Brevet FR3062525A1 — publié le 20180803

ANTENNE À FENTES INTEGRÉE DANS UNE CARTE DE CIRCUIT IMPRIMÉ ET PROCÉDÉ DE FABRICATION DE CELLE-CI [1] L'invention concerne de manière générale le domaine des communications sans 5 fil. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à une antenne à fentes intégrée dans une carte de circuit imprimé. L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'une carte de circuit imprimé comprenant une telle antenne à fentes. [2] Les communications sans fil, par faisceaux hertziens, connaissent un développement spectaculaire depuis une vingtaine d'années. La convergence entre 10 l'internet, l'informatique, l'audiovisuel, les réseaux de téléphonie mobile et la disponibilité de terminaux performants de communication en situation de mobilité ont fait apparaître de nouveaux modes de communication. Ainsi, différentes technologies de communication sans fil ont été mises au point et sont bien connues telles que, par exemple, celles définies par les normes Bluetooth (marque déposée) pour les réseaux sans fil personnels, WiFi 15 (marque déposée) pour les réseaux sans fil locaux et UMTS et LTE (marques déposées) pour les réseaux sans fil étendus de téléphonie mobile. [3] Un développement encore plus important des communications sans fil est prévisible avec le développement des objets connectés et l'émergence d'une informatique dite « ambiante » dans laquelle les personnes et les objets présents dans un même 20 environnement communiquent à travers des réseaux sans fil. Les objets sont équipés de « puces » et de moyens de communication sans fil qui leur permettent une adaptation et une interaction avec leur environnement et les personnes. [4] Les réseaux sans fil embarqués dans les moyens de transport aérien, routier, ferroviaire et maritime vont connaître aussi une forte croissance. Le déploiement d'un 25 grand nombre de capteurs à travers un réseau sans fil présente également des applications multiples, par exemple, dans les domaines de l'instrumentation, l'environnement, la domotique, la santé, la supervision des processus et la sécurité. [5] Les antennes radioélectriques sont des composants clés des dispositifs de communication sans fil et constituent un frein notable à la miniaturisation des modules de 30 communication radio et à la réduction des coûts. La miniaturisation des antennes radioélectriques et la réduction de leur coût sont souhaitables pour faciliter l'intégration de modules de communication sans fil dans les systèmes. 3062525 2 [6] Des micro-antennes à fentes dans les bandes des ultra hautes fréquences et des hyperfréquences sont utilisées dans la téléphonie cellulaire. Ainsi, il est connu par l'entité inventive une antenne à fentes intégrée dans une carte de circuit imprimé et qui équipe typiquement les téléphones cellulaires dans la bande de fréquences de 800 MHz à 1GHz. Cette antenne offre cependant des performances radioélectriques limitées, notamment en termes de gain. [7] Les antennes à fentes de type à guide d'onde ou à cavité offrent de meilleures performances. Cependant, l'ajout d'un guide d'onde ou d'une cavité augmente l'encombrement de l'antenne et impacte significativement le coût de celle-ci. [008] Le fort développement attendu du marché des réseaux de communication sans fil demande une avancée technologique pour la réalisation d'antennes à fentes présentant de bonnes performances et qui puissent être intégrées dans des cartes de circuit imprimé, avec un encombrement et un coût réduits. [009] Selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne à fentes intégrée dans une carte de circuit imprimé et comprenant une couche conductrice métallique ayant une pluralité de fentes, les fentes formant des ouvertures dans la couche conductrice métallique. [0010] Conformément à l'invention, l'antenne comprend une cavité formée dans l'épaisseur de la carte de circuit imprimé et située sous la pluralité de fentes de la couche 20 conductrice métallique. [0011] L'invention permet ainsi la réalisation dans une carte de circuit imprimé d'un émetteur ou d'un récepteur radio équipé d'une ou plusieurs antennes à fentes avec cavité, à très faible coût et avec un encombrement minimal. De plus, la définition dimensionnelle des antennes selon l'invention est aisément respectée grâce aux précisions élevées 25 atteignables avec les techniques de fabrication des circuits imprimés. [0012] Selon une autre caractéristique particulière, la cavité de l'antenne comporte une couche de métallisation sur des parois. [0013] Selon encore une autre caractéristique particulière, la couche conductrice métallique, ayant la pluralité de fentes, est supportée sur une couche diélectrique fermant 30 la cavité, la couche conductrice métallique étant disposée à l'extérieur de la cavité. 3062525 3 [0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, la couche conductrice métallique, ayant la pluralité de fentes, est supportée sur une couche diélectrique fermant la cavité, la couche conductrice métallique étant disposée à l'intérieur de la cavité. [0015] Selon encore une autre caractéristique particulière, la couche conductrice 5 métallique, ayant la pluralité de fentes, et la couche diélectrique sont formées dans une plaque de stratifié de type CCL ou une plaque de type RCC. [0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, la couche conductrice métallique, ayant la pluralité de fentes, est formée dans une plaque qui est rapportée sur la carte de circuit imprimé et ferme la cavité. 10 [0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, la couche conductrice métallique et la couche de métallisation sont en cuivre. [0018] Selon un autre aspect, l'invention concerne une carte de circuit imprimé comprenant au moins une antenne à fentes intégrée telle que décrite brièvement ci-dessus. 15 [0019] Selon une forme de réalisation particulière, la carte de circuit imprimé comprend un réseau d'antennes à fentes intégrées. Selon une autre forme de réalisation particulière, la carte de circuit imprimé est de type multicouche. [0020] Selon encore un autre aspect, l'invention concerne aussi un émetteur radio intégré dans la carte de circuit imprimé et comprenant un composant électronique implanté au fond de la cavité d'antenne à fentes. Selon une caractéristique particulière, l'émetteur radio comprend un conducteur en contact avec le composant électronique et ayant pour fonction d'extraire des calories produites par le composant électronique. [0021] Selon encore un autre aspect, l'invention concerne aussi un récepteur radio intégré dans la carte de circuit imprimé et comprenant un composant électronique implanté 25 au fond de la cavité d'antenne à fentes. [0022] Selon encore un autre aspect, l'invention concerne aussi un procédé de fabrication de la carte de circuit imprimé, le procédé comportant des étapes de photolithographie et gravure et une étape de retrait de matière pour former au moins une cavité d'antenne dans la carte de circuit imprimé. 3062525 4 [0023] Selon une caractéristique particulière, le procédé comprend une étape de stratification de plusieurs plaques de circuit imprimé pour former la carte de circuit imprimé. [0024] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus 5 clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La Fig.1 est une vue en coupe partielle d'une carte de circuit imprimé dans un état qui précède l'intégration d'une antenne à fentes selon l'invention ; La Fig.2A est une vue en coupe partielle de la carte de circuit imprimé de la Fig.1 10 dans laquelle a été réalisée une cavité de l'antenne à fentes selon l'invention ; La Fig.2B est une vue en coupe partielle de plusieurs plaques de circuit imprimé avant stratification de celles-ci pour former la carte de circuit imprimé avec la cavité de l'antenne à fentes selon l'invention ; La Fig.3 est une vue en coupe partielle de la carte de circuit imprimé de la Fig.1 15 dans laquelle est intégrée l'antenne à fentes selon l'invention ; Les Figs.4A et 4B sont des vues de dessus et de flanc d'une plaque à fentes de l'antenne selon l'invention ; Les Figs.5A et 5B sont des vues de dessus et en coupe d'une plaque à fentes de l'antenne selon l'invention ; et 20 Les Figs.6A et 6B sont des vues de dessus et en coupe d'une plaque à fentes de l'antenne selon l'invention. [0025] En référence aux Figs.1, 2A, 2B et 3, il est décrit les étapes de fabrication d'une forme de réalisation particulière d'une antenne à fentes selon l'invention. [0026] A la Fig.1, il est montré une carte de circuit imprimé multicouche 1 dans laquelle 25 doit être intégrée une antenne à fentes selon l'invention. [0027] Comme montré à la Fig.1, de manière classique, la carte de circuit imprimé 1 est formée d'une pluralité de couches conductrices en cuivre 10 et de couches diélectriques 11. Des motifs conducteurs de connexion sont réalisés dans les couches conductrices 10, ainsi que des vias 12 pour l'interconnexion de motifs conducteurs situés dans des couches 3062525 5 différentes. Des composants électroniques actifs et passifs du circuit, tels que le composant électronique 13, sont enterrés entre des couches internes de la carte 1 lors de la réalisation de celle-ci. [0028] De manière générale, pour la réalisation de la carte de circuit imprimé 5 multicouche 1, il est utilisé des techniques de fabrication de cartes de circuit imprimé qui sont bien maîtrisées. Ainsi, il pourra être fait appel à des plaques de stratifié revêtu de cuivre dites CCL (de « Copper Clad Laminate » en anglais) chargées ou pas en fibres de verre, des diélectriques préimprégés de résine de type époxy, dits « prépeg », des feuilles ou des plaques fines de cuivre éventuellement avec un revêtement de résine, de type 10 RCC (de « Resin Coated Copper » en anglais), et des adhésifs. Il pourra être utilisé une combinaison de techniques comprenant la stratification, la photolithographie, la gravure humide, l'électrodéposition, le fraisage et perçage mécanique ou au laser et autres techniques. [0029] La zone ZA, montrée à la Fig.1, est la zone de la carte 1 dans laquelle doit être 15 implantée l'antenne à fentes selon l'invention. Dans cette zone ZA est implanté un composant électronique 13 qui, dans cet exemple de réalisation, est un transistor RF pour l'émission des ondes électromagnétiques. L'objectif est ici de réaliser un émetteur radio en associant au transistor 13 une antenne à fentes selon l'invention. Bien entendu, la réalisation d'un récepteur radio dans la carte 1 sera faite de manière semblable. 20 [0030] Comme montré à la Fig.1, le transistor 13 est enterré entre des couches internes 10, 11, de la carte 1. Le transistor 13 comporte des électrodes, non visibles à la Fig.1, qui sont soudées à un motif de connexion en cuivre de la carte 1. [0031] Un conducteur C10, constitué d'une couche épaisse de cuivre, est prévu pour le refroidissement du transistor 13. Ce conducteur 010 a pour fonction d'extraire les calories produites par le transistor 13 vers un dissipateur thermique (non représenté). Des vias 12 sont réalisés ici pour relier une face métallique du transistor 13 au conducteur C10. Le conducteur C10 sera nécessaire, ou pas, selon la puissance de l'émetteur radio. Lorsque le conducteur 010 est nécessaire, il sera dimensionné en fonction de la puissance calorifique à évacuer. Le conducteur C10 sera plus rarement nécessaire dans le cas d'un récepteur radio. [0032] Conformément à l'invention, une cavité d'antenne 15, montrée à la Fig.2A, est intégrée dans l'épaisseur de la carte 1. Dans cette forme de réalisation, un motif d'indexage, repéré 14 à la Fig.1, a été réalisé sur la face haute de la carte 1 de manière à 3062525 6 autoriser un indexage de l'outil de retrait de matière qui est utilisé pour creuser la cavité 15. [0033] Comme montré à la Fig.2A, la matière est retirée au-dessus du transistor 13 pour dégager le volume voulu pour la cavité 15. Ce retrait de matière est typiquement effectué à 5 la fraise, au laser et/ou par des techniques de photogravure chimique autorisant une découpe précise des couches de métal. [0034] Les dimensions de la cavité 15 sont déterminées de manière classique en fonction de la longueur d'onde de la porteuse. [0035] Les parois de la cavité 15 sont ensuite revêtues d'une couche de métallisation 16, 10 typiquement en cuivre, de manière à former un guide d'onde. La couche de métallisation 16 est effectuée ici par dépôt électrolytique. [0036] Selon une autre forme de réalisation montrée à la Fig.2B, une carte de circuit imprimé 1', avec sa cavité d'antenne 15' intégrée, est formée par stratification de plusieurs plaques de circuit imprimé. Dans la forme de réalisation de la Fig.2B, les plaques de circuit 15 imprimé sont au nombre de trois, à savoir, P1, P2 et P3. [0037] Chacune des plaques P1, P2 et P3 est formée avec les techniques de fabrication des cartes de circuit imprimé multicouche. [0038] Des retraits de matière M1, M2, sont effectués ici dans les plaques P2, P3, de manière à dégager un volume total correspondant au volume voulu pour la cavité 15'. Ces 20 retraits de matière M1, M2, sont effectués de manière analogue à celui effectué pour la cavité 15, c'est-à-dire, à la fraise, au laser et/ou par des techniques de photogravure chimique. [0039] Les plaques P1, P2 et P3 sont ensuite stratifiées par pressage et passage au four de stratification sous vide, après avoir été enduite sur leurs surfaces de stratification, par 25 exemple, d'une résine polymérisable de type époxy pour assurer leur encollage. Il est ainsi obtenu la carte de circuit imprimé multicouche 1' avec la cavité 15'. De même que pour la cavité 15 de la carte 1, les parois de la cavité 15' sont ensuite revêtues d'une couche de métallisation, typiquement en cuivre, de manière à former un guide d'onde. A ce stade de réalisation, la carte 1' est dans l'état de la carte 1 montrée à la Fig.2A. 30 [0040] La description ci-dessous se poursuit en considérant la carte de circuit imprimé 1 au stade de réalisation de la Fig.2A. 3062525 7 [0041] La réalisation de l'antenne s'achève par la mise en place d'une plaque 17 destinée à fermer la partie haute de la cavité 15. La plaque 17 est typiquement une plaque de circuit imprimé dans laquelle sont réalisées une pluralité de fentes S17 qui sont visibles à la Fig.2A. Les fentes S17 forment des ouvertures dans la couche de métal de la carte de 5 circuit imprimé. [0042] Un épaulement 18 est prévu en haut des parois de la cavité 15. L'épaulement 18 assure un positionnement précis de la plaque 17 dans l'ouverture de la cavité 15. Un positionnement précis est nécessaire pour le respect de la définition dimensionnelle de l'antenne. La plaque 17 est fixée par collage dans l'ouverture de la cavité 15. 10 [0043] L'antenne AT selon l'invention est montrée dans son état achevé à la Fig.3. Comme le montre la Fig.3, l'antenne AT est totalement intégrée dans la carte de circuit imprimé 1. [0044] Différentes formes de réalisation de la plaque à fentes sont montrées aux Figs.4A, 4B, 5A, 5B et 6A, 6B. 15 [0045] Les Figs.4A, 4B, et 5A, 5B, montrent respectivement des première et deuxième formes de réalisation 17a et 17b de la plaque à fentes. Les plaques à fentes 17a et 17b sont analogues, hormis le fait que la plaque 17a ferme la cavité 15 de l'antenne AT avec sa face cuivrée CP disposée à l'extérieur de la cavité 15 et que la plaque 17b ferme la cavité 15 de l'antenne AT avec sa face cuivrée CP disposée à l'intérieur de la cavité 15. 20 [0046] La plaque à fentes 17a, 17b, est obtenue par exemple à partir d'une plaque fine de stratifié CCL, ou bien d'une plaque RCC, comprenant une couche diélectrique DF et une couche de cuivre CF. [0047] Le motif de fentes montré à la Fig.4A est réalisé par les techniques classiques de photolithographie et gravure. Les fentes S17 sont obtenues par retrait du cuivre. Les 25 fentes S17 conservent la couche diélectrique. [0048] Les Figs.6A, 6B, montrent une troisième forme de réalisation 17c de la plaque à fentes. [0049] La plaque à fentes 17c est ici obtenue à partir d'une plaque fine de cuivre. Le motif de fentes est réalisé par exemple par photogravure chimique. 3062525 8 [0050] Bien entendu, dans certaines applications, plusieurs antennes selon l'invention pourront être combinées en réseau et réalisées sur une même carte de circuit imprimé. Il sera ainsi possible d'obtenir les formes de lobes souhaitées. [0051] L'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été 5 décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS1) Antenne à fentes intégrée dans une carte de circuit imprimé (1, 1') et comprenant une couche conductrice métallique (17c, CF) ayant une pluralité de fentes (S17), lesdites fentes (S17) formant des ouvertures dans ladite couche conductrice métallique (17, 17c, CF), caractérisée en ce qu'elle comprend une cavité (15, 15') formée dans l'épaisseur de ladite carte de circuit imprimé (1, 1') et située sous ladite pluralité de fentes (S17) de ladite couche conductrice métallique (17c, CF). 2) Antenne à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite cavité (15, 15') 10 comporte une couche de métallisation (16) sur des parois. 3) Antenne à fentes selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite couche conductrice métallique (17a, CF), ayant ladite pluralité de fentes (S17), est supportée sur une couche diélectrique (17a, DF) fermant ladite cavité (15, 15'), ladite couche conductrice métallique (17a, CF) étant disposée à l'extérieur de ladite cavité (15, 15'). 15 4) Antenne à fentes selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite couche conductrice métallique (17b, CF), ayant ladite pluralité de fentes (S17), est supportée sur une couche diélectrique (17b, DF) fermant ladite cavité (15, 15'), ladite couche conductrice métallique (17b, CF) étant disposée à l'intérieur de ladite cavité (15, 15'). 5) Antenne à fentes selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que ladite couche 20 conductrice métallique (CF), ayant ladite pluralité de fentes (S17), et ladite couche diélectrique (DF) sont formées dans une plaque de stratifié de type CCL ou une plaque de type RCC. 6) Antenne à fentes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite couche conductrice métallique (17c, CF), ayant ladite pluralité de fentes (S17), 25 est formée dans une plaque (17, 17a, 17b, 17c) qui est rapportée sur ladite carte de circuit imprimé (1, 1') et ferme ladite cavité (15, 15'). 7) Antenne à fentes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite couche conductrice métallique (17c, CF) et ladite couche de métallisation (16) sont en cuivre. 3062525 8) Carte de circuit imprimé caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une antenne à fentes intégrée (AT) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9) Carte de circuit imprimé selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs dites antennes à fentes (AT), lesdites antennes à fentes étant associées en un 5 réseau d'antennes. 10) Carte de circuit imprimée selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce qu'elle est de type multicouche. 11) Emetteur radio intégré dans une carte de circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un composant électronique (13) 10 implanté au fond de ladite cavité (15, 15') d'antenne à fentes (AT). 12) Emetteur radio selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur (C10) en contact avec ledit composant électronique (13) et ayant pour fonction d'extraire des calories produites par ledit composant électronique (13). 13) Récepteur radio intégré dans une carte de circuit imprimé selon l'une quelconque des 15 revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un composant électronique (13) implanté au fond de ladite cavité (15, 15') d'antenne à fentes (AT). 14) Procédé de fabrication d'une carte de circuit imprimé (1, 1') selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, ledit procédé comportant des étapes de photolithographie et gravure, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de retrait de matière pour former au 20 moins une dite cavité (15, 15') dans ladite carte de circuit imprimé (1, 1'). 15) Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de stratification de plusieurs plaques de circuit imprimé (P1, P2, P3) pour former ladite carte de circuit imprimé (1').