Règles de Conception

Telecom Bretagne Règles de Conception Technologie LTCC Khodor RIDA avec l aide de Guy CHUITON, Pascal COANT, Jean-Philippe COUPEZ, Camilla KÄRNFELT Alain PÉDEN, et Cristina ARENAS BUENDIA Version 1 : 03/02/2013 Version 2 : 15/04/2013 Version 3 : 14/08/2013 Version 4 : 05/11/2013 Version 5 : 07/02/2014 Version 6 : 22/04/2014

Table des matières 1 Introduction...3 2 Procédure de fabrication des LTCC...3 2.1 Schéma de conception...3 2.2 Nomenclature des couches...4 2.3 Liste de matériaux...5 3 Règles de conception...7 3.1.1 Précisions : dimensions de trous...10 3.1.2 Précisions : dimensions du substrat...10 3.1.3 Précisions : plan de masse en grille...10 3.1.4 Précisions : cavités...11 3.1.5 Précisions : AuPt...12 4 Annexes...13 4.1 Annexe 1 : Préparation du tape...13 4.1.1 Découpe de tape...13 4.1.2 Perçage de trous...14 Annexe 2 : Particularités de la découpe laser...15 4.2 Annexe 3 : Exportation de fichiers de fabrication...15

1 Introduction Ce document est une aide pour toute personne qui souhaite réaliser des circuits hyperfréquences en technologie multicouche LTCC dans le laboratoire du département Micro-ondes à Telecom Bretagne. Il donne les dimensions physiques nécessaires pour concevoir ce type de circuits en utilisant les matériaux LTCC provenant du fabricant Américain ESL. Toutes les dimensions sont exprimées dans le système métrique (en millimètres). 2 Procédure de fabrication des LTCC La fabrication du LTCC est une succession d'étapes relativement simples et facilement contrôlables. le procédé de fabrication LTCC (Figure 1) consiste en la préparation des couches, perçage des trous et des cavités, remplissage des trous par une pâte conductrice, sérigraphie des conducteurs, empilement des couches, pressage, cuisson et finalement vérification, mesure et validation. 2.1 Schéma de conception Figure 1. Procédé de fabrication de circuits en technologie LTCC Les motifs sur toutes les couches ainsi que les trous et les cavités doivent être dessinés avec un logiciel de dessin (Auto-CAD, ADS-Momentum, ) qui permet l exportation de différents types de fichiers (gerber, drill, dxf ) nécessaires pour la fabrication. La taille du circuit est de 50.8 x 50.8 mm (voir Figure 2) et l espace de travail 37 x 37 mm max avant cuisson. Tous les dessins ont une origine commune dans le coin gauche-bas du circuit. Un repère d orientation en x et y doit être implémenté.

Le dessin doit comporter deux trous d alignement de 400 µm de diamètre (en bleu) pour le remplissage de trous, ainsi que les mires (en jaune) nécessaires pour l alignement de l écran et du substrat lors de la sérigraphie. Les 4 trous d alignement pour l empilage de diamètre de 3 mm chacun (en bleu) sont espacés de 40 mm en x et en y. Chaque couche est tournée de 90 par rapport à la précédente (avant le perçage laser). Ceci n a aucune incidence sur la conception des maques. 2.2 Nomenclature des couches Figure 2. Schéma de conception de circuits en LTCC La nomenclature de couches en LTCC doit être appliquée du bas vers le haut comme représenté sur la Figure 3. La lettre L représente les couches, C les conducteurs, V les trous et Cav les cavités. Le plan de masse extérieure sera appelé L0-C0. Les couches L1_Cav1 jusqu à L4_Cav4 ne sont pas présentées ni dans la Figure 3, ni dans le design kit du LTCC comme des cavités dans les quatre première couches ne sont pas permis. Une couche de AuPt est rajoutée en couche externe top, appelée Pad_AuPt_on_top_layer. Ceci est utilisée pour des plots de connecteurs.

2.3 Liste de matériaux Figure 3. Nomenclature de couches Les matériaux disponibles au laboratoire et qui sont utilisés pour la fabrication de circuits en LTCC sont listés dans le Erreur! Source du renvoi introuvable.. Leurs caractéristiques données par ESL et celles obtenues à Télécom Bretagne sont listées dans le Erreur! Source du renvoi introuvable., Tableau 3. Caractéristiques du tape ESL41020. Données TB Données ESL Référence TBD Constante diélectrique TBD 7.3 (1 MHz) à 8.2 (18 GHz) tanδ TBD 0.5 % (1 MHz) Retrait X et Y TBD 14±1 % Retrait Z TBD 14±2 % Épaisseur d une couche du substrat TBD 100-130 µm

et Tableau 4. Tableau 1. Matériaux disponibles au laboratoire. Matériau Référence Substrats ESL41110 Constante diélectrique faible (εr = 4.2) ESL41110 ESL41020 Constante diélectrique moyenne (εr = 7) ESL41060 Constante diélectrique haut (εr = 18) ESL41060 Conducteurs ESL802 Au - Métallisation de trous ESL802 ESL803 Au - Métallisation de conducteurs ESL803 5837-G AuPt - Métallisation pour soudure (couche externe uniquement) 5837-G ESL49000 Remplissage de cavités ESL49000 Tableau 2. Caractéristiques du tape ESL41110. Données TB Données ESL Référence ESL41110 Constante diélectrique ε r = 4.2 4.3-4.7 tanδ 0.018 <0.4% à 1 MHz Retrait X et Y 13.5 ±1 % 15±1 % Retrait Z 16% 15±1 % Épaisseur d une couche du substrat 106 µm en livraison 87±1 µm après lamination et avant cuisson 75±5 µm après cuisson 100-130 µm Tableau 3. Caractéristiques du tape ESL41020. Données TB Données ESL Référence TBD Constante diélectrique TBD 7.3 (1 MHz) à 8.2

(18 GHz) tanδ TBD 0.5 %(1 MHz) Retrait X et Y TBD 14±1 % Retrait Z TBD 14±2 % Épaisseur d une couche du substrat TBD 100-130 µm

Tableau 4. Caractéristiques du tape ESL41060. Données TB Données ESL Référence Constante diélectrique tanδ ESL41060 16.2 (1 MHz)-19 (19 GHz) 0.2% (1 MHz) Retrait X et Y 9% 9.5±0.5 % Retrait Z 14% 15±1 % Épaisseur d une couche du substrat 128±2 µm après lamination et avant cuisson 115±5 µm après cuisson 100-130 µm 3 Règles de conception Figure 4. Descriptif règles de conception.

Tableau 5. Règles de conception. Intitulé Détail Dimension (µm) Min. Typ. Max. Valeur avant cuisson Valeur après cuisson Commentaire A Diamètre de via métallisé 150 200 400 Oui Diamètre dessiné = diamètre exigé*[1/ (1-retrait/100)] (undersize = 30µm pour le faisceau du laser pour ESL41110) B Plot autour de via A +50 Oui c.f. Figure 5 C Entraxe via à via 3 A Oui D Distance centre via au bord de substrat et bord de la cavité 2 A Oui E Largeur ligne 100 Oui F G H Distance entre lignes ou entre ligne et plot de trou via Distance ligne au bord de substrat Distance entre ligne et plot de composant CMS Distance entre plot CMS et bord du substrat Distance ligne au bord d une cavité 100 Oui 200 Oui 300 Oui 500 Oui 150 200 Oui I Largeur cavité 1800 9000 9000

J Épaisseur du substrat dessous une cavité 300 400 Oui K Épaisseur totale du substrat 450 Oui Dimension totale du substrat Plan de masse intérieure Plots pour souder des composants 50.8 50.8 mm Oui c.f. Figure 6 Libérer > 50% du l espace par rapport au plan de masse continue, c.f. Figure 7 AuPt sur couche extérieure cuisson postérieure Nomb re de vias Vias sur maximum 30% de la surface utile peu import leur entraxe

3.1.1 Précisions : dimensions de trous Pour assurer une métallisation complète pendant la phase de remplissage de trous, il faut que les diamètres soient adaptés à l épaisseur du substrat. Figure 5. Dimensions d un trou L interconnexion entre un trou et une ligne est faite à travers d un plot carré ou circulaire, avec une taille minimale plus grande que le diamètre du trou de 50 µm (b = 25 µm min). Les trous se rétractent dans le même manière que la reste de la tape LTCC pendant cuisson, on doit donc compenser le diamètre pareil comme pour les motifs de conducteurs. 3.1.2 Précisions : dimensions du substrat Figure 6. Couches avant et après cuisson 3.1.3 Précisions : plan de masse en grille Un plan de masse en grille est recommandé dans les couches intérieures pour éviter la déformation du substrat dans le cas du plan de masse complet. Afin d améliorer les performances RF de certains éléments hyperfréquences, des zones de plan de masse continu peuvent être ajoutés. En plus, des plots métalliques sont nécessaires pour assurer l interconnexion entre les trous et le plan de masse.

Figure 7. Plan de masse en grille Un plan de masse en grille doit libérer au moins 50 % de l espace conducteur par rapport au plan de masse continu. Par exemple, sur la figure ci-dessus, la largeur de la ligne (a) est de 0.2 mm et l espacement (b) est de 0.4 mm. Pour des applications en bande millimétriques, il faut conserver la taille de l ouverture (b) le plus petite possible en minimisant le pourcentage des conducteurs dans la couche. 3.1.4 Précisions : cavités Les cavités et d autres formes en 2D sont découpées sur chaque couche avant cuisson à l aide d un Laser. Afin d éviter l écrasement périphérique de la cavité lors du pressage du circuit, des inserts du matériau fugitif ESL49000 (en marron) sont placés dans la cavité pour la protéger de la forte pression. Pour une cavité de dimension X Y, la découpe laser de matériau fugitif sera fait pour les dimensions X+75 µm Y+75 µm. Figure 8. Les cavités seront remplies avec du matériau fugitive avant cuisson.

3.1.5 Précisions : AuPt Cette encre doit être imprimée et cuite après la cuisson du substrat comme l AuPt ne supporte pas la même température de cuisson que l or des pistes et trous vias. Pour cela il faut préparer le masque en dimension finale (sans compensation du retrait). La chevauche doit être de la même dimension que la largeur de la piste. Avant soudure on bloque la piste avec une protection pour éviter que la soudure détruise l or.

4 Annexes 4.1 Annexe 1 : Préparation du tape 4.1.1 Découpe de tape Le principe consiste à couper des «Green tapes» de LTCC (livrée en rouleau de 305 mm de largeur) en petits carrés de dimension 50.8 mm x 50.8 mm. On peut donc obtenir 6 carrés par largeur. Fig. 2 : découpe des couches en LTCC Les tapes livrées en rouleaux sont coupés par une lame ou par laser en grands carrés. A partir de ces carrés, on découpe les couches aux dimensions souhaitées. Afin de compenser le retrait en direction x/y, il est recommandé de marquer l orientation des couches en direction (0, 90, 180, 270 ) En utilisant la règle, diviser les grands carrés de LTCC (largeur 306 mm) en 6 petits carrés de dimension (50.8 mm x 50.8 mm). En utilisant la règle et la lame, couper ces carrés. Faire pour chaque couche découpée un marquage l aide du stylo en haut et à gauche (Création du repère direction 0) pour assurer l orientation des couches.

Fig. 3 : orientation des couches 4.1.2 Perçage de trous Cette étape consiste à percer des trous dans toutes les couches de LTCC prédécoupées afin de les préparer pour les étapes suivantes. Si plus que 256 trous sur une couche LTCC il va falloir générer plusieurs fichiers de perçage, c.f. Annexe 3. Fig. 4: trous de registration et d orientation Toutes les couches sont percées aux angles de 4 trous de diamètre 3 mm, ces trous sont espacés de 40 mm. Pour des couches comportant des vias, les trous d empilage sont dans le même fichier.

Annexe 2 : Particularités de la découpe laser Les couches des différents niveaux des circuits LTCC sont usinées par la machine laser à partir de fichiers DRL et DXF ou par programmation des outils spécifiques dans l interface du laser directement. Le laser sert donc à percer des trous et à découper des cavités, formes complexes, lignes, Dans tous les cas il est nécessaire de tenir compte du diamètre du faisceau laser au point de focalisation, soit un diamètre de 30 microns. Pour pallier à cela il faut soustraire «undesize» le diamètre du laser des fichiers de lay-out (souvent générés sous ADS), voir Annexe 3. Les couches de LTCC étant suffisamment minces, le facteur de forme entre l entrée et la sortie du trou est négligeable. 4.2 Annexe 3 : Exportation de fichiers de fabrication Les formats de fichiers nécessaires pour le prototypage de circuits en LTCC sont : HPGL pour le traçage des masques de remplissage de trous et de la sérigraphie o NB : toutes couches sélectionnés sous ADS lors de la génération de fichier hpgl seront inclues dans le fichier et désormais traçées sur la même masque. DRL pour le perçage des trous o NB : une maximum de 256 trous est admise dans le même fichier *.DRL, à cause d un problème du logiciel dans le laser DXF pour la découpe Ces formats peuvent être exportés à partir du logiciel ADS. Une correction du fichier en format DRL dans le logiciel Matlab est obligatoire pour qu il soit compatible avec notre machine Laser. Le procédé d exportation du fichier DRL sous ADS et la correction dans Matlab est le suivant : 1) Sous ADS : à partir du fichier corrigé pour le retrait, créer une copie du lay-out nommé filename_undesize30um. Dans ce fichier toutes trous (et toutes autres formes prévues pour être découpés dans le laser) seront sélectées et on fait Edit->Scale/Oversize-> - 0.030 comme l indique la figure cidessous. Si avant le rayon d un trou est de 1.5 mm avant cette opération, il sera 1.47 mm après.

Quand tous trous/formes de découpe sont undersized les fichiers *.drl et *dxf sont créés Pour le fichier *.dxf il n y a pas des particularités à prendre en compte. Ce type de fichier est lisible directement par le laser. Par contre, les fichiers de type *.drl doivent passer des étapes supplémentaires, comme indiqué par la suite. 2) Sous ADS : File Export Gerber More options Modifier les paramètres suivants

Le fichier sorti d ADS est du format suivant : Ce fichier n est pas bon pour le laser car il manque des indications X et Y pour chaque trou. En le convertissant nous créons un script Matlab qui va corriger cela et en même temps donner le «demi-diamètre» des trous pour s adapter au logiciel du laser (le laser lit le diamètre donnée comme le rayon).

3) Passer le fichier sous l outil Matlab faisant la commande : >> fun_drlfromads('filename.drl') Ceci va générer un fichier new_filename.drl avec l allure suivante : Ce fichier est maintenant utilisable par le laser.