Etude théorique et expérimentale des techniques d’assemblage et de mise en boîtier pour l’intégration de microsystèmes radio-fréquences

par David Peyrou

Thèse de doctorat en Mécanique et microsystèmes

Sous la direction de Robert Plana et de Patrick Pons.

Soutenue en 2006

à Toulouse 3 .

mots clés

• Mems rf
• Micro-commutateurs parallèles capacitif micro-ondes
• Packaging
• Benzo-Cyclo-Butène
• Simulations multiphysiques
• Ansys
• Comsol
• Analyse mécanique et micro-onde
• Mems rf
• Capacitive microwaves parallel microswitches
• Packaging
• Benzo-Cyclo-Butène
• Multiphysics simulations
• Ansys
• Comsol
• Mechanical and microwave analysis
• Systèmes microélectromécaniques -- Fiabilité
• Microtechniques
• Radio -- Émetteurs-récepteurs
• Commutation (électricité)

Résumé

Les Micro Systèmes Electro Mécaniques Radio-Fréquences (MEMS RF) bouleversent le paysage de la microélectronique, en laissant entrevoir des possibilités vertigineuses : exceptionnelles performances hyperfréquences, grande linéarité et faible consommation. Malgré ces avantages indéniables, la mise sur le marché de composants à base de MEMS RF est freinée par leurs manques de maturités au niveau du flot de conception, de la mise en boîtier (packaging) et de la fiabilité. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont porté sur l’étude théorique et expérimentale des techniques d’assemblage et de mise en boîtier pour l’intégration de micro-commutateurs RF opérant en bande X (10 GHz). Après une description des techniques de mise en boîtier suivie d’une analyse fonctionnelle, nous mettons en évidence une solution d’assemblage par report d’un capot avec un scellement en polymère. Afin de répondre aux enjeux de conception, nous avons identifié un besoin de modélisation à partir de logiciels de simulation éléments finis (EF) multi-physique, permettant de générer des macro-modèles comportementaux. Ainsi, nous discutons des possibilités offertes par deux logiciels EF réellement multi-physique : ANSYS et COMSOL. Finalement, nous proposons une solution (boîtier micro-usiné en Foturan et scellement en polymère BCB) compatible avec les possibilités technologiques, les contraintes dimensionnelles en terme d’encombrement, le respect des performances RF et la résistance mécanique. Cette solution a débouchée sur la réalisation et la caractérisation électrique d’un démonstrateur, montrant une très faible atténuation générée par le packaging, moins de 0. 05 dB de pertes à 10 GHz. De ce fait, nous avons pu valider une technique simple de packaging quasi-hermétique, adaptée au micro-commutateurs RF.

Titre traduit

Theoretical and experimental studies on bonding and packaging methods for radio-frequencies Microsystems applications

Résumé

Radio-Frequency Micro-Electro-Mechanical Systems (RF MEMS) are highly miniaturized devices intended to switch, modulate, filter or tune electrical signals from DC to microwave frequencies. RF Mems switches are characterized by their high isolation, low insertion loss, large bandwith and by their unparalleled signal linearity. Despite these benefits, RF Mems switches are not yet seen in commercial products because of reliability issues, limits in signal power handling and question in packaging. In this context, we put in evidence, a near hermetic packaging based on a micro-machined cap in Foturan sealed onto a photopatternable polymer Benzo-Cyclo-Butene (BCB) as a solution adapted to micro-switches RF. To answer the stakes in conception, we identified needs in multiphysics modelling able to generate behavioural macro-models. Finally, a demonstrator was characterised in terms of return and insertion losses measurements, which assures insignificant impact of the package on the RF losses.