Upload
stche155
View
225
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
1/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 1
SOMM IRE
INTRODUCTION
1- Dfinition dun circuit hybride
2-
Les substrats dans la conception des circuits hybrides
3- Les composants dans la conception des circuits hybrides
3.1- Les composants actifs3.1.1- Les diodes
3.1.2- Les transistors
3.2- Les composants passifs
3.2.1- Les lignes de transmission
3.2.2- Les composants distribus
3.2.3- Les composants localiss
3.2.3.1- Les rsistances3.2.3.2- Les capacits
3.2.3.3- Les inductances
4- Les procds de fabrication des circuits hybrides
4.1- La couche paisse
4.2- La couche mince
5- Les technologies des circuits hybrides
5.1- La technologie MIC
5.2- Les technologies HMIC et MHMIC
6- Les applications des technologies des circuits hydrides
CONCLUSION
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
2/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 2
INTRODUCTION
Le dveloppement extrmement rapide des systmes de communication (satellite,
tlphone cellulaire, radio mobile, etc) fonctionnant des frquences trs leves au-dessus
de 1 GHzexige la conception, la modlisation et la caractrisation de nouveaux composants
passifs et actifs utiliss pour les quipements de communication. De mme, l'amliorationdes performances de ces systmes ncessite l'utilisation de nouvelles technologies de
fabrication avances et la conception de nouvelles structures. Parmi ces technologies, nous
pouvons citer :
La technologie MIC Microwave Integrated Circuit
La technologie HMIC Hybrid Microwave Integrated Circuit"
La technologie MHMIC"Miniature Hybrid Microwave Integrated Circuit.
Tous ces changements technologiques ncessitent une reconsidration des
problmes associs la ralisation et la conception de nouveaux dispositifs. De telles
technologies utilisent diffrents procds de fabrication en combinant les circuits actifs et
passifs sur un mme substrat.
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
3/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 3
1- Dfinition dun circuit hybride
Il est trs difficile de donner une dfinition prcise dun circuit hybride. Nanmoins
quelques caractristiques de base permettent aisment de les identifier. Un circuit hybride
est un circuit intgr fonctionnant de trs hautes frquences, dans le domaine des micro-
ondes. Il est ralis sur un substrat isolant, gnralement en cramique, sur lequel une
fonction lectrique complte est forme en utilisant des composants actifs et passifs. Les
composants actifs peuvent tre en puces nues ou encapsuls en botiers. Les composants
passifs sont soit imprims sur le substrat cramique, soit en forme de chips. Dans tous les
cas, le report des composants se fait en surface.
2-
Les substrats dans la conception des circuits hybridesLa technologie de ralisation des circuits hybrides consiste rassembler sur un
mme substrat un ensemble de fonctions : conducteurs, rsistances, dilectriques. Le
substrat sur lequel ces fonctions sont rassembles est une cramique isolante qui doit
rpondre un certain nombre de critres savoir :
Forte permittivit relative (ou constante dilectrique) contribuant laminiaturisation des circuits intgrs.
Faible angle de pertes (dfini en gnral par sa tangente (tan
)) exprimant le
rendement du circuit.
Forte conductivit thermique K (exprime en W.m-1.K-1) permettant
lvacuation des calories des circuits forte densit ou comportant des
circuits intgrs pouvant dgager quelques watts.
Les autres critres prendre en compte pour la slection dun substrat sont:
La tenue mcanique : le substrat doit supporter les diffrentes tapes de dpt
des circuits ralis le plus souvent par srigraphie.
Le coefficient de dilatation du substrat qui doit tre ajout celui des
matriaux qui sont soit dposs, soit reports. Ceci est dautant plus sensible
que la technologie des circuits hybrides impose aux matriaux un certain
nombre de cycles thermiques haute temprature et que les dimensions des
composants reports ultrieurement en surface sont importantes. Ce
coefficient est donc choisi en fonction de l'utilisation du circuit.
La non toxicit du matriau utilis pour la fabrication du substrat
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
4/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 4
Ce bref survol des critres de slection en hybride ne saurait s'affranchir du prix des
substrats.
Tableau 1 : Caractristiques des principaux substrats pour circuits hybrides
En tenant compte des critres de slection prcites et en exceptant le nitrure de
bore et le carbure de silicium employs pour des applications trs spcifiques et marginales,
le choix se limite entre des substrats d'alumine 96%, d'alumine 99,6%, d'oxyde de
bryllium et de nitrure d'aluminium. A partir de 4W/pouce o les considrations de
dissipation thermique entrent en jeu, le choix peut s'effectuer entre l'oxyde de bryllium et
le nitrure d'aluminium. Le BeO prsente une conductivit thermique suprieure l'AlN.Toutefois, si le substrat doit tre usin, l'emploi de BeO est dlicat car l'oxyde de bryllium
est toxique sous forme de poussire. De plus, si le prix de l'alumine 96% vaut 1, celui de
l'alumine 99,6% vaut 4 5, celui du BeO 10 20, celui de l'AlN 5 8.
3- Les composants dans la conception des circuits hybrides
Les circuits hybrides sont des circuits intgrs qui fonctionnent de trs hautes
frquences, dans le domaine des micro-ondes. Pour concevoir de tels circuits, nous avonsbesoin de diffrents composants :
Des composants actifs, tels que les diodes et transistors, de faon raliser
diverses fonctions (amplification, oscillation, mlange,).
Des composants passifs, tels que les lignes de transmission (lments
distribus ou rpartis), et les lments localiss comme les capacits, les
rsistances, les inductances pour raliser les fonctions et les adaptations.
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
5/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 5
3.1- Les composants actifs
Les composants actifs utiliss dans la conception des circuits hybrides sont subdiviss
en deux catgories savoir :
Les diodes
Les transistors
3.1.2- Les diodes
On distingue plusieurs catgories de diodes dans la conception des circuits hybrides :
La diode capacit variable ou Varicap est une diode polarise en
inverse. Elle prsente donc dans ce cas une capacit qui dcrot avec la tension selon une
loi approche du type :
= + avec Coet Vodes constantes, n dpend du semi-conducteur.
Son symbole est le suivant :
La diode PIN interpose, entre ses zones P et N, une zone non-dope, dite
intrinsque (zone I). Ces diodes, polarises en inverse, prsentent des capacits extrmement
faibles, des tensions de claquage leves. Par contre, en direct, la prsence de la zone I augmente
la rsistance interne ; celle-ci, dpendante du nombre de porteurs, diminue lorsque le courant
augmente : on a par consquent une rsistance (alternative) variable, contrle par une intensit
(continue). Le symbole de cette diode se prsente comme suit :
Figure 2 : Symbole dune diode PIN
Figure 1 : Symbole dune Diode Varicap
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
6/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 6
La diode effet tunnel
Dans ce type de diode, le dopage des couches P et N est si important que latension
de claquage est gale zro volt (contre une tension de plusieurs centaines de volt pour
une diode classique). Cette diode conduit par consquent en inverse (polarise
ngativement), mais lors de son utilisation en direct (sens positif), l'effet tunnel se produit
donnant la caractristique de cette diode une zone o l'augmentation de latension aux
limites de la diode entrane une diminution ducourant la traversant. Cela correspondant
unersistance ngative.
La diode Gunn est constitue dun simple barreau d'arsniure de gallium
(GaAs) ,et exploite une proprit physique du substrat : les lectrons s'y dplacent des vitesses
diffrentes (masse effective diffrente) suivant leur nergie (il existe plusieurs minima locaux
d'nergie en bande de conduction, suivant le dplacement des lectrons). Le courant se propage
alors sous forme de bouffes d'lectrons, ce qui veut dire qu'un courant continu donne naissance
un courant alternatif convenablement exploite.
La diode Laser est une diode LED structure en cavit laser (voir figure
ci-dessous). Deux cts latraux parfaitement parallles sont dots de miroir rflchissant
orient vers lintrieur. Lune des surfaces rflchissante est quasiment parfaite, la
seconde transmet partiellement la lumire.
Figure 4 : Structure dune Diode Laser
Figure 3 : Symbole et courbe caractristique de la diode tunnel
http://www.electrosup.com/tension_de_claquage.phphttp://www.electrosup.com/tension_de_claquage.phphttp://www.physique-quantique.wikibis.com/effet_tunnel.phphttp://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_%C3%A9lectriquehttp://www.bonne-mesure.com/courant_electrique.phphttp://www.wikelectro.com/resistance_negative.phphttp://www.wikelectro.com/arseniure_de_gallium.phphttp://www.wikelectro.com/arseniure_de_gallium.phphttp://www.wikelectro.com/arseniure_de_gallium.phphttp://www.wikelectro.com/arseniure_de_gallium.phphttp://www.wikelectro.com/arseniure_de_gallium.phphttp://www.wikelectro.com/resistance_negative.phphttp://www.bonne-mesure.com/courant_electrique.phphttp://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_%C3%A9lectriquehttp://www.physique-quantique.wikibis.com/effet_tunnel.phphttp://www.electrosup.com/tension_de_claquage.phphttp://www.electrosup.com/tension_de_claquage.phphttp://www.electrosup.com/tension_de_claquage.php7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
7/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 7
Dans une DL, la circulation dun courant dans le sens direct produit lmission
spontane de lumire dans la jonction. Au dessus dun certain seuil de courant les
photons engendrs par lectroluminescence stimulent leur tour lmission cohrente
dautres photonscrant ainsi une amplification laser.
La diode de Schottky est une diode faite dune jonction mtal-semi-
conducteur. Elle est unediode qui a un seuil detension directe particulirement bas et un
temps de commutation particulirement court. Son symbole est le suivant :
3.1.2- Les transistors
Diffrentes catgories de transistors sont utilises dans la conception des circuits
hybrides :
MEFSET en GaAs
Les transistors MESFETs ont un bon facteur de bruit et des bonnes performances depuissance de sortie. Les MEFSETs en GaAs prsentent beaucoup d'avantages :
- Une meilleure stabilit thermique et une immunit aux rayonnements ionisants de
l'espace.
- Une mobilit leve des lectrons, en particulier pour les champs faibles cette
mobilit est quatre fois suprieure celle du silicium ce qui diminue les rsistances d'accs
des transistors. Il en rsulte moins de pertes et le facteur de bruit est amlior.
- Ils permettent d'oprer avec des tensions de polarisation plus faibles et de diminuer
les puissances dissipes. Les longueurs de grille varient gnralement entre 0.25 m et 2
m.
HEMT en GaAs
Ce transistor permet de travailler des frquences de lordre de 100 GHz. Les
longueurs de grille sont plus petites (de l'ordre de 0.25 m). La mobilit des porteurs de
charges est plus importante que celle du MEFSET.
Figure 5 : Symbole dune diode Schottky
http://www.composelec.com/diode.phphttp://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_%C3%A9lectriquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_%C3%A9lectriquehttp://www.composelec.com/diode.php7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
8/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 8
HBT en GaAs
C'est un dispositif bipolaire. Du fait de sa structure verticale, ce transistor prsente
certains avantages. Il a une frquence de coupure leve ainsi qu'une grande
transconductance. Il permet d'avoir de grands gains, une puissance leve et une grande
efficacit. Il ncessite une seule polarisation positive ce qui est avantageux par rapport aux
FETs et HEMTs qui eux utilisent une tension de polarisation additionnelle. En plus, il peut
supporter des grandes tensions. Il prsente un faible bruit de grenaille 1/f.
HBT en SiGe
La technologie en silicium germanium a un grand potentiel. Elle a des bonnes
performances en ondes millimtriques. Des figures de bruits de moins de 1dB ont t
obtenues 10 GHz. Les transistors HBTs en silicium de germanium permettent d'avoir des
frquences de coupure de 160 GHz et des frquences maximum de 162 GHz.
HBT et HEMT en Phosphure d'Indium
Le phosphure d'indium et ses drives sont des excellents matriaux pour les micro-
ondes car les lectrons ont une plus grande mobilit dans ces matriaux que dans l'arsniure
de gallium. Les HEMTs ont dj dmontr une trs grande vitesse et un faible bruit aux
ondes millimtriques et des caractristiques hautes frquences suprieures aux autres
transistors. Les HBTs montrent des performances de bruits excellents, une puissance
leve et une grande linarit. On est capable d'intgrer ces deux composants sur le mme
substrat d'InP. Ceci permet de raliser des circuits en ondes millimtriques utilisant les
avantages des deux technologies. Le prix d1mm2de cette technologie est de 10$.
Le tableau ci-dessous synthtise tous les types de transistors qui ont t passs en
revue dans les paragraphes prcdents.
Ft: Frquence de coupure du gain en courant encore appele frquence de
transition.
Fmax: Frquence maximale
Technologie Si GaAs
Dispositifs BJT HBT SiGe BiCMOS MEFSET HEMT HBT
Ft(GHz) 45 86 13 30 100 50
Fmax(GHz) 46 65 11 65 130 70
1/f(KHz) 0.1 - 1 0.1 - 1 0.1 - 1 1000 2000 1 - 10
Prix ($/mm2) 10 - 40 1
Tableau 2 : Caractristiques des transistors utiliss dans la conception des circuitshybrides
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
9/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 9
3.2- Les composants passifs
Les composants passifs utiliss dans la conception des circuits hybrides sont
subdiviss en trois catgories savoir :
Les lignes de transmission
Les composants distribus
Les composants localiss
3.2.1- Les lignes de transmission
Dans le domaine des micro-ondes, l'onde lectromagntique se propager l'intrieur
d'un guide d'onde, le long d'une ligne ou piste grave sur un substrat permettant ainsi de
raliser les connexions entre les divers composants. De manire quasi-universelle, le type de
ligne de transmission utilis pour la ralisation des circuits hybrides est la ligne microruban
ou ligne microstrip (Voir figure 6).
Figure 6 : Ligne de transmission : technologie microstrip
La transmission dun signal nest pas dispersive que si le mode de propagation est
TEM (Transverse Electro-Magntic), c'est--dire le champ lectromagntique qui se propage
travers la ligne ne rencontre quun seul matriau.Cest pour cela qu'une ligne microruban
est le sige d'une onde se propageant en mode quasi-TEM c'est--dire la propagationseffectue travers 2 dilectriques diffrents : lair et le semi-conducteur. Notons quen
mode quasi-TEM, les champs magntique et lectrique sont perpendiculaires l'axe de la
ligne transmettant le signal (Voir figure 7).
Figure 7 : Lignes de champ lectriques en technologie microstrip.
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
10/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 10
Les diffrents paramtres de la ligne de transmission que sont limpdance
caractristique, la permittivit effective et la vitesse de phase dpendent des dimensions
gomtriques de la ligne et du substrat utilis. Ces paramtres sont dtermins laide
des abaques issus des quations analytiques dveloppes par E.O.Hammerstad et Jensen.
Les paramtres de la ligne microstrip
Impdance
caractristique = . . . + +
Permittivit effective = + + . + . .Vitesse de phase = Longueur donde
= . Coefficient de
vlocit Cvet
constante de
propagation
= =
Paramtres
= () = + . . . .
= +
+
+
.
+
.
+
.
= . . + . =
= . /
:
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
11/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 11
Ainsi les abaques pour dterminer limpdance caractristique et la permittivit
effective de la ligne pour diffrents substrats sont reprsents ci- aprs :
w/h compris entre 0.1 et 1
w/h compris entre 1 et 10
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
12/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 12
Figure 8 : Impdance caractristique en fonction de w/h en technologie microstrip.
w/h compris entre 0.1 et 1
w/h compris entre 1 et 10
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
13/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 13
Figure 9 : Permittivit effective en fonction de w/h en technologie microstrip.
3.2.2- Les composants distribus
A partir de lignes de transmission, on peut raliser des composants passifs de
faibles valeurs comme des capacits et des inductances, condition que la longueur de la
ligne qui les synthtise soit infrieure /10 o est la longueur d'onde la frquence
maximum d'un circuit. Un tronon de ligne sans perte ou faibles pertes, de longueur ,dimpdance caractristique ZO et termine par une impdance ZL(Voir schma ci-dessous)
prsente une impdance ramene son entre gale :
= +
(
)
+ ()
Pour des lignes trs petites ( < 6
< /12 ), lexpression ci-dessus donne :
= +
+ Cette impdance ramene est imaginaire, on peut ainsi synthtiser des lments qui
sapprochent dune valeur imaginaire pure correspondant une capacit ou une inductance.
3.2.2.1 Synthse dinductances
= + ()
+
(
)
Pour une ligne court-circuite ou pour une ligne dimpdance caractristique ZO trsgrande devant la charge ZL(ZL= 0 ou ZL
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
14/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 14
() 3.2.2.2 Synthse de capacits
= + () + ()Pour une ligne en circuit ouvert ou pour une ligne dimpdance caractristique ZO
faible devant la charge ZL (ZL= ou ZL>>ZO.tan()), limpdance ramene scrit :
(
)
En posant =
3.2.3- Les composants localiss
Les composants passifs localiss permettent dobtenir des valeurs de
composants plus leves quavec des lignes. Nanmoins, compte tenu des parasites
introduits, leurs dimensions doivent rester faibles devant la longueur donde(/30)de
manire prsenter des variations de phase ngligeables et ne pas ajouter un
comportement distribu.
3.2.3.1- Les rsistances
La rsistance dune bande de matriau rsistif de conductivit (en S.m-1), de
longueur , de largeur w et dpaisseur t(Voir figure 10) est donne par :
().
=
.
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
15/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 15
Pour
= w, on a une rsistance carre exprime en / dont lexpression est la
suivante :
Aux frquences suprieures au GHz, le courant circule sur une fine paisseur
de la couche rsistive appele paisseur de peau et non plus sur lentire paisseur de la
couche t. Comme lpaisseur de peau est fonction de la conductivit du c onducteur et de
la frquence du signal, on obtient une rsistance carre qui augmente avec la frquence
du signal, donc un effet dispersif.
Le schma quivalent une rsistance se prsente comme suit :
Figure 10 : couche rsistive dpose sur un substrat et rsistance connecte
une ligne de transmission.
= .
= . avec =
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
16/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 16
Le tableau suivant indique les valeurs de la rsistance carre obtenue en fonction des
matriaux utiliss.
Matriau Epitaxie NiCr TaN
Rsistance carre
(/)
200 90 30
3.2.3.2-
Les inductances
Pour raliser des inductances de forte valeur, on a vu quavec une ligne de forte
impdance, il faut que la ligne soit longue puisque linductance est proportionnelle la
longueur. Mais, comme lon conoit des circuits intgrs, il faut des composants qui
occupent un minimum despace. On a recours alors compacter cette longueur de ligne
longue en ralisant des inductances boucle, en mandre ou spirale.
3.2.3.2.1- Inductance boucle
La valeur de linductance est donne par lexpression suivante :
o w est la largeur du ruban, t lpaisseur du conducteur et la circonfrence de la
boucle gale 2r.
Figure 11 : Schma quivalent dunersistance
Tableau 3 : Les valeurs de la rsistance carre obtenue en fonction
des matriaux utiliss.
= + . Figure 12 : Inductance boucle
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
17/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 17
3.2.3.2.2- Inductance mandre
La valeur de linductance est donne par lexpression suivante :
o w est la largeur du ruban, t lpaisseur duconducteur et
la longueur du mandre.
Les valeurs typiques de linductance mandresont comprises entre 0.4 et 4nH.
3.2.3.2.3- Inductance spirale
La valeur de linductance spirale peut se mettre sous la forme :
Avec
= 0.57 0.145. n wh si wh > 0.05 = + 4 = 4
o De et Di sont respectivement les diamtres externe et interne de linductance, n est le
nombre de spires, la longueur du conducteur,w sa largeur et h lpaisseur du substrat.Leschma quivalent de linductance spirale se prsente comme suit:
= + + . + + . Figure 13 : Inductance mandre
= + Figure 14 : Inductance spirale
= . . . .
Figure 15 : Schma quivalent
dune inductance spirale
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
18/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 18
o est la rsistance carre du conducteur, la longueur du conducteur, C1et C2reprsentent les capacits parasites entre la mtallisation de linductance et le plan de
masse, ces capacits sont proportionnelles la valeur de la permittivit du substrat
utilis, C3reprsente la capacit de couplage entre les spires. Les valeurs typiques de
linductance spiralesont comprises entre 0.2 et 15nH.
Remarque :Le schma quivalent des inductances boucle et mandre est identique
celui de linductance spirale, except les valeurs des lments qui sont diffrentes,
compte tenu de la topologie des composants.
3.2.3.3- Les capacits
Diffrents types de capacit sont utiliss dans la conception des circuits hybrides.Parmi ces capacits, nous avons :
Les capacits interdigites
Les capacits MIM
3.2.3.3.1- Capacit interdigite
Cette capacit est forme par le couplage entre chaque doigt, plus le nombre de
doigts est lev, plus la capacit est grande (Voir figure 16). Elle offre l'avantage de la
simplicit puisqu'elle ne ncessite qu'un seul niveau de mtallisation. Toutefois, la densit
de capacit obtenue (2pF/mm2) est trs faible et ne convient que pour des capacits de
trs petites valeurs.
Figure 16 : Capacit interdigite et son schma quivalent
Les valeurs typiques de cette capacit sont comprises entre 0.05 et 2pF. = (
+
)
+
Avec
1
= 8,85. 102
(
)
2
= 9,92.10
2
(
)
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
19/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 19
3.2.3.3.2- Capacit MIM (Mtal-Isolant-Mtal)
Cette technologie permet dobtenir des valeurs plus leves de capacits, grce
lintroduction dun isolant (ou dilectrique) plac entre les 2 mtallisations qui constituent
les 2 armatures dune capacit plan(Voir figure 17).
Figure 17 : Capacit MIM
La relation donnant la valeur d'une capacit MIM est la suivante:
o r est la permittivit relative, S la surface et e l'paisseur du dilectrique. Le schma
quivalent de cette capacit se prsente comme suit :
Figure 18 : Schma quivalent dune capacit MIM
Les valeurs typiques de la capacit MIM : 0.1 60pF selon les technologies et isolants
utiliss.
= . .
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
20/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 20
Les diffrents dilectriques qui peuvent tre envisags pour raliser les capacits
MIM sont rcapituls dans le tableau suivant :
Matriau Permittivit relative Champ de claquage
Emax (V / m)
Densit en pF/mm2
pour un Vmax de 50
V
Si O2 5 300 265
Si3N4 6,5 250 290
Al2O3 8,8 250 390
Ta2O5 25 200 885
TiO2 55 50 490
4- Les procds de fabrication des circuits hybrides
Diffrents procds de fabrication sont utiliss dans la conception des circuits hybrides. Parmi
ces procds nous avons :
La couche mince
La couche paisse
4.1-Les circuits hybrides couche mince
Cette technologie sapplique aux hybrides dont les couches conductrices, rsistives ou
dilectriques sont ralises par dposition sous vide : vaporation ou pulvrisation cathodique. La
dfinition des lignes fait appel des techniques de photolithographie : masquage avec des rsines
photosensibles puis gravure. Les circuits hybrides couche mince nont quune seule couche
conductrice, avec ou sans couche rsistive et/ou dilectrique.
La couche mince est un procd technologique qui comporte de nombreux avantages savoir :
Des dimensions minimales de 10 100 nm, compatibles avec la ralisation de motifs fins
(ligne haute impdance, coupleurs de lange, selfs spirales large bande).
Une diminution des pertes en ligne grce l'utilisation d'or de grande puret et l'excellente dfinition des bords de ligne.
Tableau 4 : Diffrents dilectriques pour capacit MIM
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
21/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 21
La ralisation de fonctions passives (capacits, inductances, lignes) avec des
caractristiques prcises lies la qualit des procds de dpt et de gravure des
matriaux.
mais qui reste par son cot lev, ddi des applications "hautes gammes" (spatial,
militaire...).
La figure ci-dessous retrace les diffrentes phases de fabrication dune couche mince.
Figure 19 : Diffrentes tapes de fabrication dune couche mince
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
22/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 22
4.2-Les circuits hybrides couche paisse
La technique couche paisse ou srigraphie consiste appliquer sur le substrat une pte ou
encre aprs avoir masqu les zones du substrat ne devant pas recevoir ce dpt. Une tape de
cuisson haute temprature (900 C) fixe l'encre et doit tre ralise aprs chaque dpt de couche.
On peut donc de cette manire dposer successivement des matriaux conducteurs, dilectriques ou
isolants. Les films ainsi obtenus sont assez pais : de 10 50 m dpaisseur.
La figure ci-dessous retrace les diffrentes tapes de fabrication dun circuit hybride en couche
paisse :
Fi ure 20 : Processus sim lifi de fabrication d'un circuit h bride en couche aisse
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
23/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 23
La srigraphie est un procd technologique qui comporte de nombreux avantages :
Densit d'intgration.
Souplesse d'utilisation. Reproductibilit et fiabilit.
Mais aussi des inconvnients pour certaines applications :
Mauvaise conductivit des encres.
Rsolution de gravure moyenne, ce qui entrane des pertes importantes.
La couche paisse photo-imageable ou srigravure tire la fois profit de la technique
srigraphie par son aspect multicouche et des avantages de la photolithographie par sa prcision et
sa qualit de rsolution. Cette technique apporte des solutions qui amliorent la possibilit
d'intgration des fonctions, grce aux aspects suivants :
Alignement entre couche.
Meilleure dfinition des bords de ligne d'o des pertes plus faibles.
Meilleure rsolution des lignes et des fentes.
5- Les technologies des circuits hybrides
Diffrentes technologies sont utilises pour fabriquer des circuits hybrides. Aunombre de ces technologies, nous pouvons citer :
La technologie MIC (Microwave Integrated Circuit),
La technologie HMIC (Hybrid Microwave Integrated Circuit),
La technologie MHMIC (Miniature Hybrid Microwave Integrated Circuit).
5.1- La technologie MIC
Les circuits MIC sont des circuits hybrides couche mince intgrant des lignes de
transmission sur le substrat, les autres lments (passifs, actifs) tant obligatoirement
reports. Ces circuits sont conus sur des substrats dalumine de 0.025 pouces dpaisseur.
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
24/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 24
Le procd de fabrication dun circuit MIC est prsent sur la figure suivante:
Figure 21 : Procd de fabrication dun circuit
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
25/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 25
5.3- Les technologies HMIC et MHMIC
Les circuits HMIC sont des circuits intgrant les lignes de transmission, les rsistances
et inductances (hormis les inductances spirales) sur un substrat.
Les circuits MHMIC sont les circuits les plus complexes qui autorisent l'intgration
d'lments de connexion (croisement par pont air),des trous mtalliss et d'lments
passifs, comme l'inductance spirale et la capacit MIM en plus des lments intgrables sur
les circuits HMIC sur un substrat dilectrique.
Figure 22 : Technologie MHMIC
Au niveau de ces technologies, les composants actifs sont ajouts par assemblage
aprs fabrication des lments passifs, en utilisant des techniques MIC. Lavantaged'intgrer
les lments passifs est la rduction considrable du cot de lassemblage et du nombre
d'lments s'assembler. Ces technologies prsentent les avantages suivants:
Rduction de la taille et de la masse des circuits. Meilleure fiabilit des connexions.
Meilleur contrle des longueurs de connexion donc meilleure reproductibilit.
Miniaturisation de circuits en rduisant le nombre de composants ajouter.
En gnral, la technologie de la couche mince est utilise dans la fabrication des
diffrents lments de ces technologies. Le choix du substrat est dtermin gnralement
par lapplication finale. Un des premiers exemples de l'application de MHMIC est le
dveloppement de modules de l'amplificateur quilibrs pour 8-18 GHz. Quelques
applications arospatiales sont aussi en dveloppement.
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
26/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 26
6- Les applications des technologies des circuits hybrides
Lutilit de ces technologies ne sera juge que par leurs applications qui sont aussi
nombreuses que varies. Citons entre autres :
Dans le domaine militaire, ces technologies sont utilises dans la conception des
radars, des armes intelligentes. Elles permettent aussi d'amliorer les performances
des composants utiliss dans les systmes de communications, les quipements de
tlcommunications, dans les liaisons optiques, etc.
En radioastronomie avec la mise au point des radiotlescopes.
En lectronique avec la ralisation des oscillateurs, amplificateurs, mlangeurs et
multiplicateurs de frquences
En radiomtrie avec lvaluation des caractristiques physiques ou naturelles de la
zone dobservation (tldtection) ; mesure des paramtres physiques divers tels
que distance, position, paisseur, vitesse, dformation etc.
Elles sont aussi utilises dans les systmes de tlcommunications spatiaux mais
aussi dans la tlphonie mobile.
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
27/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
Conu et rdig par CHOKKI Paterne et LALY Sagbo Page 27
CONCLUSION
Dans notre expos, nous avons vu que pour concevoir des circuits hybrides quil
fallait faire recours aux composants actifs et passifs le tout reports sur un mme substrat
dont les caractristiques dpendantes de lapplication finale. Notons quil existe plusieurs
technologies pour la conception des circuits hybrides dont le MIC, le HMIC et le MHMIC qui
se diffrencient par les composants et le substrat utiliss dans la fabrication. Ces
technologies plus pratiques pour les ondes millimtriques sont utiliss dans beaucoup
dapplications en radiocommunications mobiles. Pour pallier aux insuffisances de ces
technologies, est apparu la technologie MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit).
7/24/2019 Expose Circuits Hybrides
28/28
Conception des circuits hybrides : MIC, HMIC et MHMIC
BIBLIOGR PHIE
C.Algani :
Composants passifs
Yacouba COULIBALY :
Conception et fabrication de circuits intgrs monolithiques microondes pour
radiocommunications
Stphane SAVARD :
Fabrication et tude de composants micro-ondes planaires supraconducteurs
C. Rumelhard :
Les diffrents types de composants actifs en MMIC
Kobeissi HASSAN :
Analyse et caractrisation des structures planaires multi ports pour la conception et
la ralisation des combineurs et des diviseurs de puissance
WEBOGR PHIE
http://www.esiee.fr/~vasseurc/technologie.html
http://www.google.bj/#q=circuits+hybrides+%28mic%29&hl=fr&biw=1024&bih=573
&prmd=ivns&ei=HIg1TaLdE8GZOof7lLYC&start=10&sa=N&fp=54437303c45e3ae2
http://www.nanowavetech.com
http://www.google.bj/#q=circuits+hybrides+%28mic%29&hl=fr&biw=1024&bih=573&prmd=ivns&ei=HIg1TaLdE8GZOof7lLYC&start=10&sa=N&fp=54437303c45e3ae2http://www.google.bj/#q=circuits+hybrides+%28mic%29&hl=fr&biw=1024&bih=573&prmd=ivns&ei=HIg1TaLdE8GZOof7lLYC&start=10&sa=N&fp=54437303c45e3ae2http://www.google.bj/#q=circuits+hybrides+%28mic%29&hl=fr&biw=1024&bih=573&prmd=ivns&ei=HIg1TaLdE8GZOof7lLYC&start=10&sa=N&fp=54437303c45e3ae2http://www.google.bj/#q=circuits+hybrides+%28mic%29&hl=fr&biw=1024&bih=573&prmd=ivns&ei=HIg1TaLdE8GZOof7lLYC&start=10&sa=N&fp=54437303c45e3ae2http://www.google.bj/#q=circuits+hybrides+%28mic%29&hl=fr&biw=1024&bih=573&prmd=ivns&ei=HIg1TaLdE8GZOof7lLYC&start=10&sa=N&fp=54437303c45e3ae2http://www.google.bj/#q=circuits+hybrides+%28mic%29&hl=fr&biw=1024&bih=573&prmd=ivns&ei=HIg1TaLdE8GZOof7lLYC&start=10&sa=N&fp=54437303c45e3ae2