuit imprimé. Selon un aspect de la présente invention il est prévu un émetteur/récepteur à ondes millimétriques comprenant une plaque formant interposeur dont la face supérieure porte un réseau d'interconnexions et dont la face inférieure est destinée à être montée sur une carte de circuit imprimé par des billes ; une puce de circuit intégré montée sur la face supérieure de l'interposeur ; des antennes constituées de pistes formées sur la face supérieure de l'interposeur ; et des réflecteurs sur la face supérieure de la carte de circuit imprimé en regard de chacune des antennes, la distance effective entre chaque antenne et la plaque de réflecteur étant de l'ordre du quart de la longueur d'onde, en tenant compte des constantes diélectriques des matériaux interposés. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 chacune des antennes est entourée d'une piste conductrice B10687 - 10-GR1-293 3 entourante, une piste conductrice entourante correspondante étant prévue sur la face inférieure de l'interposeur, ces pistes étant reliées par un réseau de nias traversants, la piste conductrice sur la partie inférieure de l'interposeur étant reliée à une piste conductrice entourant le réflecteur par un réseau de billes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les billes sont des billes en un polymère revêtu d'un conducteur et d'une couche de brasure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'interposeur est une plaque de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'interposeur est une plaque de verre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la face supérieure est revêtue d'une résine d'encapsulation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la piste conductrice entourant le réflecteur est en contact avec une partie périphérique de ce réflecteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 20 le réflecteur et les pistes entourantes sont reliés à la masse. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 25 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une partie d'un système émetteur/récepteur intégré ; la figure 2A est une vue en coupe schématique d'une partie d'antenne du système émetteur/récepteur de la figure 1 ; 30 la figure 2B est une vue de dessus correspondant à la vue en coupe de la figure 2A ; et la figure 3 est une vue de dessus de l'ensemble d'un système émetteur/récepteur. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été 35 désignés par de mêmes références dans les différentes figures B10687 - 10-GR1-293 4 et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 1 est une vue en coupe très schématique d'un ensemble émetteur/récepteur d'ondes millimétriques. Cet ensemble comprend une puce de circuit intégré 1 comprenant divers circuits de traitement et d'amplification de signaux haute fréquence émis/reçus par des antennes. On a représenté du côté inférieur de la puce une couche 2 constituée en fait d'un ensemble de couches conductrices et isolantes formant des niveaux d'interconnexion destinés à l'interconnexion des divers composants de la puce et à la connexion de ces composants vers l'extérieur. La puce 1 est montée sur une plaque d'interposeur 3. Cette plaque est surmontée d'un réseau d'interconnexions 4 comprenant des couches isolantes, des pistes métalliques et des vias. Le montage de la puce 1 sur la plaque d'interposeur 3 est effectué par exemple par l'intermédiaire de piliers conducteurs 6, par exemple en cuivre. Dans l'interposeur 3, qui est par exemple une plaquette de silicium ou de verre, sont formés des vias traversants 8 dont un seul est représenté. On voit du côté supérieur de cet interposeur, une région métallisée 14, un via 15 et une région métallisée 16 reliée par un pilier 17 à une borne de la puce 1. Du côté inférieur de l'interposeur sont formées des métallisations 20 comprenant en fait en pratique un ensemble de métallisations, auxquelles sont fixées (soudées) des billes 21. Sur la face supérieure de la plaque d'interposeur 3, sont disposées des antennes 30 constituées de pistes conductrices selon toute configuration d'antenne convenable pour l'émission et/ou la réception d'ondes millimétriques. Bien qu'une seule antenne apparaisse dans la vue en coupe de la figure 1, on comprendra qu'il y a un certain nombre d'antennes émettrices et un certain nombre d'antennes réceptrices qui sont B10687 - 10-GR1-293 connectées par des niveaux de métallisation, non représentés, du réseau d'interconnexions 4 à des bornes appropriées de la puce 1 de façon que, en fonctionnement, chacune de ces antennes soit excitée avec un certain décalage de phase par rapport aux autres 5 antennes. La puce 1, la plaque d'interposeur 3 et les billes 21 forment un ensemble prêt à être livré par un fabricant à un monteur de système qui monte l'ensemble susmentionné sur une carte de circuit imprimé 25 sur laquelle sont formées des métal- lisations 23 adaptées à recevoir les billes 21. La face supérieure de cet ensemble est de préférence encapsulée dans un corps isolant 27, par exemple en résine, pour la protection du produit et éventuellement son marquage. Une antenne 30 émet, quand elle est excitée, un rayon- nement haute fréquence, aussi bien vers le haut que vers le bas. Pour renforcer le rendement de l'antenne et éviter les rayonnements parasites, il convient de renvoyer vers le haut le faisceau que cette antenne envoie vers le bas. Pour cela, on prévoit de disposer sur la carte du circuit imprimé 25 un réflecteur 32 en regard de l'antenne 30. Ce réflecteur est constitué d'une métallisation et doit être disposé à une distance verticale de l'ordre de X/4 de l'antenne, a, étant la longueur d'onde du rayonnement. Bien entendu, cette distance X/4 doit être calculée en tenant compte du fait que l'espace entre l'antenne et le réflecteur comprend l'épaisseur de la plaque d'interposeur, de constante diélectrique de l'ordre de 12 si cet interposeur est en silicium, et un espace d'air de constante diélectrique égale à 1, ainsi que éventuellement une faible épaisseur d'isolant entre l'antenne et l'interposeur. L'épaisseur de la plaque d'interposeur est connue avec précision et la hauteur de l'espace d'air est également déterminée avec précision en fonction de la distance fixée par les billes 21. On prévoira des billes dont l'épaisseur après montage peut être bien déterminée, par exemple des billes d'un polymère dur revêtu d'une couche conductrice et d'une couche de brasage. B10687 - 10-GR1-293 6 Selon un avantage du système décrit ci-dessus, les connexions entre la puce et les antennes peuvent avoir des longueurs minimales et bien déterminées. Les figures 2A et 2B sont une vue en coupe et une vue de dessus d'une partie d'antenne du système émetteur/récepteur de la figure 1. Comme cela a été indiqué précédemment, l'antenne 30 est constituée d'une piste conductrice formée sur l'interposeur et reliée par des métallisations non représentées à des bornes de la puce 1 ; l'interposeur 3 comprend des vias traversants isolés ; et la carte de circuit imprimé 25 comprend en face de la partie d'antenne 30 une métallisation constituant un réflecteur 32. L'antenne 30, dont un exemple schématique a été représenté en figure 2B, est entourée d'une piste conductrice 40 reliée par des vias 41 à une piste conductrice entourante correspondante 42 formée sur le dessous de la plaque d'interposeur 3. Les vias 41 sont régulièrement répartis le long de la piste conductrice. La piste entourante 42 est reliée par un certain nombre de billes 44, dont une est représentée en pointillés en figure 2B, à la plaque de réflecteur 32 sur la carte de circuit imprimé 25. Etant donné que les billes ont dans la plupart des technologies un diamètre (par exemple 0,5 mm) nettement plus grand que les dimensions latérales d'un via (par exemple 0,2 mm), le nombre de billes sera inférieur au nombre de vias. Bien entendu, chacune des pistes conductrices entourantes susmentionnées est, quand il y a lieu, séparée de la surface sur laquelle elle est formée par une couche isolante non représentée. De préférence, le réflecteur 32 et l'ensemble des pistes conductrices entourantes sont reliés à une masse. Les billes peuvent, comme cela est représenté, contacter une partie périphérique du réflecteur 32 ou contacter une piste conductrice 46 entourant ce réflecteur. Ainsi, le rayonnement vers le bas de l'antenne 30 vient se réfléchir sur le réflecteur 32 mais ne peut diverger pour créer des ondes parasites, notamment dans l'interposeur, en raison du réseau serré de vias et billes qui entoure la zone B10687 - 10-GR1-293 7 séparant l'antenne de son réflecteur et qui forme une cage de Faraday. Ainsi, on évite toute influence d'une antenne 30 sur les antennes voisines et/ou sur la puce de circuit intégré 1. La figure 3 est une vue d'ensemble de dessus du système. On y distingue, dans la partie centrale, le circuit intégré 1 et des plots de connexion de ce circuit destinés à être reliés aux piliers susmentionnés. Des antennes 30, au nombre de 16 dans l'exemple représenté, sont disposées de part et d'autre du circuit intégré 1. Comme cela a été indiqué, chacune de ces antennes est entourée d'une piste conductrice 40 périodiquement reliée par des nias 41 à une piste conductrice correspondante formée sous l'interposeur 3. Cette vue de dessus montre bien que chacune des antennes est isolée des voisines et de l'environnement par le 15 réseau de nias-billes prévu ici. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne la forme des antennes. En outre, on n'a pas décrit en détail les divers niveaux de métallisation formés 20 sur l'interposeur, et notamment les métallisations destinées à connecter le circuit intégré à chacune des antennes. En effet, il s'agit là de dispositions courantes. L'important est que toutes ces métallisations sont disposées sur une même face d'un interposeur et peuvent donc avoir une dimension minimale. 25 A titre de variante, le réflecteur 32, au lieu d'être constitué d'une métallisation peut être formé dans une plaque métallique comprenant des rebords tournés vers le haut, cette plaque étant fixée à la carte de circuit imprimé 25. REVENDICATIONS1. Emetteur/récepteur à ondes millimétriques comprenant : une plaque formant interposeur (3) dont la face supérieure porte un réseau d'interconnexions (4) et dont la face inférieure est destinée à être montée sur une carte de circuit imprimé (25) par des billes (21 ; 44) ; une puce de circuit intégré (1) montée sur la face supérieure de l'interposeur ; des antennes (30) constituées de pistes formées sur la 10 face supérieure de l'interposeur ; et des réflecteurs (32) sur la face supérieure de la carte de circuit imprimé en regard de chacune des antennes, la distance effective entre chaque antenne et la plaque de réflecteur étant de l'ordre du quart de la longueur d'onde (X/4), en 15 tenant compte des constantes diélectriques des matériaux interposés. 2. Emetteur/récepteur selon la revendication 1, dans lequel chacune des antennes (30) est entourée d'une piste conductrice entourante (40), une piste conductrice entourante 20 correspondante (42) étant prévue sur la face inférieure de l'interposeur, ces pistes étant reliées par un réseau de nias traversants (41), la piste conductrice (42) sur la partie inférieure de l'interposeur étant reliée à une piste conductrice (46) entourant le réflecteur par un réseau de billes (44). 25 3. Emetteur/récepteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les billes (21 ; 44) sont des billes en un polymère revêtu d'un conducteur et d'une couche de brasure. 4. Emetteur/récepteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'interposeur est une plaque 30 de silicium. 5. Emetteur/récepteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'interposeur est une plaque de verre.B10687 - 10-GR1-293 9 6. Emetteur/récepteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dont la face supérieure est revêtue d'une résine d'encapsulation. 7. Emetteur/récepteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel la piste conductrice (46) entourant le réflecteur (32) est en contact avec une partie périphérique de ce réflecteur. 8. Emetteur/récepteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel le réflecteur et les pistes 10 entourantes sont reliés à la masse.