Etude, conception et réalisation de transitions verticales coaxiales pour une intégration hétérogène 3D de microsystèmes en gamme millimétrique

par Romain Crunelle

Thèse de doctorat en Microondes et Microtechnologies

Sous la direction de Nathalie Haese-Rolland.

Soutenue le 16-12-2011

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec STMicroelectronics (entreprise) .


  • Résumé

    L’atteinte prévisible des limites de la loi de Moore dans les dix prochaines années poussent les concepteurs de systèmes de communication à intégrer le maximum de fonctionnalités dans des modules 3D de plus en plus petits, incluant des capteurs, de l’intelligence embarquée, des modules radio avec leurs antennes,(Approche More than Moore). On passe donc du concept de SoC (System-on-Chip) au concept de SiP (System-in-Package) pouvant intégrer des SoC mais offrant d’autres fonctionnalités au niveau de la perception de l’environnement, de la communication, de la reconfigurabilité et de la possibilité d’auto-organisation en réseau ad-hoc, tout en minimisant le volume et la consommation énergétique.C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse, qui présentent cette technologie d’intégration hétérogène (System-In-Package) miniature, faible coût associant des MEMS RF à des circuits MMIC actifs et des antennes intelligentes pour établir des communications robustes en gamme millimétrique. Pour cela, nous proposons, par le projet SIPCOM, la réalisation et le test d’un module radio ultra compact et performant en gamme millimétrique grâce à une l’approche d’« intégration hétérogène ». Ce module intégrera toutes les fonctions nécessaires pour la réalisation d’un émetteur 60 GHz : le réseau d’antennes, les déphaseurs à base de MEMS pour assurer l’agilité du faisceau, le convertisseur DC/DC pour alimenter les MEMS, un FPGA (du commerce) pour commander la reconfigurabilité du module radio et les circuits mise en veille/réveil du module pour une consommation minimale. Dans ce contexte, ces travaux de thèse visent à développer la technologie de mise en boitier et les interconnexions et transitions verticales. Au cours de ce manuscrit, nous proposons une nouvelle approche de transitions verticales, les TSCV (Through Silicon Coaxial Vias). Transition verticale basée sur le modèle coaxial, utilisant du benzocyclobuitène (BCB) en guise de matériau diélectrique, son étude, son développement, et l’évolution de la structure sont présentés. Du fait de sa nature, cette transition coaxiale offre tous les avantages à la mise en boitier à haute densité d’intégration, avec une totale isolation électromagnétique par rapport au substrat, et donc une totale indépendance quant à la nature du substrat, un rayonnement électromagnétique parasites ultra faible et, par les propriétés du BCB, des pertes électromagnétiques ultra faibles en bande millimétrique. Nous détaillons également le procédé e réalisation technologique et son évolution, qui permet la fabrication et le test de ces structures.

  • Titre traduit

    Study, conception and fabrication of coaxial vertical transitions for heterogeneous 3D integration of microsystems in millimeterwaves


  • Résumé

    Achieving predictable limits of Moore's Law over the next ten years, communication systems designers try to integrate a maximum of functionality into smaller and smaller 3D modules, including sensors, embedded intelligence, radio modules with their antenna (Approach More than Moore). So we go from the concept of SoC (System-on-Chip) to the concept of SiP (System-in-Package) that can integrate SoC but offering more features concerning the environmental perception, communication, reconfigurability and the possibility of self-organization in ad-hoc network, while minimizing the volume and energy consumption. This thesis was performed in this context and presents this heterogeneous integration technology (System-in-Package), miniature, low cost RF MEMS, combining MMIC circuits and smart antennas to establish communications in millimeter range. For this, by SIPCOM project, we propose the realization of an ultra compact radio module and efficient testing in millimeter range thank to “heterogeneous integration” approach. This module will integrate all the functions necessary for the implementation of a 60 GHz transmitter: network antennas, phase shifters based on MEMS to ensure the agility of the beam, the DC / DC converter to power the MEMS, an FPGA (trade) to control the reconfigurability of the radio module and circuit standby / alarm module for minimum consumption. In this context, the thesis aims to develop technology in packaging and interconnexions and vertical transitions.In this manuscript, we propose a new approach to vertical transitions, the TSCV (Through Silicon Coaxial Vias).Vertical transition based on the coaxial model, using benzocyclobutène (BCB) as a dielectric material, the study, development, and evolution of the structure are presented. Because of its nature, this coaxial transition offers all the advantages in packaging with high integration density, with a total electromagnetic isolation from the substrate, and thus completely independent of the nature of the substrate, an ultra low parasitic electromagnetic radiation, and by properties of the BCB, ultra low electromagnetic losses in the millimeter band. We also detail the process e technological achievement and its evolution, allowing the manufacture and testing of these structures.


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  • Détails : 1 vol. (181 p.)
  • Annexes : Bibliogr. à la fin des chapitres. 28 réf. Liste des communications

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