Emetteur-récepteur intégré en ondes millimétriques

Abstract

 L'invention concerne un émetteur/récepteur à ondes millimétriques comprenant une plaque formant interposeur (3) dont la face supérieure porte un réseau d'interconnexions et dont la face inférieure est destinée à être montée sur un dispositif électronique ; au moins une puce de circuit intégré (1) montée sur la face supérieure de l'interposeur ; au moins une antenne (30) comprenant au moins une piste formée sur la face supérieure de l'interposeur ; et au moins un bloc (32) fixé sous la plaque et comprenant en regard de chaque antenne une cavité (34) dont le fond (38) est métallisé, la distance entre chaque antenne et le fond étant de l'ordre du quart de la longueur d'onde (λ/4), en tenant compte des constantes diélectriques des matériaux interposés.

Description

Domaine de l'invention

[0001] La présente invention concerne des systèmes émetteurs-récepteurs adaptés à fonctionner en ondes millimétriques et aptes à fournir et recevoir des signaux de dispositifs disposés à des distances supérieures au mètre, par exemple de l'ordre de 10 mètres.

Exposé de l'art antérieur

[0002] Dans un système fonctionnant en ondes millimétriques, par exemple à une fréquence de l'ordre de 60 GHz, les puissances disponibles sont telles qu'il faut prévoir des réseaux d'antennes fournissant des faisceaux directifs, souvent appelés réseaux phasés. Dans de tels réseaux, chaque antenne émet un signal déphasé par rapport à celui des autres antennes, ou est apte à recevoir un signal déphasé par rapport celui des autres antennes.

[0003] A 60 GHz, la longueur d'onde dans l'air est de 5 mm. La plus grande dimension des antennes est couramment de l'ordre de la demi longueur d'onde soit 2,5 mm et chaque antenne est séparée des antennes voisines d'une distance au moins du même ordre de grandeur.

[0004] En conséquence, il est en pratique impossible de disposer le réseau d'antennes sur la puce de circuit intégré qui contient les circuits électroniques propres à fournir, recevoir, traiter et amplifier les signaux haute fréquence des antennes. En effet, cela conduirait à des dimensions de puce prohibitives.

[0005] Les dispositifs connus ont souvent utilisé des antennes montées sur des substrats individuels insérés dans un bloc de céramique, également destiné à recevoir le circuit intégré de traitement. Ceci amène le système à être relativement complexe d'autant plus qu'il faut rendre minimum les longueurs des pistes entre chacun des éléments pour éviter les rayonnements parasites et les interférences. Par ailleurs, certains de ces systèmes obligent le fabricant de carte à prévoir des dispositifs relativement compliqués pour retraiter les signaux émis/reçus.

Résumé

[0006] Ainsi, un objet de modes de réalisation de la présente invention est de prévoir un système formant un ensemble unique comprenant un circuit d'émission-réception et avantageusement de traitement et d'amplification des signaux haute fréquence et un réseau d'antennes d'émission/réception d'encombrement minimum.

[0007] Un autre objet de modes de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel système particulièrement adapté à être monté simplement sur une carte de circuit imprimé.

[0008] Selon un aspect de la présente invention il est prévu un émetteur/récepteur à ondes millimétriques comprenant : une plaque formant interposeur dont la face supérieure porte un réseau d'interconnexions et dont la face inférieure est destinée à être montée sur un dispositif électronique ; au moins une puce de circuit intégré montée sur la face supérieure de l'interposeur ; au moins une antenne comprenant au moins une piste formée sur la face supérieure de l'interposeur ; et au moins un bloc fixé sous la plaque et comprenant en regard de chaque antenne une cavité dont le fond est métallisé, la distance entre chaque antenne et le fond étant de l'ordre du quart de la longueur d'onde, en tenant compte des constantes diélectriques des matériaux interposés.

[0009] Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune des antennes est tout ou partie entourée d'une piste conductrice périphérique sur la face supérieure de l'interposeur, ladite piste étant reliée à un réseau de vias traversants en contact ou en quasi-contact avec une métallisation du bloc.

[0010] Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'interposeur est une plaque de silicium.

[0011] Selon un mode de réalisation de la présente invention, la face supérieure est revêtue d'une résine d'encapsulation.

[0012] Selon un mode de réalisation de la présente invention, le fond et les pistes conductrices périphériques sont reliés à la masse.

[0013] Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif électronique est une carte de circuit imprimé et l'interposeur est monté sur la carte par des billes.

Brève description des dessins

[0014] Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une partie d'un système émetteur/récepteur intégré ;

la figure 2 est une vue en coupe simplifiée d'une partie d'antennes du système émetteur/récepteur de la figure 1 ;

la figure 3 est une vue de dessus d'un élément d'antenne ; et

la figure 4 est une vue de dessus de l'ensemble d'un système émetteur/récepteur.

[0015] Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.

Description détaillée

[0016] La figure 1 est une vue en coupe très schématique d'un ensemble émetteur/récepteur d'ondes millimétriques. Cet ensemble comprend une puce de circuit intégré 1 comprenant divers circuits de traitement et d'amplification de signaux haute fréquence émis/reçus par des antennes. Du côté inférieur de la puce celle-ci comprend un ensemble de couches conductrices et isolantes, non représentées, formant des niveaux d'interconnexion destinés à l'interconnexion des divers composants de la puce et à la connexion de ces composants vers l'extérieur.

[0017] La puce 1 est montée sur une plaque d'interposeur 3. Cette plaque est surmontée d'un réseau d'interconnexions non représenté comprenant des couches isolantes, des pistes métalliques sur un niveau ou plus, et des vias. Le montage de la puce 1 sur la plaque d'interposeur 3 est effectué par exemple par l'intermédiaire de piliers conducteurs 5, par exemple en cuivre.

[0018] Dans l'interposeur 3, qui est par exemple une plaquette de silicium ou de verre, sont formés des vias traversants isolés 8 dont un seul est représenté, qui sont reliés par le réseau d'interconnexions à des plots de la puce 1. Du côté inférieur de la plaque d'interposeur sont formées des métallisations 20 comprenant en fait en pratique un ensemble de métallisations, auxquelles sont fixées (soudées) des billes 21.

[0019] Sur la face supérieure de la plaque d'interposeur 3, sont disposées des antennes 30 constituées de pistes conductrices selon toute configuration d'antenne convenable pour l'émission et/ou la réception d'ondes millimétriques. Bien qu'une seule antenne apparaisse dans la vue en coupe de la figure 1, on comprendra qu'il y a un certain nombre d'antennes émettrices et un certain nombre d'antennes réceptrices qui sont connectées par des niveaux de métallisation, non représentés, à des bornes appropriées de la puce 1 de façon que, en fonctionnement, chacune de ces antennes soit excitée avec un certain décalage de phase par rapport aux autres antennes.

[0020] Une antenne 30 émet, quand elle est excitée, un rayonnement haute fréquence, aussi bien vers le haut que vers le bas. Pour renforcer le rendement de l'antenne et éviter les rayonnements parasites, il convient de renvoyer vers le haut le faisceau que cette antenne envoie vers le bas. Pour cela, on prévoit de disposer sous des ensembles d'antennes un bloc 32 comprenant, en regard de chaque antenne 30, un évidement 34 revêtu d'une métallisation 36 dont le fond 38 constitue un réflecteur. Ce réflecteur doit être disposé à une distance verticale de l'ordre de λ/4 de l'antenne, λ étant la longueur d'onde du rayonnement. Bien entendu, cette distance λ/4 doit être calculée en tenant compte du fait que l'espace entre l'antenne et le réflecteur comprend l'épaisseur de la plaque d'interposeur, de constante diélectrique de l'ordre de 12 si cet interposeur est en silicium, et un espace d'air de constante diélectrique égale à 1, ainsi qu'éventuellement une faible épaisseur d'isolant entre l'antenne et l'interposeur. L'épaisseur de la plaque d'interposeur est connue avec précision et la hauteur de l'évidement dans le bloc 32 est également déterminée avec précision.

[0021] A titre d'exemple numérique, pour un interposeur en silicium d'une épaisseur de 120 µm, la hauteur de l'évidement sera de 400 µm pour une fréquence de 60 GHz, ce qui conduit à une bande passante de fonctionnement de l'ordre de 13 GHz.

[0022] La figure 2 est une vue en coupe d'une partie de l'ensemble décrit ici comprenant, du côté supérieur de la plaque d'interposeur 3, des antennes 30. On a représenté une partie d'un bloc 32 comprenant plusieurs évidements. Ce bloc 32 est avantageusement en silicium et peut être fabriqué et fixé par tous moyens connus à la face inférieure de l'interposeur. Notamment on pourra utiliser des technologies développées dans le domaine de la fabrication et du montage des MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System). De préférence, la face supérieure du bloc 32 en contact avec l'interposeur 3 est également revêtue d'une couche métallique 40 et la périphérie de chaque région d'antenne est entourée d'une piste conductrice 42. La piste entourante 42 est reliée par un réseau de vias 44 à la couche inférieure 40 (ces vias sont effectivement en contact avec la couche 40 ou en sont séparés d'une distance petite devant la longueur d'onde du rayonnement de l'antenne - on parlera de quasi-contact). Ainsi, le rayonnement vers le bas de l'antenne 30 vient se réfléchir sur le réflecteur 38 mais ne peut diverger pour créer des ondes parasites, notamment dans l'interposeur, en raison du réseau serré de vias qui entoure la zone séparant l'antenne de son réflecteur et forme une cage de Faraday. Ainsi, on évite toute influence d'une antenne 30 sur les antennes voisines et/ou sur la puce de circuit intégré 1. On a représenté en figure 2 un double réseau de pistes et de vias. Une simple ligne entourante 42 et un unique réseau de vias 44 pourraient également être utilisés.

[0023] La figure 3 est une vue de dessus d'une antenne 30 entourée d'une piste 42 reliée par des vias régulièrement répartis 44 à la métallisation de face supérieure du bloc 32. De préférence, la piste entourante et les métallisations 36, 38, 40 sont reliées à la masse. Les billes 21 représentées en figure 1 peuvent être fixées à l'interposeur 3 après mise en place du ou des blocs 32. Le ou les blocs 32 auront une épaisseur inférieure au diamètre des billes pour que, quand le système est disposé sur une carte de circuit imprimé, il n'y ait pas contact entre ces blocs et la carte de circuit imprimé.

[0024] Ainsi, la puce 1, la plaque d'interposeur 3 et les billes 21 forment un ensemble prêt à être livré par un fabricant à un monteur de système qui monte l'ensemble susmentionné sur un autre dispositif électronique, par exemple une carte de circuit imprimé sur laquelle sont formées des métallisations adaptées à recevoir les billes 21. La face supérieure de cet ensemble est de préférence encapsulée dans un corps isolant, par exemple en résine, pour la protection du produit et éventuellement son marquage.

[0025] Selon un avantage du système décrit ci-dessus, les connexions entre la puce et les antennes peuvent avoir des longueurs minimales et bien déterminées.

[0026] La figure 4 est une vue d'ensemble de dessus du système. On y distingue, dans la partie centrale, le circuit intégré 1 et des plots de connexion de ce circuit destinés à être reliés aux vias traversants 8 susmentionnés. Des antennes 30, au nombre de 16 dans l'exemple représenté, sont disposées de part et d'autre du circuit intégré 1. Comme cela a été indiqué, chacune de ces antennes est entourée d'une piste conductrice 42 périodiquement reliée par des vias 44 à une piste conductrice correspondante formée sous l'interposeur 3. On pourra prévoir un bloc 32 sous chacun des ensembles d'antennes ou un bloc unique sous toute la plaque d'interposeur.

[0027] Cette vue de dessus montre bien que chacune des antennes est isolée des voisines et de l'environnement par le réseau de vias.

[0028] Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne la forme des antennes. En outre, on n'a pas décrit en détail les divers niveaux de métallisation formés sur l'interposeur, et notamment les métallisations destinées à connecter le circuit intégré à chacune des antennes. En effet, il s'agit là de dispositions courantes. L'important est que toutes ces métallisations sont disposées sur une même face d'un interposeur et peuvent donc avoir une dimension minimale.

Revendications

1. Emetteur/récepteur à ondes millimétriques comprenant :

une plaque formant interposeur (3) dont la face supérieure porte un réseau d'interconnexions et dont la face inférieure est destinée à être montée sur un dispositif électronique ;

au moins une puce de circuit intégré (1) montée sur la face supérieure de l'interposeur ;

au moins une antenne (30) comprenant au moins une piste formée sur la face supérieure de l'interposeur ; et

au moins un bloc (32) fixé sous la plaque et comprenant en regard de chaque antenne une cavité (34) dont le fond (38) est métallisé, la distance entre chaque antenne et le fond étant de l'ordre du quart de la longueur d'onde (λ/4), en tenant compte des constantes diélectriques des matériaux interposés.

2. Emetteur/récepteur selon la revendication 1, dans lequel chacune des antennes (30) est tout ou partie entourée d'une piste conductrice périphérique (42) sur la face supérieure de l'interposeur, ladite piste étant reliée à un réseau de vias traversants (44) en contact ou en quasi-contact avec une métallisation (40) du bloc (32).

3. Emetteur/récepteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'interposeur est une plaque de silicium.

4. Emetteur/récepteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dont la face supérieure est revêtue d'une résine d'encapsulation.

5. Emetteur/récepteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le fond et les pistes conductrices périphériques sont reliés à la masse.

6. Emetteur/récepteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif électronique est une carte de circuit imprimé et dans lequel l'interposeur est monté sur la carte par des billes.

Dessins