(JNRDM) 2016

Imagerie en onde millimétrique avec un guide d'onde rectangulaire
(JNRDM) 2016
Pierre Payet, Laurent Chusseau, Jérémy Raoult
IES UMR 5214 CNRS
Université de Montpellier
860, Rue de St-Priest
34095 MONTPELLIER Cedex 05, France
E-mail : [email protected]
Résumé
Ce travail porte sur l'utilisation d'un guide d'onde
rectangulaire à ondes millimétriques à des fins d'imagerie.
Traditionnellement les guides d'ondes rectangulaires ont été
utilisés comme sondes d'imagerie pour balayer la surface de
matériaux afin d'en extraire des informations de topographie
ou encore de constante diélectrique locale. Notre objectif est
l'inspection de circuit intégré au travers de boitier non
décapsulé. Ceux-ci présentent de forts contrastes
topographiques et de conductivité, c'est ce qui en fait, de
parfaits échantillons. Le guide offre un fort niveau de signal
pouvant permettre une détection au travers du boitier. Nous
avons monté un banc d'expérimentation mettant en œuvre une
source modulable 60 GHz (λ = 5 mm), un guide d'onde
rectangulaire et différents outils de détection et d'interaction
avec la sonde. Ce sont ces outils qui nous permettent
d'extraire une image de l'échantillon. Le guide d'onde est
d’abord utilisé avec l’extrémité totalement ouverte, puis est
ensuite masqué, ce qui en obstrue partiellement la sortie. Une
comparaison de ces deux modes de guide ouvert a été faite
pour déterminer l'évolution de la résolution. Intuitivement,
nous nous attendons à une meilleure résolution spatiale avec
la diminution de l'ouverture du guide d'onde. En modulant la
source nous avons aussi obtenu un nouveau type d'image
millimétrique pour les deux axes de polarisation du guide
d'onde. Ces images viennent compléter les informations déjà
extraites de celles obtenues sans modulation.
1. Introduction
L’imagerie de surface par réflectométrie est une
technique puissante de caractérisation de matériaux et très
prometteuse en vue des avantages qu’elle apporte. C’est
une technique qui a émergé avec l’apparition du radar. [1]
Cette technique est totalement non-invasive, elle est
également non-destructive pour l’échantillon et ne
demande aucune préparation de celui-ci. Elle peut être
mise en œuvre dans des milieux hostiles (haute
température, humidité, poussière…).
Bien que très attractive, elle présente néanmoins deux
désavantages majeurs, celui d’être dépendante de la
diffraction de l’onde électromagnétique (EM) notamment
sur les bords du matériau, ainsi que celui de ne pas avoir
de système unique de mesure associé, mais dédié à une
application donnée. C’est ce qui va conditionner le choix
de l’antenne émettrice/réceptrice, la fréquence usuelle et
la puissance de travail [2].
Cette fréquence choisie, il est alors possible de faire
de l’imagerie sous un boitier. En effet, certains matériaux
sont transparents à certaines longueurs d’ondes.
L’imagerie par réflectométrie a su trouver une large
gamme d’application. Les informations de topographie
permettent aisément de faire du contrôle de qualité des
matériaux [3]. Avec l’extraction des propriétés des
matériaux comme la permittivité électrique, la constante
diélectrique, il devient possible de caractériser des semiconducteurs [4] ou encore en biologie [5-6], de faire de la
détection de nature de composés chimiques.
Notre étude quant à elle, a pour but de révéler une
image sous la surface du boitier d’un circuit intégré (CI)
non décapsulé via le relevé des informations de
topographie. Nous étudions l’influence de la polarisation
d’un guide d’onde rectangulaire sur la réponse du circuit,
ainsi que l’influence des dimensions de l’ouverture de ce
guide d’onde. Par la suite, nous révèlerons un nouveau
type d’imagerie en phase.
3. Circuit sous test et polarisation
L’objectif est de cartographier un circuit au travers de
son boitier. Pour faciliter la compréhension des résultats,
un circuit identique mais décapsulé a été passé
préalablement sous test. Cela permet de rattacher chacun
des éléments de notre image à la structure réelle sous la
sonde. La Figure 2 présente l’échantillon avec et sans
boitier.
2. Banc d’expérimentation
Le guide d’onde WR-15 fait office de sonde
d’imagerie et opère à 60 GHz (λ = 5 mm). L’extrémité du
guide reste ouverte, ce qui a pour conséquence de
privilégier la puissance du signal incident par rapport à la
résolution de l’image obtenue. Un schéma du banc
expérimental est donné en Figure 1.
La source d’ondes millimétriques est une diode Gunn
20 mW modulable en tout ou rien par un signal TTL à 10
kHz. Elle est protégée des retours de puissance par un
isolateur et est reliée à la voie directe d’un coupleur
directionnel 20 dB. La détection du signal réfléchi se fait
par une diode Schottky sur la voie couplée. Le chemin
direct du coupleur vient alimenter la sonde et l’envoie sur
le CI qui en réponse renvoie une onde réfléchie. Cette
onde est enregistrée au travers d’une détection synchrone
dont la référence est la fréquence du signal de modulation
de la source. La puissance qui lui est transmise n’est pas
directement celle du champ électrique mais celle de
l’onde réfléchie détectée par la diode Schottky.
La position de la sonde par rapport à l’échantillon est
commandée par trois moteurs, chacun sur un axe X, Y et
Z. Ces moteurs sont eux-mêmes contrôlés par un XPSQ8 de Newport et interfacés avec un programme
Labview. Les dimensions d’ouverture du guide ont été
modifiées à l’aide de lames d’aluminium, ce qui permet
d’étudier l’influence de la réduction de l’ouverture selon
les deux polarisations.
Figure 2. Circuit sous test avec/sans son boitier. Epaisseur
du boitier : 800 µm. Dimension du boitier : 13500x13500
µm. Dimension de la puce : 5700x3100 µm.
La sonde parcourt la surface du boitier avec un pas de
200 µm. Elle injecte en continu une onde à 60 GHz. A
chaque point de déplacement, elle vient relever la
puissance de l’onde réfléchie. Cette puissance fluctue si
la géométrie de l’objet est colinéaire au champ électrique
ou si elle est perpendiculaire. C’est la conséquence de la
polarisation du guide qui, par construction, voit ces
vecteurs de champ E parallèles à la plus petite dimension
du guide. Une représentation de ces vecteurs dans le
guide est proposée sur la Figure 3.
Figure 3. Guide d’onde mode TE10, répartition du champ
E à l’ouverture du guide.
Figure 1. Banc expérimental : La source 60 GHz,
l’isolateur, le coupleur directionnel, le détecteur Schottky et
le guide WR-15 ont été produits par Quinstar Inc., la
détection synchrone est le modèle 7265 de Signal
Recovery.
Une cartographie pour chacune des polarisations qu’offre
le guide est effectuée. Les résultats sont reportés sur la
Figure 4. Par comparaison, il apparait que la cartographie
la mieux résolue et qui corrèle le plus avec la réalité du
positionnement de la puce se trouve être pour une
polarisation y ⊥ E. Celle-ci permet de retrouver le bon
emplacement et la bonne orientation de la puce dans son
support, ainsi que les fils de bonding qui sont orientés
parallèlement au champ électrique. En effet, les fils vont
faire office de polariseur, ainsi, l’onde EM ne peut pas
les traverser : ils sont visibles. A l’inverse, les fils
orientés perpendiculairement au champ E deviennent
transparents et n’apparaissent pas sur l’image. Ce
phénomène se confirme pour les deux orientations de la
sonde.
(a)
(b)
y
x
Figure 4. Cartographie d’un CI encapsulé. (a) Le champ E
est parallèle à l’axe x. (b) Le champ E est parallèle à l’axe
y.
4. Diminution de l’ouverture du guide
L’un des objectifs est d’évaluer l’influence de la
réduction d’une des dimensions du guide ouvert (GO) qui
fait office de sonde. La plus petite dimension du guide a
donc été réduite. Pour ce faire, des lames d’aluminium
sont utilisées pour venir obstruer l’ouverture du guide.
C’est de cette manière que l’ouverture de 1880 µm est
restreinte à 670 µm.
La réduction sur une dimension devrait avoir pour
effet d’améliorer la résolution, mais aussi de diminuer la
puissance du signal incident en sortie du guide. Celle-ci
devrait rester assez forte pour obtenir un signal suffisant
pour voir au travers de l’échantillon. Cette opération n’a
été faite que pour une seule polarisation. La détection a
été améliorée sur certaines zones notamment sur les
parties métalliques au détriment des zones avec un taux
de réflexion plus faible comme la puce en silicium. Ces
résultats sont présentés en Figure 5.
Ici, nous observons une même image pour une seule
polarisation. L’image présentée à gauche correspond à
l’image en amplitude de l’onde réfléchie. L’image de
droite correspond à une image de phase relevée sur la
détection synchrone. Cette nouvelle mesure semble
prometteuse puisqu’elle met en évidence des zones nonobservables avec la détection en amplitude. En effet, les
zones à forts contrastes correspondent à l’emplacement
des fils de bonding et des pattes de la puce.
6. Conclusion
Nous proposons une étude d’imagerie sous-surfacique
d’un CI encapsulé. Elle est réalisée avec une sonde en
guide ouvert opérant à 60 GHz. L’orientation du guide
vis-à-vis du CI est un élément primordial pour extraire
une image la plus résolue du circuit physique.
L’obstruction du guide par un iris symétrique permet
d’améliorer cette résolution. Un compromis reste à faire
entre la résolution et la puissance de l’onde incidente
pour optimiser l’image acquise Une nouvelle approche
est proposée par une détection en phase qui vient
compléter l’imagerie en amplitude de l’onde réfléchie.
Une analyse est en cours pour évaluer comment utiliser
correctement cette nouvelle donnée par rapport à celle en
amplitude.
Références
[1] D. M. Pozar, Microwave Engineering, 4th Ed., 2011, pp.
690-695.
[2] O. Benzaim, "Techniques Multi-port pour la Conception et
la Réalisation de systèmes Micro-ondes dédiés à
l’Evaluation Non Destructive de matériaux", Thèse, Lille,
JUILLET 2009.
y
x
Figure 5. Imagerie du CI encapsulé. Accentuation des parties
métalliques au détriment de la puce.
5. Nouveau type d’imagerie
Notre source a été conçue par Quinstar Inc. Elle est
parfaitement modulable. Moduler cette source permet
d’améliorer le niveau de détection du signal réfléchi. Pour
ce faire, un signal TTL 0-5V est injecté sur le port
d’entrée de la source. La fréquence de ce signal est de 10
kHz. Le signal détecté par la diode Schottky est ensuite
démodulé par la détection synchrone à la fréquence de 10
kHz. Ces résultats sont présentés dans la Figure 6.
y
x
(a)
(b)
Figure 6. Cartographie du coin inférieur gauche du CI pour
une seule polarisation. (a) Détection en phase de l’onde
détecté par le Lock-In. (b) Détection en amplitude de
puissance de l’onde réfléchie.
[3] M. Ghasr, S. Kharkovsky and R. Zoughi, "Comparison of
Near-Field Millimeter-Wave Probes for Detecting
Corrosion Precursor Pitting Under Paint", IEEE
TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND
MEASUREMENT, VOL. 54, NO. 4, AUGUST 2005.
[4] R. Omarouayache, L. Chusseau, P. Payet and J. Raoult, "60
GHz active microscopy with a bow-tie antenna as near-field
probe", in IEEE International Instrumentation and
Measurement Technology Conference, (Pisa, Italy, 2015).
[5] T. Suzuki, S. Theerawisitpong, T. Negishi, Y. Watanabe,
and N. Morita, "Microscopic Structure Imaging with Phase
Analysis at 60GHz band", 33rd International Conference on
Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2008.
[6] T. Tseng, S. Yang, Y. Shih, Y. Tsai, T. Wang and C. Sun,
"Near-Field sub-THz transmission-type image system for
vessel imaging in-vivo", Opt Express. 2015 Sep 21.