L'augmentation de la fréquence des signaux à transmettre conduit à la réduction de la taille des antennes et facilite leur implantation dans les circuits intégrés actuels. L'objectif de la première partie de ce chapitre est de présenter les tendances et les limites que l'industrie des semi-conducteurs prévoit pour les circuits intégrés.
LES INTERCONNEXIONS DANS LES CIRCUITS INTEGRES
Les interconnexions intra-puce
- L’architecture du réseau
- L’évolution des paramètres électriques
- La distribution des signaux d’horloge
La résistance R d'une ligne de longueur L dépend de la résistance du matériau et de la section du conducteur. Tous ces facteurs contribuent donc à une forte augmentation de la résistance d'une génération technologique à l'autre.
L’impact de l’évolution technologique
- Le retard à la propagation du signal
- L’insertion des répéteurs
- Le décalage (skew) de la distribution des signaux d’horloge
- La consommation de puissance
- Le débit global
Cette dernière dépend de la capacité d'entrée totale (registres et interconnexions) et de la distorsion acceptable [Mij-87]. Cependant, la diminution de la fréquence va à l'encontre de la tendance vers des circuits de plus en plus rapides.
LES SOLUTIONS INNOVANTES
Les interconnexions 3D
Il est bien connu que la majeure partie de la chaleur générée dans les circuits intégrés provient des transistors et est dissipée par le substrat de silicium. Avec une architecture à plusieurs niveaux, les appareils des étages supérieurs généreront également une partie importante de la chaleur.
La voie optique
Les efforts de développement de la technologie optique se concentrent sur la mise en œuvre d'un émetteur, d'un récepteur et d'un guide d'onde [Che-05] (Fig.I.13). Les guides d'ondes optiques sont constitués de deux matériaux diélectriques : un matériau à haut indice (le cœur) est entouré d'un matériau à faible indice (la gaine).
LES INTERCONNEXIONS RF
Interconnexions RF- guidées
Le système proposé [Cha-01-a, Cha-01-b, Shi-02] consiste en un LAN (réseau local) dans un module multipuce. Après une étape de modulation, l'émetteur envoie les signaux au canal de transmission à travers un coupleur capacitif, qui est situé à une distance de 25 µm de la ligne de transmission.
Interconnexions RF sans fils
Le récepteur peut détecter un signal de -43 dBm à l'entrée de l'amplificateur à faible bruit (L.N.A.). Étant donné que l'atténuation du système de transmission sans fil est de -64 dB à la fréquence de 7,4 GHz, un amplificateur externe doit être disponible qui fournit +21 dBm de puissance à l'entrée de l'antenne d'émission.
Faisabilité et défis des interconnexions RF sans fils
- La vitesse de propagation du signal
- La consommation de puissance
- Les interférences électromagnétiques
- L’intégration des antennes
Ces résultats sont basés sur des résultats expérimentaux pour l'horloge à onde de 0,25 µm et d'autres résultats publiés pour le réseau et l'arbre H [Res-98]. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de l'estimation du rapport signal/bruit maximal pour une distribution sans fil des signaux d'horloge : force du signal transmis, gain de transmission de l'antenne, effets d'interférence associés à la présence d'autres structures, bruit thermique et bruit induit dans les antennes en raison aux croisements de circuits numériques adjacents.
OBJECTIF DE L’ETUDE : EVALUER LA FAISABILITE ET
Switching noise picked up by a planar dipole antenna placed near integrated circuits¨, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.44, p. Mayers, ¨Interfacing Synchronous and Asynchronous Modules Within a High Speed Pipeline¨, IEEE Transactions on VLSI Systems, vol. 8, No. 5, p.
ANTENNE EN ESPACE LIBRE
Définition des paramètres principaux des antennes [Bal-97]
- Le diagramme de rayonnement
- Régions de rayonnement
- Directivité, efficacité et gain
- Impédance d’entrée
Le champ proche rayonnant est la région de l'espace où le rayonnement ondulatoire domine et la distribution angulaire du champ dépend de la distance. La partie réelle est la somme de la résistance au rayonnement (RR) et de la résistance aux pertes (Rlosses).
Méthode de modélisation
- Principe de la méthode
- Calcul de la matrice de répartition [S]
L'impédance d'entrée (Zin) est définie comme le rapport entre la tension et le courant à l'entrée de l'appareil. La figure suivante (Fig.II.8) montre les dimensions d'une antenne linéaire utilisée pour tester la fiabilité de la méthode numérique.
ANTENNE INTEGREE SUR SILICIUM
Modélisation des antennes sur silicium
- Théorie des antennes sur substrat
- Guide d’onde ouvert
L'effet physique le plus important pour les antennes à base épaisse (Figure II.13) est l'apparition d'ondes de surface [Poz-83]. Cela signifie que pour deux dipôles colinéaires (Figure II.14), le couplage est principalement lié aux ondes de surface et présente une décroissance lente (1/r½) en fonction de la distance. L'application des équations II.12-a, II.12-b, II.12-c et II.12-d dans la bande de fréquences de 10 GHz à 40 GHz, qui est la bande destinée au fonctionnement des antennes, donne les résultats présentés dans le tableau suivant.
L'application des équations II.13-a et II.13-b pour le silicium (εr = 11,7) donne la fréquence de coupure des modes en fonction de son épaisseur (tableau II.2).
Influence du substrat multi couche
- Conception de la structure d’étude
- Variation de l’épaisseur du silicium
- Variation de la résistivité du silicium
- Influence du diélectrique mince
- Influence de la métallisation en face arrière
- Comparaison entre substrat Si-bulk et SOI
- L’impact du réseau d’interconnexions
Nous considérons deux antennes dipôles (Fig.II.17) placées sur une tranche de silicium (εr = 11,7) d'une épaisseur de 375 µm et de résistivité conventionnelle (ρ = 20 Ohm.cm). Dans la figure suivante (Fig.II.21) on trace la variation du coefficient de transmission (S12) pour des antennes sur silicium et la loi de Friis (G) pour une paire d'antennes en espace libre en fonction de la distance (d ) de séparation entre les dipôles à la fréquence de résonance. La figure suivante (Fig.II.23) montre le coefficient de réflexion de l'antenne en fonction de la fréquence, pour différentes valeurs de l'épaisseur du substrat et pour une résistivité fixe (ρ = 20 Ohm.cm).
Dans le même temps, les mauvaises caractéristiques de rayonnement sont liées à l'impédance d'entrée de l'antenne (Fig.II.24) et à la désadaptation causée par l'augmentation de l'épaisseur du silicium.
LA ZONE D’EXCLUSION DU METAL
L’impact de la géométrie de la zone d’exclusion
On considère d'abord une longueur (la) égale à 2,2 mm et on change la largeur (α) de la zone. Les figures suivantes (Fig.II.54), (Fig.II.55) représentent les coefficients de réflexion et de transmission en fonction de la fréquence pour différentes valeurs de la largeur (α) de la zone d'exclusion. L'augmentation de la largeur conduit à un décalage de la fréquence de résonance des antennes vers les basses fréquences.
Les caractéristiques d'adaptation avec la source d'excitation sont progressivement améliorées et le rendement de l'antenne augmente avec l'élargissement de la zone d'exclusion.
Effet du substrat sur la zone d’exclusion
Quant au coefficient de transmission, l'augmentation de la résistivité du silicium réduit la perte de propagation d'env. 10 dB par rapport au silicium conducteur, indiquant qu'une partie de l'énergie est canalisée dans le substrat. Si l'on prend maintenant en compte les pertes dues à la désadaptation d'antenne et que l'on calcule le gain de transmission, on obtient des valeurs très intéressantes (Fig.II.60) pour les antennes sur silicium 375 µm. L'augmentation de l'épaisseur (Fig.II.61), (Fig.II.62) du substrat entraîne de faibles variations de réflexion et de transmission : l'excitation éventuelle de modes supplémentaires induit des pertes supplémentaires dans la transmission.
L'augmentation de la résistance réduit les pertes de conduction et l'augmentation de l'épaisseur permet d'exciter des modes supplémentaires.
CONCLUSIONS
Alexopoulos, "Sur l'effet de l'épaisseur et de la permittivité du substrat sur les propriétés des dipôles des circuits imprimés", Transactions IEEE sur les antennes et la propagation, volume Alexopoulos, "Distribution de courant et impédance d'entrée des dipôles imprimés", Transactions IEEE sur les antennes et la propagation, volume Puis étudié les performances d'antennes intégrées sur substrat silicium massif et SOI en technologie CMOS 120 nm.
L'impact des ¨factices¨ sur les performances des antennes intégrées est abordé pour la première fois.
INTEGRATION ET CARACTERISATION DES STRUCTURES DE
- Technologie d’intégration
- Conception des antennes
- Méthode de mesure hyperfréquence
- Exemple de caractérisation d’une paire d’antennes
- Impact de l’excitation
On mesure donc la matrice [S] des plots en configuration circuit ouvert (¨open¨) et en configuration court-circuit (¨short¨) (Fig.III.13). Figure.III.25 : Influence de l'excitation sur le coefficient de transmission pour une paire d'antennes intégrées en silicium 725 µm. Figure.III.27 : Coefficient de transmission en fonction de la fréquence pour les deux types d'excitation.
Figure.III.28 : Coefficient de réflexion en fonction de la fréquence pour les deux types d'excitation.
PERFORMANCES DES ANTENNES INTEGREES
- Influence de l’épaisseur du substrat
- Influence de la résistivité du substrat
- Effet des ¨dummies¨
- Comparaison entre simulation et mesure
Figure.III.31 : Coefficient de réflexion en fonction de la fréquence pour différentes épaisseurs de silicium. Figure.III.33 : Amplitude du coefficient de transmission en fonction de la fréquence pour différentes valeurs d'épaisseur de silicium. Figure.III.34 : Phase du coefficient de transmission en fonction de la fréquence pour trois épaisseurs différentes du substrat.
Figure III.50 : Comparaison entre mesure et simulation de l'amplitude du coefficient de transmission pour une paire d'antennes sur silicium 375 µm.
CONCLUSIONS
Dans un second temps, nous abordons les effets des interférences électromagnétiques entre les antennes et les lignes de transmission, une étude essentielle pour la viabilité des interconnexions sans fil. Les résultats présentés dans cette thèse montrent que le couplage entre les antennes et les lignes voisines est du même ordre que le couplage entre les lignes classiques. Les choix du type de ligne (microruban ou coplanaire) et de son placement (horizontal ou vertical) par rapport aux antennes sont étudiés.
Les propriétés du substrat (résistance, épaisseur) jouent encore un rôle important dans l'interaction entre les antennes et les composants situés dans leur environnement.
CONCEPTION DES MOTIFS DE TEST
Structures dédiées à l’impact de métallisation
Une coupe verticale du bras d'une antenne sur la grille est représentée sur la figure ci-dessous (Fig.IV.3), où l'on distingue également les couches de passivation. La notion de zone d'exclusion métallique se retrouve lors de la réalisation de certaines paires d'antennes (Fig.IV.4), (Fig.IV.5). Nous avons donc créé une zone d'exclusion totale des métaux (pas de connexions ni de ¨factices¨) autour des antennes et sur tous les niveaux inférieurs (M1-M6).
La figure suivante (Fig.IV.6) montre une photo vue de dessus d'une antenne sur la zone d'exclusion totale des métaux où l'on distingue également les boîtiers d'accès.
Structures dédiées aux effets de couplage
Sur la figure IV.12, on voit l'une des antennes sur une zone d'exclusion métallique, ainsi que quelques lignes de niveau M6 en configuration microruban et coplanaire.
PERFORMANCES DES ANTENNES EN PRESENCE DE
Impact de la métallisation
Dans ce paragraphe, nous commençons par mesurer la matrice [S] pour une paire d'antennes placées sur l'ensemble de la grille (Fig.IV.16). La figure suivante (Fig.IV.20) présente le coefficient de transmission pour ce couple d'antennes à lignes microruban et coplanaires, implanté entre les antennes d'émission et de réception et traversant la zone d'exclusion métallique. Le coefficient de réflexion de l'antenne et son impédance d'entrée sont ensuite étudiés (Fig. IV.23), (Fig.IV.24).
Comme le montre la figure ci-dessous (Fig.IV.27), la puissance d'émission diminue avec l'augmentation de la distance entre les antennes.
Effet de l’épaisseur et de la résistivité du substrat
Enfin, nous étudions l'impact de la résistance du substrat pour les cas où les antennes sont placées sur l'ensemble de la grille métallique (Fig.IV.34). Nous constatons que l'influence de la résistance devient significative même pour cette paire d'antennes sur l'ensemble de la grille métallique. Une transmission affaiblie mais relativement stable en fonction de la fréquence (S12 ~ - 60 dB) est mesurée (Fig.IV.35).
L'effet de la variation de résistivité du substrat sur l'amplitude du coefficient de transfert aide à établir ce point, ii) nous constatons que l'effet de blindage global dû à la première couche métallique n'est pas perceptible ici comme dans les simulations.
ETUDE DU COUPLAGE PARASITE
- Couplage entre antennes et lignes
- Effet de l’orientation des lignes
- Influence du substrat sur le couplage antenne ligne
- Comparaison du couplage antenne-ligne et ligne-ligne
La figure ci-dessous (Fig.IV.38) montre le coefficient de transmission entre une antenne et une ligne microruban, placée aux niveaux M6 ou M4 pour une distance (d) de 1600 µm. On remarque également que le couplage diminue avec l'augmentation de la distance entre la ligne et le centre de l'antenne où les champs sont plus intenses (Fig.IV.41). La comparaison entre une ligne microruban et une ligne coplanaire, placée cette fois perpendiculairement aux bras de l'antenne est représentée sur la figure suivante (Fig.IV.43) : aucune différence significative n'est observée.
La ligne agresseur est une ligne microruban et la ligne victime est de type microruban ou coplanaire.
CONCLUSIONS
Les résultats présentés dans ce chapitre sont les premiers à notre connaissance dans l'étude consacrée à l'impact des métallisations sur les performances des antennes intégrées. Cependant, la coexistence des antennes dans les circuits intégrés avec d'autres composants nous a conduit à étudier l'effet des métallisations sur les performances d'un système de transmission. On aborde donc le cas d'un système réel avec insertion d'interconnexions étanches sous les antennes : l'approximation d'une couche métallique s'avère suffisante pour décrire les performances des antennes pour ce cas.
Tous les résultats présentés dans cette étude sont certainement très encourageants pour l'intégration d'antennes dans le cadre d'un système de communication sans fil.
