Claudine VASSEURE 09/01/05

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LES TECHNOLOGIES Sommaire * Introduction * Les lignes de transmission * Les procédés de fabrication * La couche épaisse * La couche mince * Les multicouches LTCC ou HTCC * Les circuits imprimés * Autres procédés industriels

* Introduction

Le choix d'une technologie (structure de guidage) et de son procédé de fabrication est lié à la fonction à réaliser et au niveau d'intégration désiré.

Si le niveau d'intégration n'intervient que très peu sur le choix du type de ligne de transmission (hors multicouches), il ne peut être dissocié du type de substrat et du procédé de fabrication.

Les 3 grands niveaux de complexités des circuits "hybrides" micro-ondes qui sont :

• les MICs (microwave integrated circuit).

• les HMICs ( hybrid MICs ).

• les MHMICs (miniaturized HMICs).

se différencies comme suit : les MICs intègrent des lignes de transmission sur le substrat , les autres éléments (passifs, actifs) étant obligatoirement reportés; les HMICs sont des circuits intégrant les lignes de transmission, les résistances et inductances (hors spirales) et les MHMICs sont les circuits les plus complexes qui autorise l'intégration sur le substrat d'éléments de connexion (croisement par pont à air) et d'éléments passifs, comme l'inductance spirale et la capacité MIM (métal ,isolant ,métal),en plus bien sur des éléments intégrables sur les HMICs. Il est donc évident au vue de ce qui précède que le substrat d'une part, et le procédé de fabrication (couche épaisse ,couche mince...) d'autre part sont liés à la complexité du circuit à réaliser. les grands types de lignes de transmission et les procédés de fabrication permettant la réalisation des circuits des plus simples aux plus complexes sont donnés dans les paragraphes suivants.

* Les lignes de transmission

Dans le domaine des hyperfréquences, l'onde électromagnétique peut se propager à l'intérieur d'un guide d'onde, le long d'un câble coaxial ou le long d'une ligne ou piste gravée sur un substrat.

De manière quasi-universelle, le type de ligne de transmission utilisé pour la réalisation des circuits micro-onde (MIC) est la ligne micro ruban ou ligne microstrip.

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De nombreuses études ont montré qu'un ligne micro ruban est le siège d'une onde se propageant en mode quasi-TEM (Transverse Electro-Magnetic), c'est à dire que les champs magnétique et électrique sont perpendiculaires à l'axe de la ligne transmettant le signal.

L'impédance caractéristique d'une ligne microstrip dépend de ses dimensions et de la nature du substrat isolant. Il existe dans la littérature de nombreuses équations empiriques complexes permettant de calculer l'impédance de la ligne à partir des données géométriques ou inversement de déterminer les dimensions d'un ligne pour une impédance caractéristique donnée.

Les formules les plus précises sont dues à E.O.Hammerstad et ont été publiées en 1975.

Ces formules, très difficilement exploitables à la main ,constituent un outil précieux un fois rentrées dans un tableur type excel. Des courbes ont été élaborées à partir de ces formules et permettent très simplement et rapidement de déterminer les différents paramètres d'une ligne.

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La vitesse de propagation de l'onde électromagnétique dans une ligne microstrip dépend du substrat isolant utilisé.

où C est la vitesse de la lumière dans le vide.

Le rapport des longueurs d'onde (ligne/air)

permet d'obtenir le coefficient de vélocité de la ligne

Ce coefficient , contrairement au cas des câbles coaxiaux dépend des dimensions de la ligne.

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D'autres types de ligne de transmission sont utilisées pour certaines réalisations. Citons la ligne coplanaire, les rubans coplanaires, la ligne à fente (slotline) ou les lignes "enterrées" (stripline ou finline).

Attention: ces types de lignes ne supportent pas tous des modes quasi-TEM et sont donc dispersives en fréquence.

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* Les procédés de fabrication

Il existe différents procédés de fabrication. Tous ces procédés sont en partie liés à l'utilisation d'un substrat donné et au niveau d'intégration choisi.

* La couche épaisse

La technique couche épaisse ou sérigraphie consiste à appliquer sur le substrat une pâte ou encre après avoir masqué les zones du substrat ne devant pas recevoir ce dépôt. Une étape de cuisson à haute température (900 °C) fixe l'encre et doit être réalisée après chaque dépôt de couche.

On peut donc de cette manière déposer successivement des matériaux conducteurs, diélectriques ou isolants.

La sérigraphie est un procédé technologique qui comporte de nombreux avantages :

• densité d'intégration.

• souplesse d'utilisation.

• reproductibilité et fiabilité.

Mais aussi des inconvénients pour certaines applications :

• mauvaise conductivité des encres.

• résolution de gravure moyenne.

se qui entraînent des pertes importantes. La couche épaisse photoimageable ou sérigravure tire à la fois profit de la technique sérigraphie par son aspect multicouche et des avantages de la photolithographie par sa précision et sa qualité de résolution. Cette technique apporte des solutions qui améliorent la possibilité d'intégration des fonctions , grâce aux aspects suivants :

• alignement entre couche.

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• meilleure définition des bords de ligne d'où des pertes plus faibles.

• meilleure résolution des lignes et des fentes.

* La couche mince

L'apport des couches minces en hyperfréquences se situe à 3 niveaux, tous liés à la précision des procédés.

En effet cette technologie permet :

• des dimensions minimales de 10 à 15 µm, compatibles avec la réalisation de motifs fins (ligne haute impédance, coupleurs de lange , selfs spirales large bande).

• une diminution des pertes en ligne grâce à l'utilisation d'or de grande pureté et à l' excellente définition des bords de ligne.

• la réalisation de fonctions passives (capacités, inductances, lignes) avec des caractéristiques précises liées à la qualité des procédés de dépôt et de gravure des matériaux.

Les circuits sont réalisés à partir des techniques suivantes :

• gravure sélective des couches conductrices et résistives.

• gravure ionique (ou gravure sèche).

• dépôt sous vide et dépôt électrolytique.

• photolithographie simple et double face.

• ajustage des résistances.

• découpe et perçage à la scie ou au laser.

Le procédé de fabrication d'un MIC est présenté sur la figure suivante :

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La filière MHMIC correspond à une technologie plus avancée et à un niveau d'intégration plus élevé. Elle complète la filière hybride par l'intégration d'éléments de connexion (ponts à air) et d'éléments passifs (selfs spirales et capacités). Cette filière présente les avantages suivants:

• réduction de la taille et de la masse des circuits.

• meilleure fiabilité des connexions.

• meilleur contrôle des longueurs de connexion donc meilleure reproductibilité.

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La couche mince est un procédé technologique qui comporte de nombreux avantages , mais qui reste par son coût élevé , dédié à à des applications "hautes gammes" (spatial, militaire...).

* Les multicouches LTCC ou HTCC (Low ou High temperature cofired ceramic)

Pour répondre aux exigences de coût, de performances et de complexité, de nouveaux procédés ont été développés pour des applications en bandes millimétriques. Il permettent l'association de fonctions (filtrage, amplification...) sur une surface planaire faite de plusieurs couches (céramique, polymide, téflon..) dans lesquelles les motifs conducteurs et les éléments passifs sont déposés par divers procédés (couche mince, sérigraphie ou sérigravure).Ce procédé permet d'allier différentes technologies de type uni planaire ou à microruban qui, disposées sur plusieurs niveaux peuvent être connectées par trous métallisés ou peuvent être couplées par champs électromagnétiques.

La technologie LTCC ou HTCC apparue vers le début des années quatre vingt dix, utilise un procédé MHMIC couche épaisse.

Plusieurs "céramiques" d'épaisseur et de constante diélectrique différentes permettent de réaliser des circuits complexes de petites tailles. Des circuits pouvant atteindre plus de 15 couches sont produits par cette technique pour des applications jusqu'à 40 GHz. Le procédé de fabrication d'un LTCC et des exemples d'utilisation sont donnés sur les figures suivantes :

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* Circuit imprimé

C'est le procédé technologique le plus utilisé.

Ce procédé utilisable exclusivement sur substrats "organiques" a de nombreux avantages :

• facilité de mise en oeuvre.

• coût de la réalisation de circuit faible (comparativement aux autres procédés).

• possibilité de multicouches.

Mais ses inconvénients restent nombreux :

• intégration minimum.

dimensions élevées > 50µm.

La figure suivante donne le procédé le plus simple pour réaliser un circuit passif ou de liaison.

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cette technique d'élaboration de circuit peut être remplacée dans certain cas (prototype) par une méthode de gravure mécanique. Il s'agit à partir d'un substrat préalablement métallisé de retirer mécaniquement à l'aide de divers outils le cuivre non désiré sur le circuit. Pour des informations sur ce procédé contacter les sociétés T-Tech ou LPKF

Vous trouverez dans les tableaux suivants les performances des procédés technologiques décrits précédemment.

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* Autres procédés industriels

Nous citerons deux autres procédés utilisés pour des applications bien différentes.

- Le procédé par pressage à chaud de mousse ou "filière mousse" est apparu suite à une demande des industriels concernant l'abaissement des coûts de fabrication des circuits pour les applications grand public. Les très bonnes caractéristiques électriques de la mousse et des films de scellement permettent l'obtention de circuits faibles pertes (notamment les antennes plaquées) jusqu'en bande millimétrique .

- Le dernier procédé se rapproche plus de la microélectronique "classique" (circuit intégré) que les autres procédés. Les éléments sont réalisées sur un substrat en semi-conducteur préalablement recouvert d'un diélectrique. Le substrat est ensuite gravé en face arrière .

- Cette filière du type "membrane" présente de nombreux avantages pour des applications en ondes millimétriques dont ceux de limiter les pertes et d'éviter l'apparition de modes parasites. Le coût de cette technologie sur semi-conducteur étant élevé, un procédé faible coût a été élaboré en utilisant des moyens de fabrication "standards" .

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La technologie "membrane polymère" s'avère particulièrement attractive puisqu'elle est compatible avec la filière "mousse". Par ailleurs, l'embase cuivrée assure une certaine robustesse au dispositif et facilite sa connexion et sa mise en boîtier.