EP1127385B9 - Procede de realisation de recepteurs d'ondes radioelectriques par interconnexion de circuits integres en trois dimensions - Google Patents

Procede de realisation de recepteurs d'ondes radioelectriques par interconnexion de circuits integres en trois dimensions Download PDF

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EP1127385B9
EP1127385B9 EP99950839A EP99950839A EP1127385B9 EP 1127385 B9 EP1127385 B9 EP 1127385B9 EP 99950839 A EP99950839 A EP 99950839A EP 99950839 A EP99950839 A EP 99950839A EP 1127385 B9 EP1127385 B9 EP 1127385B9
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wafers
antenna
receiver
etching
frequency wave
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Xavier Thomson-CSF Prop. Intell. CHAMUSSY
Pascal Thomson-CSF Prop. Intell. BIL
Christian Thomson-CSF Prop. Intell. VAL
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0087—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing antenna arrays
    • H01Q21/0093—Monolithic arrays

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing radio wave receivers by circuit interconnection integrated in three dimensions.
  • GPS Global Positioning System
  • the GPS it is possible to receive, at every moment and anywhere on the earth, by means of a receiver and a antenna, radio signals emitted by at least 6 satellites that allow the user to know his exact position in latitude, longitude and altitude.
  • an on-board GPS allows thanks a transponder to transmit trajectory correction commands to from a ground station, or directly control a system of onboard trajectory correction from the position of the shell and coordinates of an objective.
  • the electronic circuits must be able to operate with very severe acceleration constraints of 15 to 20,000 g for several milliseconds and, on the other hand, the volume occupied by the assembly must be very small for certain types of ammunition. , of the order of a few tens of cm 3 for example.
  • 3D technology of the type of described in the patent FR 2 670 323 and filed in the name of Thomson-CSF, may be considered.
  • the described method consists in carrying out the interconnection of stacked semiconductor pellets each having a circuit integrated.
  • connection pads are each connected to any one of the faces of the stack except one, so-called base which is intended to be in contact with a circuit substrate printed.
  • the formation of the connections of the pellets between them is carried out on the faces of the stack by laser etching.
  • the object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks.
  • the subject of the invention is a production method of a radio wave receiver coupled to a radio antenna stack receipt of semiconductor pellets containing each at least one integrated circuit and having pads of connection for connecting the pellets to one another, characterized in that metallizing the outer surface of the stacked pellets to create a ground plane of the receiver antenna, to cover the plane of mass by a dielectric material, to metallize the surface of the material dielectric and to etch the receiver antenna on the metallized surface obtained.
  • the subject of the invention is also a use of the method of the implementation of a GPS receiver embedded in a munition.
  • the main advantage of the invention is that it allows a implementation of onboard radio wave receivers on board of ammunition that gives them sufficient reliability to withstand the accelerations to which ammunition is subjected.For this fact it allows to ensure greater effectiveness in long-range firing as it is known that in the absence of trajectory correction device, this efficiency decreases very quickly with ammunition range due to errors of accuracy and dispersion.
  • the implementation according to the invention of a wave receiver radioelectric device by stacking semiconductor chips comprising an antenna engraved on the outer surface of the pellets constitutes a good means to constitute an on-board navigation aid system able to locate the ammunition on its trajectory and perform a course correction so that the ammunition can reach its goal.
  • Step 1 consists of producing in a known manner in the form of ASIC chips, English abbreviation for "Application Specific Integrated Circuit” the specific components of the GPS receiver.
  • the wiring of the chips or discrete components is carried out at Step 2 on flexible printed circuits type polyamide, epoxy or still on film according to the method known by the abbreviation Anglo Saxon TAB of "Automated Bonding Tape".
  • these movies can be four, a movie 7 feed, two movies 8 and 9 containing the signal processing electronics and a film 10 for microwave circuits.
  • step 3 The films 7 to 10 are coated in step 3 in a resin epoxy to form pellets.
  • step 3 is also realized the cutting pellets following the shape of the windows of TAB films and stacking them one above the other to form a module
  • the interconnections between each film level can be carried out according to the process described in patent FR 2,670,323 already cited. After metallization of the faces of the pellets, the interconnections between pellets are performed by laser etching and conduction tracks are protected by an insulating deposit. Stacking of the pellets is shown in Figure 3, where the elements homologous to those of the figure 2 are represented with the same references.
  • Plots 11 of connection of the module to an external printed circuit not shown are carried out according to the process known by the abbreviation BGA of "Ball Grid Array. "Outputs 12a, 12b connecting the hyper film to the antenna are also realized.
  • Step 4 consists in carrying out a metallization represented in FIG. 4 of the outer faces of the module composed of pellets stacked according to step 3 to create the ground plane of the antenna.
  • step 5 a deposit shown in FIG. 5 of a high dielectric constant dielectric material is carried out on the faces of the module, this deposit is followed in step 6 by metallization and etching of the antennas 13 a , 13 b as shown in Figure 6.
  • the antennas are preferably etched all around the module so that there is always an active antenna, that is to say capable of receiving data from the GPS satellite network when the ammunition rotate on itself.
  • the 3D technology used allows to consider all types of shapes, and to use compliant antennas or micro-ribbon antennas still known as Anglo-Saxon "patch" whose engraving is performed on the surface of the modules.
  • Figures 6 a to 6c shows different integration solutions capable of satisfying certain volume constraints.
  • FIG. 6 a corresponds to a cubic module embodiment with "patch" antennas arranged on four faces of the cube.
  • Figure 6b corresponds to an embodiment of a cylindrical module with a ribbon antenna arranged in turn.
  • Figure 6C is that of a cylindrical module with conical stranded antenna.
  • FIG. 7 represents a GPS module implemented according to the method of the invention, within an artillery rocket. Following this embodiment the GPS module 14 is placed in the nose of the rocket.It can be seen that its dimension is very small compared to the longitudinal dimension of the rocket which in this example is of the order of 145 mm, its maximum diameter being of the order of 50 mm.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

La présente invention concerne un procédé de réalisation de récepteurs d'ondes radioélectriques par interconnexion de circuits intégrés en trois dimensions.
Elle s'applique notamment à la réalisation de récepteurs connus sous l'abréviation anglo-saxonne GPS de "Global Positioning System",ces récepteurs étant embarqués à bord de munitions de type obus ou missiles pour l'amélioration des tirs. L'invention peut toutefois être étendue à d'autres domaines, chaque fois qu'il y a nécessité d'utiliser un GPS ou un récepteur d'ondes radioélectriques dans un volume réduit où à l'intérieur de mobiles lorsque ceux ci sont soumis à des accélérations et décélérations importantes.
Développé initialement aux Etats-Unis d'Amérique pour des applications de défense en 1973, le GPS a révolutionné le monde de la navigation maritime et aérienne, pour entrer ensuite dans une ère d'application civile et de loisir notamment.
Grâce au GPS il est possible de recevoir, à chaque instant et à n'importe quel endroit sur la terre, au moyen d'un récepteur et d'une antenne, des signaux radios émis par au moins 6 satellites qui permettent à l'utilisateur de connaítre sa position exacte en latitude, longitude et altitude.
Dans le domaine de l'artillerie, un GPS embarqué permet grâce à un transpondeur de transmettre des ordres de correction de trajectoire à partir d'une station au sol, ou de piloter directement un système de correction de trajectoire embarqué à partir de la position de l'obus et des coordonnées d'un objectif.
Cependant plusieurs difficultés s'opposent à cette mise en oeuvre. D'une part, les circuits électroniques doivent pouvoir fonctionner avec des contraintes d'accélération très sévères de 15 à 20 000 g pendant plusieurs millisecondes et d'autre part, le volume occupé par l'ensemble doit pour certains types de munitions être très réduit, de l'ordre de quelques dizaines de cm3 par exemple.
Pour résoudre ces problèmes une intégration en technologie à trois dimensions désignée ci-après technologie 3D, du type de celle décrite dans le brevet d'invention FR 2 670 323 et déposée au nom de Thomson-CSF, peut être envisagée.
Le procédé décrit consiste à réaliser l'interconnexion de pastilles semiconductrices empilées comportant chacune un circuit intégré.
Les pastilles semi-conductrices sont rendues solidaires les unes des autres par des plots de connexion. Les plots de connexion sont chacun reliés à l'une quelconque des faces de l'empilement sauf une, dite base qui est destinée à être en contact avec un substrat de circuit imprimé. La formation des connexions des pastilles entre elles est réalisée sur les faces de l'empilement par gravure laser.
L'application de ce procédé à la réalisation d'un GPS embarqué sur une munition ne permet pas de satisfaire certaines contraintes volumiques, notamment à cause de la forme parallélipipédique des pastilles et de l'antenne qui est connectée à l'extérieur de celles-ci.Ceci a également pour effet de rendre le dispositif ainsi réalisé très vulnérable quand à sa résistance aux accélérations lors du coup d'envoi de la munition.
Le but de l'invention est de palier les inconvénients précités.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un récepteur d'ondes radioélectriques couplé à une antenne de réception par empilement de pastilles semiconductrices contenant chacune au moins un circuit intégré et comportant des plots de connexion pour raccorder les pastilles entre elles, caractérisé en ce qu'il consiste à métalliser la surface extérieure des pastilles empilées pour créer un plan de masse de l'antenne du récepteur, à recouvrir le plan de masse par un matériau diélectrique, à métalliser la surface du matériau diélectrique et à graver l'antenne du récepteur sur la surface métallisée obtenue.
L'invention à également pour objet une utilisation du procédé à la mise en oeuvre d'un récepteur GPS embarqué dans une munition.
L'invention a principalement pour avantage qu'elle permet une mise en oeuvre de récepteurs d'ondes radioélectrique embarqués à bord de munitions qui leur confère une fiabilité suffisante pour résister aux accélérations aux quelles sont soumis les munitions.De ce fait elle permet d'assurer une plus grande efficacité aux tirs de longue portée car il est connu qu'en l'absence de dispositif de correction de trajectoire, cette efficacité diminue très vite avec la portée de la munition en raison des erreurs de justesse et de dispersion.
On sait en effet qu'au- delà de 15 km il y a nécessité de corriger la trajectoire alors que pour mettre à distance de sécurité des unités d'artillerie des contrebatteries adverses il faut actuellement envisager des portées de 35 km. A 35 km l'écart type sur la portée est d'environ 600 m et l'écart type latéral est d'environ 200 m.
Aussi la mise en oeuvre selon l'invention d'un récepteur d'onde radioélectrique par empilement de pastilles semi-conductrices comportant une antenne gravée sur la surface externe des pastilles constitue un bon moyen pour constituer un système d'aide à la navigation embarqué capable de localiser la munition sur sa trajectoire et d'effectuer une correction de trajectoire pour que la munition puisse atteindre son objectif.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront dans la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent :
  • La figure 1 les différentes étapes du procédé selon l'invention sous la forme d'un organigramme.
  • La figure 2 un mode de réalisation de câblage sur film TAB où TAB est l'abréviation anglo-saxonne de "Tape Automated Bounding".
  • La figure 3 un module intégré sans les antennes.
  • La figure 4 un module intégré avec le plan de masse de l'antenne.
  • La figure 5 un module intégré avec substrat de l'antenne.
  • La figure 6 un module GPS intégré en technologie 3D.
  • Les figures 6a, 6b, 6c différents modèles d'intégration.
    • Le procédé selon l'invention se déroule en 6 étapes référencées de 1 à 6 sur la figure 1.
    L'étape 1 consiste à réaliser de façon connue sous forme de puces d'ASIC, abréviation anglo-saxonne de "Application Specific Integrated Circuit"les composants spécifiques au récepteur GPS.
    Le câblage des puces ou des composants discrets est réalisé à l'étape 2 sur des circuits imprimés souples type polyamide, époxy ou encore sur film selon le procédé connu sous l'abréviation anglo saxonne TAB de "Tape Automated Bonding". Pour un récepteur GPS ces films peuvent être au nombre de quatre, un film 7 d'alimentation, deux films 8 et 9 contenant l'électronique de traitement du signal et un film 10 pour les circuits hyperfréquence.
    Les films 7 à 10 sont enrobés à l'étape 3 dans une résine époxy pour former des pastilles. Au cours de l'étape 3 est également réalisé le découpage pastilles suivant la forme des fenêtres des films TAB et leur empilement les unes au dessus des autres pour former un module récepteur.Les interconnexions entre chaque niveau de film peuvent être réalisées suivant le procédé décrit dans le brevet FR 2 670 323 déjà cité. Après métallisation des faces des pastilles, les interconnexions entre pastilles sont effectuées par gravure laser et les pistes de conduction sont protégées par un dépôt isolant. L'empilage des pastilles est représenté à la figure 3, où les éléments homologues à ceux de la figure 2 sont représentés avec les mêmes références. Des plots 11 de raccordement du module sur un circuit imprimé extérieur non représenté, sont réalisés suivant le procédé connu sous l'abréviation BGA de "Ball Grid Array". Des sorties 12a, 12b de connexion du film hyper à l'antenne sont également réalisés.
    L'étape 4 consiste à effectuer une métallisation représentée à la figure 4 des faces extérieures du module composé des pastilles empilées selon l'étape 3 pour créer le plan de masse de l'antenne.
    A l'étape 5 un dépôt représenté à la figure 5 d'un matériau diélectrique à constante diélectrique élevée est effectué sur les faces du module, ce dépôt est suivi à l'étape 6 par une métallisation et une gravure des antennes 13a, 13b comme montré à la figure 6. Les antennes sont de préférence gravées tout autour du module de façon qu'il y ait toujours une antenne active, c'est-à-dire susceptible de recevoir des données du réseau de satellite GPS lorsque la munition fait une rotation sur elle-même.
    Dans son principe la technologie 3D mise en oeuvre permet d'envisager tout type de formes, et d'utiliser des antennes conformes ou des antennes à micro-ruban encore connue sous la désignation anglo-saxonne "patch" dont la gravure est réalisée à la superficie des modules.
    Les figures 6a à 6c montre différentes solutions d'intégration capables de satisfaire certaines contraintes volumiques.
    La figure 6a correspond à une réalisation de module cubique avec antennes "patch" disposées sur quatre faces du cube.
    La figure 6b correspond à une réalisation d'un module cylindrique avec une antenne ruban disposée tout a tour.
    Enfin la réalisation de la figure 6c est celle d'un module cylindro conique avec antenne multibrins.
    La figure 7 représente un module GPS mis en oeuvre selon le procédé de l'invention, à l'intérieur d'une fusée d'artillerie. Suivant ce mode de réalisation le module GPS 14 est placé dans le nez de la fusée.On peut constater que sa dimension est très petite par rapport à la dimension longitudinale de la fusée qui dans cet exemple est de l'ordre de 145 mm, son diamètre maximum étant de l'ordre de 50 mm.
    La description ci-dessus n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif en s'appuyant sur une réalisation de type GPS, il va de soit que l'invention peut également s'appliquer à la miniaturisation de tout type de récepteur d'ondes radioélectriques chaque fois notamment que le récepteur est destiné à fonctionner dans un environnement mécanique sévère, tout en occupant un espace très réduit.

    Claims (9)

    1. Procédé de réalisation d'un récepteur d'ondes radioélectriques couplé à une antenne de réception, par empilement (3) de pastilles semiconductrices contenant chacune au moins un circuit intégré et comportant des plots de connexion pour raccorder les pastilles entre elles, caractérisé en ce qu'il consiste à métalliser (4) la surface extérieure des pastilles empilées pour créer un plan de masse de l'antenne du récepteur, à recouvrir (5) le plan de masse par un matériau diélectrique, à métalliser (6) la surface du matériau diélectrique et à graver l'antenne du récepteur sur la surface métallisée obtenue.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pastilles semiconductrices sont obtenues par câblage de puces électronique sur film TAB suivi d'un enrobage dans une résine époxy.
    3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à empiler les pastilles en les conformant pour former un cube.
    4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à graver des antennes patch sur les faces du cube.
    5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,
         caractérisé en ce qu'il consiste à conformer les pastilles selon un cylindre.
    6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à graver une antenne ruban tout au tour du cylindre.
    7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à empiler les pastilles en les conformant pour former un cône.
    8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il consiste à graver les antennes à la surface du cône.
    9. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 à la mise en oeuvre d'un récepteur GPS embarqué dans une munition ou des récepteurs d'ondes radioélectriques.
    EP99950839A 1998-11-03 1999-10-26 Procede de realisation de recepteurs d'ondes radioelectriques par interconnexion de circuits integres en trois dimensions Expired - Lifetime EP1127385B9 (fr)

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    FR9813814A FR2785452B1 (fr) 1998-11-03 1998-11-03 Procede de realisation de recepteurs d'ondes radioelectriques par interconnexion de circuits integres en trois dimensions
    FR9813814 1998-11-03
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    Publication Number Publication Date
    EP1127385A1 EP1127385A1 (fr) 2001-08-29
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