EP2430701A1 - Composant miniature hyperfrequences pour montage en surface - Google Patents

Composant miniature hyperfrequences pour montage en surface

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EP2430701A1
EP2430701A1 EP10714320A EP10714320A EP2430701A1 EP 2430701 A1 EP2430701 A1 EP 2430701A1 EP 10714320 A EP10714320 A EP 10714320A EP 10714320 A EP10714320 A EP 10714320A EP 2430701 A1 EP2430701 A1 EP 2430701A1
Authority
EP
European Patent Office
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integrated circuit
microwave
chip
electrical
dielectric material
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10714320A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre-Franck Alleaume
Claude Toussain
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
United Monolithic Semiconductors SAS
Original Assignee
United Monolithic Semiconductors SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by United Monolithic Semiconductors SAS filed Critical United Monolithic Semiconductors SAS
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    • H05K2201/10621—Components characterised by their electrical contacts
    • H05K2201/10727—Leadless chip carrier [LCC], e.g. chip-modules for cards

Definitions

  • the invention relates to electronic components operating at millimeter frequencies having a contactless electromagnetic access.
  • the relative speed and distance information is transmitted to a central unit of the system which ensures, for example, maintaining the vehicle at a determined distance from the objects or relative to another mobile traveling on the same road.
  • the purpose of these systems using car radars is to provide, at first, a driving comfort with servo functions of the speed of the vehicle compared to another vehicle the previous one, but also to ensure a warning of potential dangers.
  • these systems using automotive radars include elementary functions of frequency generation, transmission and reception of microwave waves.
  • the electronic processing of the millimeter-frequency signals comprises a low-frequency processing part that can be implemented by integrated silicon circuits mounted on printed circuits. This part can be achieved by very widespread technologies and low cost, with simple connections to be made between circuit elements on the same integrated circuit chip or between different chips integrated circuit.
  • the treatment also includes a very high frequency portion (greater than 45 GHz), which can be implemented only by components and integrated circuits made of semiconductor materials suitable for microwave frequencies (gallium arsenide GaAs and its derivatives in particular, or still SiGe). These integrated circuits are called MMICs for "microwave monolithic integrated circuits". This very high frequency part poses implementation problems and is generally expensive.
  • encapsulated components are made in a metal housing with a large number of MMIC chips, the amount of circuit elements that can be put in the same chip is much more limited for the MMIC circuits than for the Low-frequency silicon circuits. These chips are mounted on a substrate with interconnections that are difficult to produce and therefore expensive given the very high frequencies that are used.
  • Mounting chips on a hybrid substrate is itself very expensive when the chips are numerous. These components include, especially in the case of automotive applications, non-contact electromagnetic coupling for the transmission and reception of waves.
  • This housing includes a conductive cover (metal or metal cover) which encloses the propagation lines of the signals from the chip or going to the chip.
  • the conductive cover is located above the non-contact external access, at a distance such that it constitutes (at the main frequency of work for which the component is designed) a electromagnetic short circuit favoring free propagation signal transmission through this access.
  • the accesses to the working frequency FO are transitions by electromagnetic coupling in the air (or in a gas or in a vacuum or in any low-loss dielectric material), and in particular conducting elements able to radiate to a waveguide placed opposite these elements, or capable of receiving electromagnetic radiation at the output of a waveguide in front of which they are placed.
  • the casing in which the MMIC chips are enclosed has a non-conductive portion facing these conductive elements so as to let the electromagnetic energy pass between the guide and the conductive elements.
  • Figure 1 shows a microwave component of the state of the art for automotive applications described in French Patent No. 02 14684.
  • the component of FIG. 1 is encapsulated in a housing 10 comprising an electromagnetic access 12 without contact and comprises a metal base 14, serving as a substrate on which is directly transferred, by its rear face 1 6, a microwave chip MMIC 18, a substrate double-sided ceramic 20 for the interconnections inside the housing and towards the outside of the housing, and a metal or metal cover 19 covering the base for enclosing, between the base and the cover, the chip and the ceramic substrate 20
  • the MMIC chip 18 is soldered or glued directly onto the base 14.
  • the ceramic substrate 20 is preferably a metallized substrate on its two faces 24, 26 comprising metallizations 30 on its front face 24 to form transmission lines, FIG. metallizations 32 on its rear face 26 to form a ground plane.
  • the dimensions of the different dielectric and conductive parts are such that the component functions correctly at the working frequency considered FO (77 GHz).
  • the metallizations 30 and 32 serve firstly to establish interconnections between chips and secondly to establish external accesses of the housing.
  • the contactless electromagnetic access 12 of the component of FIG. 1 comprises an electromagnetic coupling transition enabling to pass the signal at the frequency of 77GHz without contact of a waveguide to the MMIC chip 18 or vice versa.
  • This transition by electromagnetic coupling is preferably via an opening 36 in the housing 10, and more precisely in the metal base 14.
  • the substrate 20 comprises a radiating element 38 communicating, for example, with a waveguide placed in front of the opening 36, the radiating element acting as an element for receiving and transmitting an incoming or outgoing electromagnetic wave in the housing.
  • the electrical connections between the substrate 20 and the chip 18 are made by wire wiring.
  • the component comprises other accesses 44 operating at frequencies lower than those of the microwave access.
  • the MMIC chip is also connected to these other ports 44 by a wired wiring 46.
  • the connection of the component with another similar component or with a different component mounted on a conventional printed circuit is performed by the other ports 44.
  • FIGS. 2a and 2b respectively show a sectional view and a plan view of another embodiment of a miniaturized microwave component for surface mounting described in French Patent No. 4,135,883.
  • the component of FIGS. 2a and 2b comprises a MMIC chip 60 encapsulated in a housing 61 having access 62 by electromagnetic coupling without contact.
  • the MMIC chip 60 has an active face 64 and a rear face 66, opposite to the active face; the two faces 64, 66 are metallized.
  • the active face 64 comprises electronic components 68 and electrical conductors 70, 72 of the active face.
  • the rear face 66 comprises electrical conductors of the rear face and among these conductors of the rear face a conductor forming a ground plane 74.
  • the housing 61 comprises a metal base 80 serving as a substrate on which is directly transferred the MMIC chip 60 by its rear face 66, the base having an opening 82 for the passage of electromagnetic waves received or emitted by the integrated circuit forming with a metal cap 84 reported on the metal base, the access 62 by electromagnetic coupling without contact.
  • the MMIC chip 60 has, on the side of one of its ends, a transfer zone 90 on the metal base 80 of the housing and, on the side of another end opposite the first, an electromagnetic transition zone 92 at the the access 62 by electromagnetic coupling, for example with a waveguide.
  • the rear face 66 of the chip, at the transition zone 92, has no metallization to allow the passage of electromagnetic waves through the access 62 without contact.
  • the transition zone 92 of the chip preferably comprises, on the active face 64, an electrical coupling conductor 96 connected to a microstrip line 98 of the chip formed by a conductor of the active face and the ground plane 74 of the face. back.
  • the electromagnetic access 62 of the housing provides a contactless transition of the microwave signals between the component and a waveguide coupled to the component.
  • the contactless access 62 is made, in this example of FIGS. 2a and 2b, by the metal cover 84 and the opening 82 in the metal base forming a waveguide at the operating frequency FO of transmission / reception. of the integrated circuit 60.
  • the dimensions of the various dielectric and conductive parts of the housing are such that the component operates correctly at the working frequency FO considered (77 GHz).
  • the housing comprises, on the side of the metal base 80, in addition to the electrical ground conductor 82, electrical pads 1 10 for the interconnection of the integrated circuit with other electronic components via a substrate of interconnection.
  • connection son 1 12 The electrical conductors 72 of the active face of the chip, for others access to the chip, are connected by connection son 1 12 to the electrical pads of the housing. These other accesses by contact are intended to transmit to the chip: signals at the sub-harmonic frequencies of the working frequency FO (77 GHz), control signals, power supplies.
  • the housing is closed by a molding 1 14 of dielectric material covering the active surface of the integrated circuit and revealing the transfer surface of the housing comprising the electric transfer pads.
  • the dielectric material fills the electromagnetic access 62 without contacting the housing, but in other embodiments, the space between the hood and the metal base may contain a gas surrounding the component, for example air.
  • the invention makes it possible to reduce the production costs of electromagnetic coupling contactless microwave components by proposing a miniature microwave component comprising:
  • a MMIC microwave chip encapsulated in an individual surface-mount package, the chip having an active face comprising electronic elements and electrical conductors of the active face and a rear face opposite to the active face,
  • At least one non-contact microwave access by electromagnetic coupling, for the communication of electrical signals between the inside and the outside of the housing comprising an opening transparent to the electromagnetic waves ensuring the transmission of coupling signals at a working frequency FO, characterized in that it comprises a passive multilayer integrated circuit having metallized layers and layers of dielectric material, an upper face, a metallized lower face, the metallised lower face having, on the non-contact microwave access side, an opening in the metallization for the passage of electromagnetic coupling waves by the contactless microwave access and, between two layers of dielectric material, a metallized layer having at least one least one electromagnetic coupling electrical conductor connected to the electronic elements of the chip, said electrical coupling conductor being located facing the contactless microwave access to ensure the transmission of microwave signals by electromagnetic coupling to the working frequency FO.
  • the component comprises a contact microwave access of a frequency lower than the working frequency FO.
  • the frequency below the working frequency of the contact microwave access is a subharmonic frequency FO / n of the working frequency FO, where n is a number greater than or equal to 2.
  • the component comprises a metal base having an inner face, an outer face, an opening in the base forming the contactless microwave access, the microwave chip and the passive multilayer integrated circuit being carried on the inner face of the said metal base (Fig. 3, 4, 7, 8).
  • the metallization of the lower face of the multi-layer integrated circuit forms a ground plane of the housing (Fig. 5, 6).
  • the multilayer integrated circuit comprises a cavity in its central part revealing the metallization of its lower face, the chip, housed in the cavity of the multilayer integrated circuit. passive being deferred, by its rear face, on the metallization of the underside of said multilayer integrated circuit. (Fig. 5)
  • the passive multilayer integrated circuit comprises, between a first and a second layer of dielectric material, in addition to the electrical coupling conductor, electrical conductors for carrying the chip on the multilayer passive integrated circuit, a cavity in the portion central of the passive multilayer integrated circuit revealing said so-called electrical conductors of the chip. (Fig. 6)
  • the passive multilayer integrated circuit comprises, between a first and a second layer of dielectric material, in addition to the electrical coupling conductor, electrical conductors for carrying the chip, the second and third layers of partially overlapping dielectric material. , on the side of the opening in the metallization of the lower face of the multilayer integrated circuit, the first layer of dielectric material revealing the electrical conductors of the chip on said first layer of dielectric material.
  • the multilayer integrated circuit comprises, between the lower face and the upper face, a first, a second and a third layer of dielectric material, between the first and second layers of dielectric material, a first metal layer comprising minus the electromagnetic coupling electrical conductor, between the second and the third layer of dielectric material at the opening of the metallization of the lower face of the multilayer integrated circuit, another metallic layer forming a reflective plane for the electromagnetic waves in the microwave access without contact.
  • an electromagnetic coupling electrical conductor and a ground plane of the passive multilayer integrated circuit form a slot antenna favoring the transmission of the working frequency through the contactless microwave access.
  • the electrical coupling conductor is electrically connected to the chip by a microsthp line formed by an electrical conductor of the metal layer having the electrical coupling conductor and the metallized underside of the multilayer integrated circuit.
  • the MMIC chip and the multilayer integrated circuit are protected by a coating resin that closes the component housing.
  • the chip (MMIC) 100 is interconnected to the multilayer integrated circuit by electrical leads.
  • the chip (MMIC) 100 is interconnected to the multilayer integrated circuit by metal pads.
  • a main objective of the microwave component according to the invention is to reduce the cost of manufacturing microwave systems and simplify their manufacture.
  • a second objective is to be able to use a manufacturing technology of the microwave component very close to the technologies currently used for large volume manufacturing, for example, those used for components in plastic housing. For this, collective assembly methods, in particular during the transfer steps, cabling the chip, as well as closing the box are used.
  • Another objective of the component is its compatibility with surface mount techniques, which represents a major advantage for applications at such millimeter frequencies.
  • the electrical coupling conductor at the contactless access serves as an electromagnetic sensor coupled with a waveguide outside the housing.
  • the housing preferably comprises, in addition to a contactless access capable of effective electromagnetic coupling at more than 45 GHz (at least up to 120 GHz), an access by incapable contact to work effectively at a frequency Fc greater than 45 GHz but designed to work at least this frequency Fc less than the working frequency.
  • This frequency Fc could be, for certain applications, a subharmonic frequency FO / n of the working frequency FO.
  • Access unable to work at 77 GHz but capable of working up to 40 GHz or a little more, is connected to the chip by electrical conductor wire or metal pad through micro-ribbon or coplanar propagation lines.
  • FIG. 1, already described, represents a microwave component of the state of the art
  • FIG. 2 already described, represents another microwave component of the state of the art
  • - Figures 3a and 3b respectively show a top view and a sectional view of a first embodiment of the microwave component according to the invention
  • FIGS. 4a and 4b show a variant of the component of FIGS. 3a and 3b; - Figures 4c and 4d show the component of Figure 4a carried on a printed circuit;
  • FIGS. 5a and 5b show an alternative of the component of FIGS. 4a and 4b;
  • FIGS. 5c and 5d show the component of FIG. 5a plotted on a printed circuit;
  • FIGS. 6a and 6b show a variant of the component of FIGS. 5a and 5b;
  • Figures 6c and 6d show the microwave component of Figures 6a and 6b assembled on a printed circuit board by a surface mounting technique
  • FIGS. 7a and 7b show an evolution of the component represented by FIGS. 6a and 6b having a metal base under the multilayer passive integrated circuit as shown in FIGS. 4a and 4b; - 7c and 7d shows the microwave component of Figures 7a and 7b assembled on a printed circuit board and;
  • Figures 8a and 8b show an evolution of the component shown in Figures 7a and 7b.
  • the component according to the invention comprises a microwave chip (MMIC) 100, such as that used for the embodiments of housings of the state of the art of FIG. 1, having an active face 102 having active elements and a rear face 104 of the chip and, according to a main feature of the component according to the invention, a passive multilayer integrated circuit 120 forming an electromagnetic coupling element of the component with the outside.
  • MMIC microwave chip
  • the passive multilayer integrated circuit 120 and the chip 100 are encapsulated in a plastic housing 122 having a microwave access 124 without electromagnetic coupling for operating at a working frequency FO.
  • the component of FIG. 3a comprises a metal base 134 having an inner face 135 and an outer face 137 for the transfer of the component onto a printed circuit.
  • the metal base 134 has an opening 138 forming the contactless microwave access 124 of the microwave component.
  • the passive multilayer integrated circuit 120 has an upper face 128 and a lower face 130 and, between the lower face 130 and the upper face 128, a first 140, a second 142 and a third 144 layers of dielectric material.
  • the chip 120 are reported, the chip by its rear face 104 and the multilayer integrated circuit by its lower face 130, on the inner face 135 of the metal base 134 of the microwave component.
  • the passive multilayer integrated circuit 120 further comprises metal layers, a first metal layer 146, between the first and second layers.
  • the second layer 142 of dielectric material comprising at least one electromagnetic coupling conductor 148, for transmitting microwave signals by electromagnetic coupling to the working frequency FO and, between the second 142 and the third 144 layer of material dielectric, another metallic layer 150 forming a reflective plane for the electromagnetic waves in the contactless microwave access 124.
  • the electromagnetic coupling electrical conductor 148 is connected to the electronic elements of chip 100 via a microstrip line 154 formed by a ground plane of the lower face.
  • the electrical conductor 148 for coupling the passive multilayer integrated circuit 120 allows the excitation of a waveguide at the opening 136 of the metal base 134 of the component.
  • the microwave chip (MMIC) 100 is connected, on the one hand, to low-frequency accesses of the housing 122 in the form of metal pins 160 of the component and, on the other hand, to the microstrip line 154 of the multilayer integrated circuit 120 connected to the electrical conductor 148 coupling, through son 180 electrical conductors welded to metal pads 182 of the chip 100.
  • the passive multilayer integrated circuit 120 and the chip 100 are transferred to the inner face 135 of the metal base 134 by means of a bonding layer 190.
  • the microwave component is covered with a coating resin 192 providing the final mechanical protection of the component and its encapsulation in the form of the housing 122.
  • the chip 100 in this embodiment can provide various functions of an automobile radar such as, reception and emission, generation of local oscillators and mixing to provide an intermediate frequency
  • the metal pads 160 carry, in this case, low frequencies.
  • Figures 4a and 4b show a variant of the component of Figures 3a and 3b.
  • the housing 122 includes another microwave access 200 by contact with a transfer circuit of the component using mass production technologies.
  • the contact microwave access 200 in the form of a metal stud 160 of the housing, is incapable of working at the working frequency
  • a microwave access of the chip 100 is connected to the access 200 of the housing, capable of working at FO / n, by an electrical conductor wire 180.
  • FIGS. 3a, 3b, 4a, 4b can then be assembled on a printed circuit board 204 by a surface mounting technique.
  • Figures 4c and 4d show the component of Figure 4a shown on a printed circuit by surface mounting techniques.
  • the printed circuit board 204 integrates different conductors 208, 212 for routing the electrical signals to the box 122.
  • the interconnection of the conductors 208 and the ground returns 212 are provided by metallized holes 214.
  • the electromagnetic signal at the frequency FO couples to a waveguide through an opening 216 through the printed circuit board 204 from the coupling conductor 148 integrated in the microwave component of Figure 4a.
  • the cavity of the housing 122 of the component reported on the printed circuit 204 is shown in FIG. 4d.
  • FIGS. 5a and 5b show an alternative of the component of FIGS. 4a and 4b.
  • a passive multilayer integrated circuit 220 is encapsulated in a microwave package 222 having the electromagnetically-coupled non-contact microwave access 124 intended to operate at the working frequency FO.
  • the passive multilayer integrated circuit 222 comprises three layers of dielectric material, the first 140, the second 142 and the third 144 layers, an upper face 224 and a lower face 225 of the multilayer integrated circuit having a metallization 226 of sufficient thickness to form a ground plane.
  • 5a and 5b further comprises a cavity 228 in its central part revealing the metallization 226 of its rear face 225.
  • the chip 100 housed in the cavity 228 of the passive multilayer integrated circuit 220 is carried, by its rear face 104, on the metallization 226 of the lower face 225 of said multilayer integrated circuit 220.
  • the metallization 226 of the lower face 225 of the passive multilayer integrated circuit 220 makes, in this embodiment, office metal base of the microwave component for its surface transfer of a printed circuit.
  • the multilayer integrated circuit 220 comprises, on the non-contact microwave access side 124, between the first 140 and the second dielectric material layer 142, the electrical coupling conductor 148 and, between the second 142 and the third 144 layer, the other metal layer 150 forming a reflective plane for the electromagnetic waves in the contactless microwave access 124.
  • the chip 100 is transferred to the metallization 226 passive multilayer integrated circuit by a bonding layer 230.
  • the electrical conductors of the active face 102 of the chip 100 are connected by the electrical wires 180 to the electrical conductors of the passive multilayer integrated circuit 220 and to the electrical pads 182 of the chip.
  • the cavity 228 of the multilayer integrated circuit 220, in which the chip 100 is placed, is closed by a protective resin 234.
  • the metallization 226 forming the ground plane of the passive multilayer integrated circuit 220 has an opening 236 at the level of the access
  • the outer face of transfer on a printed circuit of the component of FIGS. 5a and 5b also integrates the metal pads 160 making it possible to connect the component to the external system at low frequencies.
  • connection between these pads 1 60 and the electrical conductors of the passive multilayer integrated circuit 220 is by means of metallized holes 238.
  • FIGS. 5c and 5d show the component of FIGS. 5a and 5b reported by a surface assembly technique on a printed circuit board 240 incorporating different conductors 242 which can be connected to each other or to a mass 244 of the printed circuit 240 by metallized holes. 246.
  • the working signal at the frequency FO couples to a waveguide via the coupling conductor 148 of the component reported on the printed circuit through an opening 248 in said printed circuit.
  • FIG. 5d shows the impression of the component of FIGS. 5a and 5b as it appears on the printed circuit 240.
  • FIGS. 6a and 6b show a variant of the component of Figures 5a and 5b.
  • FIGS. 6a and 6b show a component comprising two microwave accesses, contactless access 124 and contact access 200.
  • a passive multilayer integrated circuit 250 such as that of the embodiment of FIGS. 5a and 5b encapsulated in a housing 252 comprises the three layers of material dielectric, the first 140, the second 142 and the third 144 layers, the upper face 224 and the lower face 225 of the multilayer integrated circuit 250 having the metallization 226 of sufficient thickness to form a ground plane.
  • the passive multilayer integrated circuit 250 comprises, between the first 140 and the second 142 layers of dielectric material, in addition to the electrical coupling conductor 148, electrical conductors 254 for the transfer of the chip 100 by its active face 102.
  • a cavity 256 in the central homeland of the passive multilayer integrated circuit 250 reveals said electrical conductors 254 for the transfer of the chip 100 on the multilayer passive integrated circuit 250.
  • the passive multilayer integrated circuit 250 comprises metallized holes 260, 224 connecting the electrical conductors 254, 262 for the transfer of the chip to the passive multilayer integrated circuit 250 to the electrical conductors 160 for carrying the microwave component by means of electrical conductors 262. of the passive multilayer integrated circuit.
  • the chip 100 housed in the cavity 256 of the passive multilayer integrated circuit 250, is carried by its rear face 102 on the electrical conductors 254 for the transfer of the chip, by metal studs 264. These metal studs 264 provide the electrical and mechanical connection from chip 100 to passive multilayer IC 250.
  • the chip 100 may be carried by its active face 104 on the electrical conductors 254, 262 for carrying the chip.
  • This configuration is commonly called "Flip-Chip" in English.
  • the active face 104 of the chip 100 then directly faces the electrical conductors 254 of the chip 100 carried in the cavity 256 of the multilayer passive integrated circuit 252.
  • the connection between the conductors of the chip 100 and the electrical conductors 254, 262 of the transfer of the chip 100 being done by the metal studs 264.
  • the metallization 226 forming the ground plane of the lower face 224 of the passive integrated circuit 250 functions, as in the embodiment of FIGS. 5a and 5b, of the base of the component for its surface transfer of a printed circuit.
  • the electrical coupling conductor 148 is thus connected to the microwave access of the chip 100 operating with the signal at the working frequency FO with a much smaller electrical length than in the case of an electrical wire connection. This promotes the operation of the component at very high frequencies FO.
  • the contact access 200 by the metal post 1 60 of the microwave component is connected wirelessly to the chip
  • the metallization 226 of the multilayer integrated circuit 250 also includes the opening 136 for transmitting the signal at the operating frequency FO to the external system.
  • the MMIC chip 100 is protected by a coating resin 266 closing the component casing.
  • Figures 6c and 6d show the microwave component of Figures 6a and 6b assembled on a printed circuit board 270 by a surface mounting technique.
  • This card 270 integrates in particular a waveguide opening
  • FIG. 6d shows the imprint of the component of FIGS. 6a and 6b as it appears on the printed circuit 270.
  • FIGS. 7a and 7b show an evolution of the component represented by FIGS. 6a and 6b comprising a metal base under the multilayer passive integrated circuit as shown in FIGS. 4a and 4b.
  • a housing 278 comprises a passive multilayer integrated circuit 280 having the three layers of dielectric material, the first 140, the second 142 and the third 144 layers, an upper face 282 and a face lower 284 metallized.
  • the multilayer integrated circuit 280 is transferred to a metal base 286.
  • the multilayer integrated circuit 280 comprises, between the first 140 and the second dielectric material layer 142, in addition to the electrical coupling conductor 148, the electrical conductors 254 for carrying the chip 100 by its active face 102 such as those of the embodiment of Figures 6a and 6b.
  • the second 142 and third 144 layers of dielectric material partially cover, on the side of the contactless access 124 of the component, the first layer 140 of dielectric material revealing the electrical conductors 254 of the chip 100 on said first layer 140 of dielectric material.
  • FIGS. 7a and 7b makes it possible to reduce and simplify the definition of the lower face of the passive multilayer integrated circuit 280.
  • connections of the MMIC chip 100 carried on the multilayer integrated circuit 280 comprising low frequency electrical conductors
  • the contactless access for coupling the component at the frequency FO to the external system is achieved by an opening 243 in the metal base 286 of the microwave component and an opening 136 facing the metallization of the lower face.
  • passive multi-layer integrated circuit 280 enabling electromagnetic coupling with the exterior of the component by the integrated coupling conductor 148.
  • the basic frequency signals are injected into the component by access pads 1 60 made at the metal base 286. These access pads 1 60 are connected to the electrical conductors of the passive multilayer integrated circuit by electrical conductors 180.
  • FIGS. 7a and 7b The component of FIGS. 7a and 7b is encapsulated by a coating of a protective resin 292.
  • the chip 100 can be transferred by its active face 104 to the electrical conductors 254 for carrying the chip.
  • This configuration is commonly called "Flip-Chip" in English.
  • the active face 104 of the chip 100 then directly faces the conductors 254, 284 of the chip carried out on the integrated circuit multilayer passive 280.
  • the connection between the conductors of the chip 100 and the conductors 254 of the chip is carried by the metal pads 264.
  • Figures 7c and 7d show the microwave component of Figures 7a and 7b assembled on a printed circuit board.
  • FIG. 7c shows the assembly of the component of FIGS. 7a and 7b on a printed circuit board 294 integrating in particular, as in the other cases, an opening 296 for coupling to an external system, at the operating frequency FO.
  • Figure 7c shows the footprint of the component of Figures 7a and 7b as it appears on the printed circuit 294.
  • Figures 8a and 8b show an evolution of the component shown in Figures 7a and 7b.
  • FIGS. 8a and 8b The component of FIGS. 8a and 8b is identical in all respects to that of FIGS. 7a and 7b, only the connection of the passive multi-layer integrated circuit 280 to the metal base 286 is ensured by gluing or soldering 298 at the low-frequency connections 160 of the housing. This eliminates the wiring son 180 shown in Figure 7a and 7b to increase the maximum frequency of the low frequency access by the pins 160 of the component.
  • the microwave component is compatible with Surface Mount Technology (CMS) including applications above 45 GHz.
  • CMS Surface Mount Technology

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un composant miniature hyperfréquences comportant : - une puce hyperfréquence MMIC (100) encapsulée dans un boîtier individuel (222) pour montage en surface capable de fonctionner à une fréquence F0 très supérieures à 45GHz; - au moins un accès hyperfréquence sans contact (124), par couplage électromagnétique assurant la transmission de signaux de couplage à une fréquence de travail F0, Le composant comporte un circuit intégré multicouches passif (220) ayant des couches métallisées et des couches en matériau diélectrique (140, 142, 144), une face supérieure (224), une face inférieure (225) métallisée, la face inférieure métallisée comportant, du côté de l'accès hyperfréquence sans contact (124), une ouverture (236) dans la métallisation pour le passage des ondes électromagnétiques de couplage par l'accès hyperfréquence sans contact et, entre deux couches de matériau diélectrique, une couche métallisée (146) ayant au moins un conducteur électrique (148) de couplage électromagnétique connecté aux éléments électroniques de la puce (100), ledit conducteur électrique de couplage (148) étant situé au niveau de l'accès hyperfréquence sans contact (124) pour assurer la transmission de signaux hyperfréquences par couplage électromagnétique à la fréquence de travail F0. Applications : radars automobiles, communications à haut débit.

Description

COMPOSANT MINIATURE HYPERFREQUENCES POUR MONTAGE EN SURFACE
L'invention concerne les composants électroniques fonctionnant à des fréquences millimétriques comportant un accès électromagnétique sans contact.
Ces types de composants électroniques comportant au moins une puce (ou circuit intégré) fonctionnant à des fréquences millimétriques ont des applications notamment dans le domaine des radars pour automobile. Dans ces types d'applications, une onde électromagnétique est émise à une fréquence millimétrique, l'onde réfléchie par un obstacle est reçue par une antenne pour extraire de cette onde des informations de distance, d'une part, et de vitesse relative, d'autre part, entre cet obstacle et la source qui a émis l'onde. A cet effet le véhicule est équipé d'un système comportant des radars positionnés tout autour du véhicule permettant la détection d'objets. Des radars longue portée, fonctionnant par exemple à 77GHz sont positionnés à l'avant du véhicule et des radars courte portée, fonctionnant à 24 GHZ et 79 GHz sont positionnées à l'arrière et sur les cotés du véhicule.
Les informations de vitesse relative et distance sont transmises à une unité centrale du système qui assure, par exemple, le maintient du véhicule à une distance déterminé par rapport aux objets ou par rapport à un autre mobile circulant sur la même route. L'objectif de ces systèmes utilisant des radars pour automobile est d'apporter, dans un premier temps, un confort de conduite avec des fonctions d'asservissement de la vitesse du véhicule par rapport à un autre véhicule le précédent, mais aussi d'assurer un signalement de dangers potentiels. D'une façon générale ces systèmes utilisant des radars pour automobile comportent des fonctions élémentaires de génération de fréquence, d'émission et de réception d'ondes hyperfréquences.
Les composants fonctionnant à des fréquences millimétriques peuvent également être utilisés pour des applications de communication à courte distance et très haut débit. Quelle que soit l'application, le traitement électronique des signaux à fréquence millimétrique comprend une partie de traitement à basse fréquence pouvant être mise en œuvre par des circuits intégrés en silicium montés sur des circuits imprimés. Cette partie peut être réalisée par des technologies très largement répandues et à faible coût, avec des connexions simples à réaliser entre éléments de circuits sur une même puce de circuit intégré ou entre différentes puces de circuit-intégré. Le traitement comprend aussi une partie à très haute fréquence (supérieure à 45 GHz), ne pouvant être mise en œuvre que par des composants et des circuits intégrés en matériaux semi-conducteurs adaptés aux hyperfréquences (arséniure de gallium GaAs et ses dérivés notamment, ou encore SiGe). Ces circuits intégrés sont appelés MMIC pour "microwave monolithic integrated circuits". Cette partie très haute fréquence pose des problèmes de réalisation et s'avère en général coûteuse. Pour des fonctions relativement complexes, on réalise des composants encapsulés dans un boîtier métallique comportant un nombre important de puces MMIC, la quantité d'éléments de circuit qu'on peut mettre dans une même puce étant beaucoup plus limitée pour les circuits MMIC que pour les circuits basse-fréquence au silicium. Ces puces sont montées sur un substrat comportant des interconnexions difficiles à réaliser et donc coûteuses compte-tenu des fréquences très élevées auxquelles on travaille.
Le montage des puces sur un substrat hybride (montage en général avec câblage filaire pour relier les puces au substrat hybride) est lui-même très coûteux lorsque les puces sont nombreuses. Ces composants comportent, notamment dans le cas d'applications pour l'automobile, des accès sans contact par couplage électromagnétique pour l'émission et la réception des ondes.
La transmission par couplage électromagnétique à ces très hautes fréquences est assurée en utilisant les propriétés de propagation guidée des signaux électromagnétiques à l'intérieur du boîtier et surtout entre l'intérieur et l'extérieur. Ce boîtier comprend notamment un capot conducteur (capot métallique ou métallisé) qui enferme les lignes de propagation des signaux issus de la puce ou allant vers la puce. Le capot conducteur est situé au- dessus de l'accès extérieur sans contact, à une distance telle qu'il constitue (à la fréquence principale de travail pour laquelle le composant est conçu) un court-circuit électromagnétique favorisant la transmission de signal en propagation libre par cet accès.
Les accès à la fréquence de travail FO sont des transitions par couplage électromagnétique dans l'air (ou dans un gaz ou dans le vide ou encore dans n'importe quel matériau diélectrique à faible pertes), et notamment des éléments conducteurs capables de rayonner vers un guide d'onde placé en regard de ces éléments, ou capables de recevoir un rayonnement électromagnétique en sortie d'un guide d'onde devant lequel ils sont placés. Le boîtier dans lequel sont enfermées les puces MMIC comporte une partie non conductrice en regard de ces éléments conducteurs de manière à laisser passer l'énergie électromagnétique entre le guide et les éléments conducteurs.
La figure 1 représente un composant hyperfréquences de l'état de l'art pour des applications automobile décrit dans le brevet Français n° 02 14684.
Le composant de la figure 1 est encapsulé dans un boîtier 10 comportant un accès électromagnétique 12 sans contact et comporte une embase métallique 14, servant de substrat sur lequel est directement reporté, par sa face arrière 1 6, une puce hyperfréquence MMIC 18, un substrat céramique double face 20 servant aux interconnexions à l'intérieur du boîtier et vers l'extérieur du boîtier, et un capot métallique ou métallisé19 recouvrant l'embase pour enfermer, entre l'embase et le capot, la puce et le substrat de céramique 20. La puce MMIC 18 est soudée ou collée directement sur l'embase 14. Le substrat céramique 20 est de préférence un substrat métallisé sur ses deux faces 24, 26 comportant des métallisations 30 sur sa face avant 24 pour constituer des lignes de transmission, des métallisations 32 sur sa face arrière 26 pour constituer un plan de masse.
Les dimensions des différentes parties diélectriques et conductrices sont telles que le composant fonctionne correctement à la fréquence de travail considérée FO (77 GHz). Les métallisations 30 et 32 servent d'une part à établir des interconnexions entre puces et d'autre part à établir les accès extérieurs du boîtier.
L'accès 12 électromagnétique sans contact du composant de la figure 1 comprend une transition par couplage électromagnétique permettant de faire passer le signal à la fréquence de 77GHz sans contact d'un guide d'ondes vers la puce MMIC 18 ou réciproquement.
Cette transition par couplage électromagnétique se fait de préférence par l'intermédiaire d'une ouverture 36 dans le boîtier 10, et plus précisément dans l'embase métallique 14.
Le substrat 20 comporte un élément rayonnant 38 communiquant par exemple avec un guide d'onde placé devant l'ouverture 36, l'élément rayonnant jouant le rôle d'élément de réception et d'émission d'une onde électromagnétique entrante ou sortante dans le boîtier. Les liaisons électriques entre le substrat 20 et la puce 18 sont réalisées par câblage filaire.
Le composant comporte d'autres accès 44 fonctionnant à des fréquences inférieures à celles de l'accès hyperfréquences. La puce MMIC est également reliée à ces autres accès 44 par un câblage filaire 46. La connexion du composant avec un autre composant semblable ou avec un composant différent monté sur un circuit imprimé classique est réalisée par les autres accès 44.
Les figures 2a et 2b, représentent respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'une autre réalisation d'un composant hyperfréquences miniaturisé pour montage en surface décrit dans le brevet français nO4 13583
Le composant des figures 2a et 2b comporte une puce MMIC 60 encapsulée dans un boîtier 61 ayant un accès 62 par couplage électromagnétique sans contact.
La puce MMIC 60 comporte une face active 64 et une face arrière 66, opposée à la face active ; les deux faces 64, 66 sont métallisées. La face active 64 comporte des composants électroniques 68 et des conducteurs électriques 70, 72 de la face active. La face arrière 66 comporte des conducteurs électriques de la face arrière et parmi ces conducteurs de la face arrière un conducteur formant un plan de masse 74.
Le boîtier 61 comporte une embase métallique 80 servant de substrat sur laquelle est directement reportée la puce MMIC 60 par sa face arrière 66, l'embase ayant une ouverture 82 pour le passage des ondes électromagnétiques reçues ou émises par le circuit intégré formant avec un capot métallique 84 reporté sur l'embase métallique, l'accès 62 par couplage électromagnétique sans contact.
La puce MMIC 60 comporte, du coté d'une de ses extrémités, une zone de report 90 sur l'embase métallique 80 du boîtier et, du côté d'une autre extrémité opposée à la première, une zone de transition électromagnétique 92 au niveau de l'accès 62 par couplage électromagnétique, par exemple avec un guide d'onde. La face arrière 66 de la puce, au niveau de la zone de transition 92, ne comporte pas de métallisation pour laisser le passage des ondes électromagnétique par l'accès 62 sans contact.
La zone de transition 92 de la puce comporte, de préférence sur la face active 64, un conducteur électrique de couplage 96 relié à une ligne microstrip 98 de la puce formée par un conducteur de la face active et le plan de masse 74 de la face arrière. L'accès électromagnétique 62 du boîtier assure une transition sans contact des signaux hyperfréquences entre le composant et un guide d'onde couplé au composant.
L'accès 62 sans contact est réalisé, dans cet exemple des figures 2a et 2b, par le capot métallique 84 et l'ouverture 82 dans l'embase métallique formant un guide d'onde à la fréquence de travail FO d'émission/réception du circuit intégré 60.
Les dimensions des différentes parties diélectriques et conductrices du boîtier sont telles que le composant fonctionne correctement à la fréquence de travail FO considérée (77 GHz). Le boîtier comporte, du côté de l'embase métallique 80, en plus du conducteur électrique de masse 82, des plots électriques 1 10 pour l'interconnexion du circuit intégré avec d'autres composants électroniques par l'intermédiaire d'un substrat d'interconnexion.
Les conducteurs électriques 72 de la face active de la puce, pour d'autres d'accès à la puce, sont reliés par des fils de connexion 1 12 aux plots électriques du boîtier. Ces autres accès par contact sont destinés à transmettre vers la puce : des signaux aux fréquences sous-harmoniques de la fréquence de travail FO (77 GHz), des signaux de contrôle, les alimentations. Le boîtier est fermé par un moulage 1 14 en matériau diélectrique recouvrant la surface active du circuit intégré et laissant apparaître la surface de report du boîtier comportant les plots électriques de report.
De préférence, le matériau diélectrique rempli l'accès électromagnétique 62 sans contact du boîtier, mais dans d'autres réalisations, l'espace entre le capot et l'embase métallique peut contenir un gaz environnant le composant, par exemple de l'air.
Dans les systèmes hyperfréquences, et notamment dans le cas d'applications pour les radars automobile, l'accroissement des fonctionnalités de tels systèmes implique l'utilisation d'un nombre de plus en plus élevé de radars de détection au tour du véhicule ce qui nécessite un plus grand effort de réduction des coûts des fonctions élémentaires du système.
Un des problèmes majeurs pour ces applications automobile est le coût du module millimétrique d'émission/réception. Ce coût résulte des composants utilisés mais aussi de la technologie d'assemblage utilisée pour fabriquer ces modules ainsi que du procédé d'assemblage du composant au sein du système.
Les solutions existantes ne permettent d'atteindre les objectifs de coût liés du marché. Ces solutions sont limitées pour deux raisons essentielles, le coût de mise en œuvre (équipement, apprentissage, reproductibilité), le coût de production des composants.
L'invention permet de réduire les coûts de production des composants hyperfréquences à accès sans contact par couplage électromagnétique en proposant un composant miniature hyperfréquences comportant :
- une puce hyperfréquence MMIC encapsulée dans un boîtier individuel pour montage en surface, la puce ayant une face active comportant des éléments électroniques et des conducteurs électriques de la face active et une face arrière opposée à la face active,
- au moins un accès hyperfréquence sans contact, par couplage électromagnétique, pour la communication de signaux électriques entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier comportant une ouverture transparente aux ondes électromagnétiques assurant la transmission de signaux de couplage à une fréquence de travail FO, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit intégré multicouches passif ayant des couches métallisées et des couches en matériau diélectrique, une face supérieure, une face inférieure métallisée, la face inférieure métallisée comportant, du côté de l'accès hyperfréquence sans contact, une ouverture dans la métallisation pour le passage des ondes électromagnétiques de couplage par l'accès hyperfréquence sans contact et, entre deux couches de matériau diélectrique, une couche métallisée ayant au moins un conducteur électrique de couplage électromagnétique connecté aux éléments électroniques de la puce, ledit conducteur électrique de couplage étant situé face à l'accès hyperfréquence sans contact pour assurer la transmission de signaux hyperfréquences par couplage électromagnétique à la fréquence de travail FO.
Avantageusement le composant comporte un accès hyperfréquences par contact d'une fréquence inférieure à la fréquence de travail FO.
Dans une réalisation, la fréquence inférieure à la fréquence de travail de l'accès hyperfréquences par contact est une fréquence sous-harmonique FO/n de la fréquence de travail FO, n étant un nombre supérieur ou égal à 2.
Dans une autre réalisation, le composant comporte une embase métallique ayant une face intérieure, une face extérieure, une ouverture dans l'embase formant l'accès hyperfréquences sans contact, la puce hyperfréquences et le circuit intégré multicouches passif étant reportés sur la face intérieure de ladite l'embase métallique (Fig. 3, 4, 7, 8).
Dans une autre réalisation, la métallisation de la face inférieure du circuit intégré multicouches forme un plan de masse du boîtier (Fig. 5, 6).
Dans une autre réalisation, le circuit intégré multicouches comporte une cavité dans sa partie centrale laissant apparaître la métallisation de sa face inférieure, la puce, logée dans la cavité du circuit intégré multicouches passif étant reportée, par sa face arrière, sur la métallisation de la face inférieure dudit circuit intégré multicouches. (Fig. 5)
Dans une autre réalisation, le circuit intégré multicouches passif comporte, entre une première et une deuxième couche de matériau diélectrique, outre le conducteur électrique de couplage, des conducteurs électriques de report de la puce sur le circuit intégré passif multicouches, une cavité dans la partie centrale du circuit intégré multicouches passif laissant apparaître les dits conducteurs électriques de report de la puce. (Fig. 6)
Dans une autre réalisation, le circuit intégré multicouches passif comporte, entre une première et une deuxième couche de matériau diélectrique, outre le conducteur électrique de couplage, des conducteurs électriques de report de la puce, la deuxième et une troisième couches de matériau diélectrique recouvrant partiellement, du côté de l'ouverture dans la métallisation de la face inférieure du circuit intégré multicouches, la première couche de matériau diélectrique laissant apparaître les conducteurs électriques de report de la puce sur ladite première couche de matériau diélectrique. (Fig 7, 8)
Dans une autre réalisation, le circuit intégré multicouches comporte, entre la face inférieure et la face supérieure, une première, une deuxième et une troisième couches en matériau diélectrique, entre la première et la deuxième couches en matériau diélectrique, une première couche métallique comportant au moins le conducteur électrique de couplage électromagnétique, entre la deuxième et la troisième couche en matériau diélectrique au niveau de l'ouverture de la métallisation de la face inférieure du circuit intégré multicouches, une autre couche métallique formant un plan réflecteur pour les ondes électromagnétiques dans l'accès hyperfréquences sans contact . (Fig. 3, 4, 5, 6, 7, 8)
Dans une autre réalisation, un conducteur électrique de couplage électromagnétique et un plan de masse du circuit intégré multicouches passif forment une antenne à fente favorisant la transmission de la fréquence de travail à travers l'accès hyperfréquence sans contact.
Dans une autre réalisation, le conducteur électrique de couplage est relié électriquement à la puce par une ligne microsthp formée par un conducteur électrique de la couche métallique comportant le conducteur électrique de couplage et la face inférieure métallisée du circuit intégré multicouches.
Dans une autre réalisation, la puce MMIC et le circuit intégré multicouches sont protégée par une résine d'enrobage fermant le boîtier du composant.
Dans une autre réalisation, la puce (MMIC) 100 est interconnectée au circuit intégré multicouches par des fils conducteurs électriques.
Dans une autre réalisation, la puce (MMIC) 100 est interconnectée au circuit intégré multicouches par des plots métalliques.
Un principal objectif du composant hyperfréquence selon l'invention est de réduire le coût de fabrication de systèmes hyperfréquences et de simplifier leur fabrication.
Un deuxième objectif est de pouvoir utiliser une technologie de fabrication du composant hyperfréquence très proche des technologies actuellement mises en œuvre pour des fabrications en volume important, par exemple, celles utilisées pour les composants en boîtier plastique. Pour cela des procédés d'assemblage collectifs en particulier lors des étapes de report, câblage de la puce, ainsi que de fermeture du boitier sont utilisés.
Un autre objectif du composant est sa compatibilité avec les techniques de montage en surface, ce qui représente un atout majeur pour des applications à des telles fréquences millimétriques.
Dans le composant selon l'invention, le conducteur électrique de couplage au niveau de l'accès sans contact fait office de capteur électromagnétique couplé avec un guide d'onde extérieur au boîtier. Pour certaines applications du composant hyperfréquences selon l'invention le boîtier comporte, de préférence, en plus d'un accès sans contact capable d'un couplage électromagnétique efficace à plus de 45 GHz (au moins jusque 120 GHz), un accès par contact incapable de travailler efficacement à une fréquence Fc supérieure à 45 GHz mais conçu pour travailler à au moins cette fréquence Fc inférieure à la fréquence de travail. Cette fréquence Fc pourrait être, pour certaines applications, une fréquence sous-harmonique FO/n de la fréquence de travail FO. Dans ce dernier cas, le composant hyperfréquences comportera, de préférence, des moyens de multiplication de fréquence nécessaires pour passer de la fréquence sous- harmonique Fc=F0/n à la fréquence de travail FO.
L'accès incapable de travailler à 77 GHz mais capable de travailler jusqu'à 40 GHz ou un peu plus, est relié à la puce par fil conducteur électrique ou plot métallique à travers des lignes de propagation micro-ruban ou coplanaires.
Dans le cas des signaux à plus basse fréquence (FO/n), la connexion du composant miniature hyperfréquences avec d'autres composants placés sur un même substrat se fera facilement du fait que les fréquences transportées sont beaucoup plus faibles. Des lignes de transmission reliant les plots de contact des différents composants seront réalisables sur le substrat de report.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 , déjà décrite, représente un composant hyperfréquences de l'état de l'art ;
- la figure 2, déjà décrite, représente un autre composant hyperfréquences de l'état de l'art ; - les figures 3a et 3b représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe d'une première réalisation du composant hyperfréquences selon l'invention ;
- les figure 4a et 4b, représentée une variante du composant des figures 3a et 3b ; - les figures 4c et 4d montrent le composant de la figure 4a reporté sur un circuit imprimé ;
- les figures 5a et 5b, représentée une alternative du composant des figures 4a et 4b ; - les figures 5c et 5d montrent le composant de la figure 5a reporté sur un circuit imprimé ;
- les figure 6a et 6b, représentée une variante du composant des figures 5a et 5b ;
- les figures 6c et 6d représentent le composant hyperfréquences des figures 6a et 6b assemblé sur une carte circuit imprimé par une technique de montage de surface ;
- les figures 7a et 7b représentent une évolution du composant représentée par les figure 6a et 6b comportant une embase métallique sous le circuit intégré passif multicouches tel que présenté aux figures 4a et 4b ; - les figure 7c et 7d représente le composant hyperfréquences des figures 7a et 7b assemblé sur une carte circuit imprimé et ;
- les figures 8a et 8b représentent une évolution du composant représenté aux figures 7a et 7b.
Le composant selon l'invention, représenté par les figures 3a et 3b, comporte une puce hyperfréquence (MMIC) 100, telle que celle utilisé pour les réalisations de boîtiers de l'état de l'art de la figure 1 , ayant une face active 102 comportant des éléments actifs et une face arrière 104 de la puce et, selon une principale caractéristique du composant selon l'invention, un circuit intégré multicouches passif 120 formant un élément de couplage électromagnétique du composant avec l'extérieur.
Le circuit intégré multicouches passif 120 et la puce 100 sont encapsulés dans un boîtier 122 plastique comportant un accès hyperfréquences 124 sans contact par couplage électromagnétique destiné à fonctionner à une fréquence de travail FO.
Le composant de la figure 3a comporte une embase métallique 134 ayant une face intérieure 135 et une face extérieure 137 pour le report du composant sur un circuit imprimé. L'embase métallique 134 comporte une ouverture 138 formant l'accès hyperfréquences sans contact 124 du composant hyperfréquences. Le circuit intégré multicouches passif 120 comporte une face supérieure 128 et une face inférieure 130 et, entre la face inférieure130 et la face supérieure 128, une première 140, une deuxième 142 et une troisième 144 couches en matériau diélectrique. La puce hyperfréquences 100 et le circuit intégré multicouches passif
120 sont reportés, la puce par sa face arrière 104 et le circuit intégré multicouches par sa face inférieure 130, sur la face intérieure 135 de l'embase métallique 134 du composant hyperfréquences.
Le circuit intégré multicouches passif 120 comporte, en outre, des couches métalliques, une première couche métallique 146, entre la première
140 et la deuxième 142 couche en matériau diélectrique, comportant au moins un conducteur électrique 148 de couplage électromagnétique, pour assurer la transmission de signaux hyperfréquences par couplage électromagnétique à la fréquence de travail FO et, entre la deuxième 142 et la troisième 144 couche en matériau diélectrique, une autre couche métallique 150 formant un plan réflecteur pour les ondes électromagnétiques dans l'accès hyperfréquences sans contact 124.
Le conducteur électrique 148 de couplage électromagnétique est connecté aux éléments électroniques de la puce 100 par l'intermédiaire d'une ligne microstrip 154 formée par un plan de masse de la face inférieure
130 du circuit multicouches passif 120 et un conducteur électrique de connexion en forme de ruban de la première couche métallique 146.
Le conducteur électrique 148 de couplage du circuit intégré multicouches passif 120 permet l'excitation d'un guide d'onde au niveau de l'ouverture 136 de l'embase métallique 134 du composant.
La puce hyperfréquence (MMIC) 100 est reliée, d'une part, à des accès basse fréquence du boîtier 122 sous forme de plots métalliques 160 de report du composant et, d'autre part, à la ligne microstrip 154 du circuit intégré multicouches 120 connectée au conducteur électrique 148 de couplage, par l'intermédiaire de fils 180 conducteurs électriques soudés sur des plots métalliques 182 de la puce 100.
Le circuit intégré multicouches passif 120 ainsi que la puce 100 sont reportés sur la face intérieure 135 de l'embase métallique 134 au moyen d'une couche de collage 190. Le composant hyperfréquences est recouvert d'une résine d'enrobage 192 assurant la protection mécanique finale du composant et son encapsulation sous la forme du boîtier 122.
La puce 100 dans cette réalisation peut assurer différentes fonctions d'un radar automobile telles que, la réception et l'émission, la génération d'oscillateurs locaux et de mélange pour fournir une fréquence intermédiaire
Fl. Les plots métalliques 160 transportent, dans ce cas, des basses fréquences.
Les figure 4a et 4b, représentée une variante du composant des figures 3a et 3b.
Dans cette variante des figures 4a et 4b, le boîtier 122 comporte un autre accès hyperfréquences 200 par contact avec un circuit imprimé de report du composant utilisant des technologies de fabrication en grande série. L'accès hyperfréquence avec contact 200, sous forme de plot métallique 160 du boîtier, est incapable de travailler à la fréquence de travail
FO mais capable de travailler à une fréquence sous-harmonique FO/n de la fréquence de travail FO.
De la même façon que dans la réalisation des figures 3a et 3b un accès hyperfréquence de la puce 100 est relié à l'accès 200 du boîtier, capable de travailler à FO/n, par un fil 180 conducteur électrique.
Les composants des figures 3a, 3b, 4a, 4b peuvent ensuite être assemblé sur une carte de circuit imprimé 204 par une technique de montage de surface.
Les figures 4c et 4d montrent le composant de la figure 4a reporté sur un circuit imprimé par des techniques de montage en surface.
La carte de circuit imprimé 204 intègre différents conducteurs 208, 212 permettant l'acheminement des signaux électriques au boitier 122. L'interconnexion des conducteurs 208 ainsi que les retours de masse 212 sont assurés par des trous métallisés 214.
Le signal électromagnétique à la fréquence FO se couple à un guide d'onde par une ouverture 216 à travers la carte circuit imprimé 204 à partir du conducteur de couplage 148 intégré au composant hyperfréquence de la figure 4a. L'empreinte du boîtier 122 du composant reporté sur le circuit imprimé 204 est représentée sur la figure 4d.
Les figure 5a et 5b, représentée une alternative du composant des figures 4a et 4b.
Dans le cas du composant des figures 5a et 5b, un circuit intégré multicouches passif 220 est encapsulé dans un boîtier hyperfréquences 222 comportant l'accès hyperfréquences sans contact 124 par couplage électromagnétique destiné à fonctionner à la fréquence de travail FO. Le circuit intégré multicouches passif 222 comporte trois couches en matériau diélectrique, la première 140, la deuxième 142 et la troisième 144 couches, une face supérieure 224 et une face inférieure 225 du circuit intégré multicouches comportant une métallisation 226 d'épaisseur suffisante pour former un plan de masse. Le circuit intégré multicouches passif 220 du composant des figure
5a et 5b comporté, en outre, une cavité 228 dans sa partie centrale laissant apparaître la métallisation 226 de sa face arrière 225.
La puce 100, logée dans la cavité 228 du circuit intégré multicouches passif 220 est reportée, par sa face arrière 104, sur la métallisation 226 de la face inférieure 225 dudit circuit intégré multicouches 220.
La métallisation 226 de la face inférieure 225 du circuit intégré multicouches passif 220 fait, dans cette réalisation, office d'embase métallique du composant hyperfréquences pour son report en surface d'un circuit imprimé.
Comme dans la réalisation des figures 3a et 3b, le circuit intégré multicouches 220 comporte, du côté de l'accès hyperfréquence sans contact 124, entre la première 140 et la deuxième 142 couche de matériau diélectrique, le conducteur électrique de couplage 148 et, entre la deuxième 142 et la troisième 144 couche, l'autre couche métallique 150 formant un plan réflecteur pour les ondes électromagnétiques dans l'accès hyperfréquences sans contact 124.
La puce 100 est reportée sur la métallisation 226 circuit intégré multicouches passif par une couche de collage 230. Les conducteurs électriques de la face active 102 de la puce 100 sont reliés par les fils électrique 180 aux conducteurs électriques du circuit intégré multicouches passif 220 et aux plots 182 électriques de la puce.
La cavité 228 du circuit intégré multicouches 220, dans laquelle se trouve placée la puce 100, est fermée par une résine protectrice 234.
La métallisation 226 formant le plan de masse du circuit intégré multicouches passif 220 comporte une ouverture 236 au niveau de l'accès
124 sans contact du composant permettant le passage des ondes électromagnétiques et par conséquent un couplage électromagnétique à la fréquence FO de travail à un système extérieur.
La face extérieure de report sur un circuit imprime du composant des figures 5a et 5b intègre également les plots métalliques 160 permettant de connecter le composant au système extérieur aux basses fréquences.
La connexion entre ces plots 1 60 et les conducteurs électriques du circuit intégré multicouches passif 220 se fait au moyen de trous métallisés 238.
Les figures 5c et 5d montrent le composant des figures 5a et 5b reporté par une technique d'assemblage de surface sur une carte circuit imprimé 240 intégrant différents conducteurs 242 pouvant être reliés entre eux où à une masse 244 du circuit imprimé 240 par des trous métallisés 246. Le signal de travail à la fréquence FO se couple à un guide d'onde via le conducteur de couplage 148 du composant reporté sur le circuit imprimé à travers une ouverture 248 dans ledit circuit imprimé. La figure 5d présente l'empreinte du composant des figures 5a et 5b telle qu'elle apparaît sur le circuit imprimé 240.
Les figure 6a et 6b, représentée une variante du composant des figures 5a et 5b. Les figures 6a et 6b représentent un composant comportant deux accès hyperfréquences, l'accès sans contact 124 et l'accès avec contact 200.
Dans le cas de la réalisation des figures 6a et 6b, un circuit intégré multicouches passif 250 tel que celui de la réalisation des figure 5a et 5b encapsulé dans un boîtier 252 comporte les trois couches en matériau diélectrique, la première 140, la deuxième 142 et la troisième 144 couches, la face supérieure 224 et la face inférieure 225 du circuit intégré multicouches 250 comportant la métallisation 226 d'épaisseur suffisante pour former un plan de masse. Le circuit intégré multicouches passif 250 comporte, entre la première 140 et la deuxième 142 couches de matériau diélectrique, outre le conducteur électrique de couplage 148, des conducteurs électriques 254 de report de la puce 100 par sa face active 102.
Une cavité 256 dans la patrie centrale du circuit intégré multicouches passif 250 laisse apparaître les dits conducteurs électriques 254 de report de la puce 100 sur le circuit intégré passif multicouches 250.
Le circuit intégré multicouches passif 250 comporte, des trous métallisés 260, 224 reliant les conducteurs électriques 254, 262 de report de la puce sur le circuit intégré multicouches passif 250 aux conducteurs électriques 160 de report du composant hyperfréquences par l'intermédiaire de conducteurs électriques 262 du circuit intégré multicouches passif.
La puce 100, logée dans la cavité 256 du circuit intégré multicouches passif 250, est reportée par sa face arrière 102 sur les conducteurs électriques 254 de report de la puce, par des plots métalliques 264. Ces plots métalliques 264 assurent la connexion électrique et mécanique de la puce 100 au circuit intégré multicouches passif 250.
Dans une variante de réalisation des figures 6a et 6b, non représentée sur les figures, la puce 100 peut se retrouver reportée par sa face active 104 sur les conducteurs électriques 254, 262 de report de la puce. Cette configuration est communément appelée « Flip-Chip » en langue anglaise. La face active 104 de la puce 100 fait alors directement face aux conducteurs électriques 254 de report de la puce 100 réalisés dans la cavité 256 du circuit intégré passif multicouche 252. La liaison entre les conducteurs de la puce 100 et les conducteurs électriques 254, 262 de report de la puce 100 se faisant par les plots métalliques 264.
La métallisation 226 formant le plan de masse de la face inférieure 224 du circuit intégré passif 250 fait office, comme dans la réalisation des figures 5a et 5b, d'embase du composant pour son report en surface d'un circuit imprimé. Le conducteur électrique de couplage 148 est ainsi relié à l'accès hyperfréquences de la puce 100 fonctionnant avec le signal à la fréquence de travail FO avec une longueur électrique beaucoup plus faible que dans le cas d'une connexion par fil conducteur électrique. Ceci favorise le fonctionnement du composant à de très hautes fréquences FO.
De même, l'accès par contact 200 par le plot métallique 1 60 de report du composant hyperfréquence est relié sans fil électrique à la puce
100, ce qui favorise le fonctionnement de cet accès à des fréquences beaucoup plus élevées que dans le cas de l'accès basse fréquence par le plot métallique 1 60 décrit à la figure 5b.
La métallisation 226 du circuit intégré multicouches 250 comporte également l'ouverture 136 permettant la transmission du signal à la fréquence FO de travail vers le système extérieur.
La puce MMIC 100 est protégée par une résine d'enrobage 266 fermant le boîtier du composant.
Les figures 6c et 6d représente le composant hyperfréquences des figures 6a et 6b assemblé sur une carte circuit imprimé 270 par une technique de montage de surface. Cette carte 270 intègre en particulier une ouverture guide d'onde
274. La figure 6d présente l'empreinte du composant des figures 6a et 6b telle qu'elle apparaît sur le circuit imprimé 270.
les figures 7a et 7b représentent une évolution du composant représentée par les figure 6a et 6b comportant une embase métallique sous le circuit intégré passif multicouches tel que présenté aux figures 4a et 4b.
Dans le cas de la réalisation des figures 7a et 7b, un boîtier 278 comporte un circuit intégré multicouches passif 280 comportant les trois couches en matériau diélectrique, la première 140, la deuxième 142 et la troisième 144 couches, une face supérieure 282 et une face inférieure 284 métallisée. Le circuit intégré multicouches 280 est reporté sur une embase métallique 286.
Le circuit intégré multicouches 280 comporte, entre la première 140 et la deuxième 142 couche de matériau diélectrique, outre le conducteur électrique de couplage 148, les conducteurs électriques 254 de report de la puce 100 par sa face active 102 tels que ceux de la réalisation des figures 6a et 6b.
La deuxième 142 et troisième 144 couches de matériau diélectrique recouvrent partiellement, du côté de l'accès sans contact 124 du composant, la première couche 140 de matériau diélectrique laissant apparaître les conducteurs électriques de report 254 de la puce 100 sur ladite première couche 140 de matériau diélectrique.
Cette réalisation des figures 7a et 7b permet de réduire et de simplifier la définition de la face inférieure du circuit intégré multicouches passif 280.
Les connexions de la puce MMIC 100 reportée sur le circuit intégré multicouches 280 comportant des conducteurs électriques basse fréquence
284 et le conducteur électrique de couplage sans contact 148 se font au travers de plots métalliques 264 de façon à augmenter la fréquence FO maximal du composant.
L'accès sans contact, pour le couplage du composant à la fréquence FO au système extérieur, est réalisé par une ouverture 243 dans l'embase métallique 286 du composant hyperfréquences et une ouverture136 en vis-à- vis dans la métallisation de la face inférieure du circuit intégré multicouches 280 passif permettant un couplage électromagnétique avec l'extérieur du composant par le conducteur de couplage 148 intégré.
Comme pour les autres réalisations, les signaux base fréquence sont injectés au composant par des plots 1 60 d'accès réalisés au niveau de l'embase métallique 286. Ces plots 1 60 d'accès sont reliés aux conducteurs électriques du circuit intégré multicouches passif par des fils conducteurs électriques 180.
Le composant des figures 7a et 7b est encapsulé par un enrobage d'une résine de protection 292.
Dans une variante de la réalisation des figures 7a et 7b, non représentée sur les figures, la puce 100 peut être reportée par sa face active 104 sur les conducteurs électriques 254 de report de la puce. Cette configuration est communément appelée « Flip-Chip » en langue anglaise. La face active 104 de la puce 100 fait alors directement face aux conducteurs 254, 284 de report de la puce réalisés sur le circuit intégré passif multicouche 280. La liaison entre les conducteurs de la puce 100 et les conducteurs 254 de report de la puce se faisant par les plots métalliques 264.
Les figures 7c et 7d représentent le composant hyperfréquence des figures 7a et 7b assemblé sur une carte circuit imprimé.
La figure 7c présente l'assemblage du composant des figures 7a et 7b sur une carte circuit imprimé 294 intégrant en particulier comme dans les autres cas une ouverture 296 pour le couplage à un système extérieur, à la fréquence FO de travail.
La figure 7c présente l'empreinte du composant des figures 7a et 7b telle qu'elle apparaît sur le circuit imprimé 294.
Les figures 8a et 8b représentent une évolution du composant représenté aux figures 7a et 7b.
Le composant des figures 8a et 8b est identique en tous points à celui des figures 7a et 7b, seule la connexion du circuit intégré multicouches 280 passif vers l'embase métallique 286 est assurée par collage ou brasage 298 au niveau des connexions basses fréquences 160 du boîtier. Ceci permet d'éliminer les fils de câblage 180 montrés sur la figure 7a et 7b permettant d'augmenter la fréquence maximale de l'accès basse fréquence par les plots 160 de report du composant.
Parmi les principaux avantages du composant hyperfréquence selon l'invention on peut citer :
- le composant hyperfréquences est compatible avec les techniques de montage en surface (CMS) y compris pour des applications au delà de 45GHz.
- l'utilisation de matériaux bas coût pour la réalisation du circuit imprimé sur lequel sera reporté le composant hyperfréquence malgré la gestion de fréquences très supérieures à 45GHz.
- la suppression des connexions de type patte et filaire à la fréquence millimétrique de travail FO ; - utilisation des technologies de fabrication collective des boîtiers hyperfréquences. Ceci permettant de réduire de façon très importante le coût de réalisation du composant hyperfréquence.
Ces principaux avantages du composant miniature selon l'invention aboutissent à une réduction notable du coût de fabrication de systèmes hyperfréquences et une reproductibilité des performances.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant miniature hyperfréquences comportant : - une puce hyperfréquence MMIC (18, 60, 100) encapsulée dans un boîtier individuel (1 14, 122, 222, 252, 278) pour montage en surface, la puce ayant une face active (64, 102) comportant des éléments électroniques et des conducteurs électriques de la face active (30, 70, 72) et une face arrière (66, 104) opposée à la face active,
- au moins un accès hyperfréquence sans contact (12, 62, 124), par couplage électromagnétique, pour la communication de signaux électriques entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier comportant une ouverture (36, 82, 136, 236, 243) transparente aux ondes électromagnétiques assurant la transmission de signaux de couplage à une fréquence de travail FO, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit intégré multicouches passif (120, 220, 250, 280) ayant des couches métallisées (146, 150) et des couches en matériau diélectrique (140, 142, 144), une face supérieure (128, 224), une face inférieure (130, 225) métallisée, la face inférieure métallisée comportant, du côté de l'accès hyperfréquence sans contact (124), une ouverture (136, 236, 243) dans la métallisation pour le passage des ondes électromagnétiques de couplage par l'accès hyperfréquence sans contact et, entre deux couches de matériau diélectrique, une couche métallisée (146) ayant au moins un conducteur électrique (148) de couplage électromagnétique connecté aux éléments électroniques de la puce (100), ledit conducteur électrique de couplage (148) étant situé face à l'accès hyperfréquence sans contact (124) pour assurer la transmission de signaux hyperfréquences par couplage électromagnétique à la fréquence de travail FO.
2. Composant miniature hyperfréquences selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'il comporte un accès (44, 200) hyperfréquences par contact d'une fréquence (Fc) inférieure à la fréquence de travail FO.
3. Composant miniature hyperfréquences selon la revendication 2, caractérisée en ce que la fréquence (Fc) inférieure à la fréquence de travail de l'accès (44, 200) hyperfréquences par contact est une fréquence sous- harmonique FO/n de la fréquence de travail FO, n étant un nombre supérieur ou égal à 2.
4. Composant miniature hyperfréquences selon la revendication 1 , caractérisé en qu'il comporte une embase métallique (134) ayant une face intérieure (135), une face extérieure (137), une ouverture (138) dans l'embase formant l'accès hyperfréquences sans contact (124), la puce hyperfréquences (100) et le circuit intégré multicouches passif (120) étant reportés sur la face intérieure (135) de ladite l'embase métallique (134).
5. Composant miniature hyperfréquences selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la métallisation (226) de la face inférieure (225) du circuit intégré multicouches (226) forme un plan de masse du boîtier.
6. Composant miniature hyperfréquences selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le circuit intégré multicouches (220) comporte une cavité (228) dans sa partie centrale laissant apparaître la métallisation (226) de sa face inférieure (225), la puce (100), logée dans la cavité (228) du circuit intégré multicouches passif (220) étant reportée, par sa face arrière (104), sur la métallisation (226) de la face inférieure (225) dudit circuit intégré multicouches (220).
7. Composant miniature hyperfréquences selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le circuit intégré multicouches passif (250) comporte, entre une première (140) et une deuxième (142) couches de matériau diélectrique, outre le conducteur électrique de couplage (148), des conducteurs électriques (254) de report de la puce (100) sur le circuit intégré passif multicouches (250), une cavité (256) dans la partie centrale du circuit intégré multicouches passif (250) laissant apparaître les dits conducteurs électriques (254) de report de la puce (100).
8. Composant miniature hyperfréquences selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le circuit intégré multicouches passif (280) comporte, entre une première (140) et une deuxième (142) couche de matériau diélectrique, outre le conducteur électrique de couplage (148), des conducteurs électriques (254) de report de la puce (100) , la deuxième (142) et une troisième (144) couches de matériau diélectrique recouvrant partiellement, du côté de l'ouverture dans la métallisation (136) de la face inférieure du circuit intégré multicouches, la première couche (140) de matériau diélectrique laissant apparaître les conducteurs électriques de report (254) de la puce sur ladite première couche (140) de matériau diélectrique.
9. Composant miniature hyperfréquences selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le circuit intégré multicouches comporte, entre la face inférieure et la face supérieure, une première (140), une deuxième (142) et une troisième (144) couches en matériau diélectrique, entre la première (140) et la deuxième (142) couches en matériau diélectrique, une première couche métallique (146) comportant au moins le conducteur électrique (148) de couplage électromagnétique, entre la deuxième (142) et la troisième (144) couche en matériau diélectrique au niveau de l'ouverture de la métallisation de la face inférieure du circuit intégré multicouches, une autre couche métallique (150) formant un plan réflecteur pour les ondes électromagnétiques dans l'accès hyperfréquences sans contact (124).
10. Composant miniature hyperfréquences selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'un conducteur électrique de couplage électromagnétique (148) et un plan de masse du circuit intégré multicouches passif forment une antenne à fente favorisant la transmission de la fréquence de travail à travers l'accès hyperfréquence sans contact (124).
1 1. Composant selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le conducteur électrique de couplage (148) est relié électriquement à la puce (100) par une ligne microstrip (150) formée par un conducteur électrique de la couche métallique comportant le conducteur électrique de couplage (148) et la face inférieure métallisée du circuit intégré multicouches.
12. Composant selon l'une des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que la puce (MMIC) 100 et le circuit intégré multicouches sont protégée par une résine d'enrobage fermant le boîtier du composant.
13. Composant selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la puce (MMIC) 100 est interconnectée au circuit intégré multicouches par des fils conducteurs électriques.
14. Composant selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que la puce (MMIC) 100 est interconnectée au circuit intégré multicouches par des plots métalliques.
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