WO2000026992A1 - 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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receiver
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Xavier Chamussy
Pascal Bil
Christian 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 interconnecting three-dimensional integrated circuits.
  • GPS Global Positioning System
  • these receivers being carried on board munitions of the shell or missile type for improving fire.
  • the invention can however be extended to other fields, whenever there is a need to use a GPS or a radio wave receiver in a reduced volume or inside mobiles when these are subjected to significant accelerations and decelerations.
  • the GPS it is possible to receive, at any time and at any place on the earth, by means of a receiver and an antenna, radio signals emitted by at least 6 satellites which allow the user to know its exact position in latitude, longitude and altitude.
  • an on-board GPS allows, thanks to a transponder, to transmit trajectory correction orders from a ground station, or to directly pilot an on-board trajectory correction system from the position of the shell and coordinates of a target.
  • connection pads are each connected to any one of the faces of the stack except one, said base which is intended to be in contact with a printed circuit substrate.
  • the connections between the pellets are formed between them 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 method for producing a radio wave receiver coupled to a reception antenna by stacking semiconductor pads each containing at least one integrated circuit and comprising connection pads for connecting the pads between them, characterized in that it consists in metallizing the external surface of the stacked pellets to create a ground plane of the antenna of the receiver, in covering the ground plane with a dielectric material, in metallizing the surface of the dielectric material and to etch the receiver antenna on the metallized surface obtained.
  • the invention also relates to a use of the method for implementing a GPS receiver on board a munition.
  • the main advantage of the invention is that it allows the use of radio wave receivers on board ammunition which gives them sufficient reliability to withstand the accelerations to which the ammunition is subjected. As a result, it makes it possible to ensure greater effectiveness in long-range shots because it is known that in the absence of a trajectory correction device, this efficiency decreases very quickly with the range of the ammunition due to the errors of accuracy and dispersion.
  • the implementation according to the invention of a radio wave receiver by stacking semiconductor pellets comprising an antenna etched on the external surface of the pellets constitutes a good means for constituting an on-board navigation aid system capable to locate the ammunition on its trajectory and to carry out a correction of trajectory so that the ammunition can reach its objective.
  • Figure 1 the different steps of the method according to the invention in the form of a flowchart.
  • FIG. 2 an embodiment of wiring on TAB film where TAB is the abbreviation for "Tape Automated Bounding”.
  • Figure 3 an integrated module without the antennas.
  • Figure 4 a module integrated with the ground plane of the antenna.
  • Figure 5 an integrated module with antenna substrate.
  • Figure 6 an integrated GPS module in 3D technology.
  • FIG. 7a, 7b, 7c different integration models.
  • the method according to the invention takes place in 6 steps referenced from 1 to 6 in FIG. 1.
  • Step 1 consists of producing, in a known manner in the form of ASIC chips, an abbreviation for "Application Specifies Integrated Circuit", the components specific to the GPS receiver.
  • step 2 The wiring of the chips or of the discrete components is carried out in step 2 on flexible printed circuits of the polyamide, epoxy type or else on film according to the process known under the English abbreviation TAB of "Tape Automated Bonding".
  • TAB Transmission Automated Bonding
  • these films can be four in number, a supply film 7, two films 8 and 9 containing the signal processing electronics and a film 10 for the microwave circuits.
  • Step 3 Films 7 to 10 are coated in step 3 with an epoxy resin to form pellets.
  • the pellets are also cut according to the shape of the windows of the TAB films and their stacking one above the other to form a receiver module.
  • the interconnections between each level of film can be carried out according to the method described in patent FR 2,670,323 already cited.
  • Plugs 1 1 for connecting the module to an external circuit not shown, are produced according to the method known by the abbreviation BGA of "Bail
  • Step 4 consists of metallization shown in Figure 4 of the outer faces of the module composed of the pellets stacked according to step 3 to create the ground plane of the antenna.
  • step 5 a deposition shown in FIG. 5 of a dielectric material with a high dielectric constant is carried out on the faces of the module, this deposition is followed in step 6 by metallization and etching of the antennas 1 3a, 1 3b as shown in figure 6.
  • the antennas are preferably engraved 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 munition is rotating on itself.
  • the 3D technology implemented makes it possible to envisage any type of shape, and to use conforming antennas or micro-ribbon antennas still known under the Anglo-Saxon designation "patch", the engraving of which is carried out by area of the modules.
  • Figures 6a to 6c show different integration solutions capable of satisfying certain volume constraints.
  • FIG. 6a corresponds to an embodiment of a cubic module with “patch” antennas arranged on four faces of the cube.
  • FIG. 6b corresponds to an embodiment of a cylindrical module with a ribbon antenna arranged in turn.
  • the embodiment of FIG. 6c is that of a cylindrical conical module with multi-strand antenna.
  • FIG. 7 represents a GPS module implemented according to the method of the invention, inside an artillery rocket.
  • the GPS module 1 4 is placed in the nose of the rocket.
  • its dimension is very small compared to the longitudinal dimension of the rocket which in this example is of the order of 1 45 mm, its maximum diameter being of the order of 50 mm.

Landscapes

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

Abstract

Le procédé consiste à empiler (3) des pastilles semi-conductrices contenant chacune au moins un circuit intégré et comportant des plots de connexion pour le raccordement des pastilles entre elles. La surface extérieure des pastilles est métallisée (4) pour créer un plan de masse de l'antenne du récepteur. Le plan de masse est recouvert (5) d'un matériau diélectrique dont la surface non commune au plan de masse est métallisée puis gravée (6) pour former l'antenne du récepteur. Applications: récepteurs embarqués sur des munitions.

Description

PROCEDE DE REALISATION DE RECEPTEURS D'ONDES
RADIOELECTRIQUES PAR INTERCONNEXION DE CIRCUITS INTEGRES
EN TROIS DIMENSIONS
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 1 973, 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 connaître 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 œuvre. D'une part, les circuits électroniques doivent pouvoir fonctionner avec des contraintes d'accélération très sévères de 1 5 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 1 5 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 œuvre 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 apparaîtront 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 7a, 7b, 7c 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 Spécifie 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 1 0 pour les circuits hyperfréquence.
Les films 7 à 1 0 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 1 1 de raccordement du module sur un circuit imprimé extérieur non représenté, sont réalisés suivant le procédé connu sous l'abréviation BGA de "Bail
Grid Array" . Des sorties 1 2a, 1 2b 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 1 3a, 1 3b 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 est une rotation sur elle-même. Dans son principe la technologie 3D mise en œuvre 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 œuvre selon le procédé de l'invention, à l'intérieur d'une fusée d'artillerie. Suivant ce mode de réalisation le module GPS 1 4 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 1 45 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

REVENDICATIONS
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.
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