Conception d’interfaces boitiers innovantes pour le radar automobile 77-GHz

Modélisation électromagnétique et validation expérimentale

 La modélisation d’interconnexions simples correctement choisies permet de valider la simulation électromagnétique en comparant les résultats obtenus à la mesure, et de lever ainsi le doute sur de nombreux paramètres. Pour ce travail préliminaire, on se focalisera donc sur les structures de plots et de lignes de transmissions. Ces composants sont généralement assez simples à simuler et à caractériser alors qu’ils permettent d’apporter des informations importantes sur la qualité de la simulation. 

Plots standards pour des signaux de fréquences millimétrique 

Les plots pour la connexion de la puce sont la plus part du temps présents dans la conception et dans la caractérisation des blocs millimétriques. Ils sont intégrés dans l’adaptation du bloc pour présenter des performances optimales en aval du plot, ou épluchés de la mesure du bloc si on s’intéresse aux performances du bloc en amont du plot. Dans les deux cas, une caractérisation précise du plot est requise. Il est souhaitable d’utiliser la taille de plots la plus petite possible mais cette réduction des dimensions est limitée par la nature des interconnexions entre la puce et son environnement, comme par exemple le type des pointes de mesure. Dans le cas où la puce est encapsulée, la taille minimale des plots varie généralement entre 0.0025 mm² et 0.01 mm² selon le type de boitier. La capacité parallèle présente peut ainsi dépasser 100 fF, ce qui impacte significativement les performances de circuits opérant autour de   77-GHz. En effet, la formule (7) calculant la capacité (C) d’un condensateur plan, basé sur des valeurs typiques pour les technologies monolithiques, donne une valeur de 78 fF. 𝐶 = 𝜀0 × 𝜀𝑟 × 𝐴 𝑑 (7) Avec : 𝜀0 = 8,84 × 10−12 F. 𝑚−1, la permittivité électrique du vide 𝜀𝑟 = 4, la permittivité relative du diélectrique 𝐴 = 0.01 𝑚𝑚², la surface du plan métallique du plot 𝑑 = 4.7 µ𝑚, la distance entre le plan métallique du plot et la masse Dans un premier temps, nous procédons à la modélisation électromagnétique d’un plot intégrant un écran métallique compte tenu que cette structure est plus facile à modéliser qu’un plot au-dessus d’un substrat. Les plots des technologies Silicium utilisent une couche métallique supplémentaire plus épaisse que les autres métallisations afin de garantir un bon contact et une bonne résistance mécanique. Le métal est généralement un alliage de cuivre et d’aluminium (AlCu). Le motif du dernier niveau métallique du plot déborde des motifs métalliques inférieurs de manière plus ou moins significative selon les technologies et le dessin des masques. Sur la Figure 23 ci-dessous une vue en perspective présente le modèle électromagnétique du plot à caractériser où le métal en violet correspond à l’AlCu : Figure 23 : vue 3D du plot de puce   Ce plot métallique est un plot de type masse-signal-masse (GSG pour Ground-Signal-Ground) et la couche métallique supérieure est un carré d’environ 100 µm par 100 µm. Il a été simulé à l’aide des outils ADS et HFSS des sociétés Keysight et ANSYS respectivement. Les deux méthodes de résolution numérique Momentum et FEM ont été utilisées pour ADS et la méthode FEM a été utilisé pour HFSS. Par la suite, on identifiera les simulations réalisées à l’aide de l’outil ADS Momentum par MoM, les simulations réalisées à l’aide de l’outil ADS FEM par FEM et les simulations réalisées à l’aide de l’outil HFSS FEM par HFSS. Les modèles EM utilisés dans les deux simulateurs sont présentés sur la Figure 24. Ils ont des géométries identiques et utilisent les mêmes propriétés de matériaux. (a) (b) Figure 24 : comparaison entre les vues 3D ADS (a) ET 3D HFSS (b) utilisant les mêmes types de port La Figure 25 présente les résultats des différentes simulations en paramètres S du plot métallique en dipole. Ces résultats de simulations sont accompagnées de mesures réalisées dans les conditions les plus proches de la simulation en utilisant des paramètres S 1-port du VNA 110 GHz sous pointes. Comme le plot dispose d’une composante capacitive dominante, on peut négliger son inductance et on considère que la capacité parallèle du plot est égale à: 𝐶𝑝𝑙𝑜𝑡 = −1 𝐼𝑚(𝑍11) × 𝜔 (8) Avec : 𝜔 = 2𝜋 × 𝑓𝑟é𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒 Z la matrice des paramètres impédances   Figure 25 : résultats de simulations ADS MoM, ADS FEM et HFSS et de mesures des plots d’accès avec plan de masse Les trois outils de simulations donnent des résultats assez proches en amplitude et en phase, mais l’extraction de la capacité à partir des paramètres S obtenus montre un écart de 10 fF (11 %) entre HFSS et ADS. Cet écart ne dépend pas de la méthode de calcul ou de la géométrie et des propriétés de la structure. En effet, MoM et FEM sur ADS donnent des résultats identiques jusqu’à 40 GHz et la structure utilisée dans HFSS a été directement importée au format « SAT » depuis ADS. La principale différence entre les deux outils est la manière avec laquelle les ports sont définis. En effet, même lorsqu’on choisit des ports non calibrés dans les simulateurs, les outils concernés effectuent des opérations de calibrage qui leur sont propres pour compenser l’inductance virtuelle du port. Des informations sur la théorie des ports non calibrés peuvent être trouvées dans l’aide des outils. Des travaux [2.6] confirment la grande dépendance entre les résultats de la simulation du plot GSG et les dimensions du port non calibré ainsi que son emplacement. Des simulations basées sur une variation de l’ordre d’une dizaine de microns des dimensions du rectangle constituant le port localisé montrent une variation de phase avoisinant 30° (19%) à 67 GHz. La différence entre les simulations ADS et HFSS est de l’ordre de 5° (4%) à la même fréquence. On remarque que les simulations et les mesures donnent des résultats assez similaires. Ceci dit, on s’est fixé comme cible de précision une différence de valeur de capacité ne dépassant pas 10%, or on a ici un écart d’environ 20%.   À l’aide du simulateur ADS FEM, nous avons recherché l’origine de l’écart entre les simulations et la mesure. Le choix de se focaliser sur un simulateur FEM est principalement lié à l’intérêt de cet outil pour la caractérisation du boitier comme déjà expliqué. Pour la préférence d’ADS par rapport à HFSS, le principal argument est l’interopérabilité naturelle offerte par cet outil concernant l’exploitation des dessins en provenance de Cadence Virtuoso. Les deux outils d’aide à la conception partagent la même base de données appelée « OpenAccess ». Après des investigations autour de nombreux paramètres du modèle électromagnétique tels le maillage, les ports, les dimensions et les propriétés des matériaux, il s’est avéré que la définition des ports explique une grande partie de cet écart entre les simulations et les mesures, comme le montre le Tableau 3.