Analyse et caractérisation des couplages substrat et de la connectique dans les circuits 3D : Vers des modèles compacts

Analysis and characterization of substrate and connection couplings in 3D circuits : Towards compact models

• Auteur / Autrice : Fengyuan Sun
• Direction : Christian Gontrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 19/07/2013
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Villeurbanne -Ecully, Rhône ; 2007) - Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL
• Jury : Président / Présidente : Catherine Bru-Chevallier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Gontrand, Catherine Bru-Chevallier, Patrick Garda, Luc Hébrard, Gilles Poupon, Francis Calmon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Garda, Luc Hébrard
• DOI : 10.70675/a2c0f551zbc75z4045z9e9dzc2a4a3b3d074

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés tridimensionnels

Mots clés libres

Electronique

Conception de cricuits numériques

Intégration 3D

Circuits intégrés 3D

Modélisation

Couplage de substrats

Fonction de Green

Modèle de ligne de transmission

Fréquence radio (RF)

Extraction de l'impédence

Electronics

Through-Cilicon Vias

3D Integrated Circuits

Compact modeling

Substrates coupling

Green's function

Transmission Line Model

Radio Frequency - RF

Impedance Extraction

Résumé

L’intégration 3D est la solution technologique la plus prometteuse pour suivre le niveau d’intégration dictée par la loi de Moore (cf. more than Moore, versus more Moore). Elle entraine des travaux de recherche importants depuis une douzaine d’années. Elle permet de superposer différents circuits et composants dans un seul boitier. Son principal avantage est de permettre une association de technologies hétérogènes et très spécialisées pour la constitution d’un système complet, tout en préservant un très haut niveau de performance grâce à des connexions très courtes entre ces différents circuits. L’objectif de ce travail est de fournir des modélisations cohérentes de via traversant, ou/et de contacts dans le substrat, avec plusieurs degrés de finesse/précision, pour permettre au concepteur de haut niveau de gérer et surtout d’optimiser le partitionnement entre les différentes strates. Cette modélisation passe par le développement de plusieurs vues à différents niveaux d’abstraction: du modèle physique au modèle « haut niveau ». Elle devait permettre de répondre à différentes questions rencontrées dans le processus de conception :- le modèle physique de via basé sur une simulation électromagnétique 2D ou 3D (solveur « éléments finis ») est utilisé pour optimiser l’architecture du via (matériaux, dimensions etc.) Il permet de déterminer les performances électriques des via, notamment en haute fréquence. Les simulations électromagnétiques permettent également de quantifier le couplage entre via adjacents. - le modèle compact analytique de via et de leur couplage, basé sur une description de type ligne de transmission ou noyaux de Green, est utilisé pour les simulations au niveau bloc, ainsi que des simulations de type Spice. Les modèles analytiques sont souvent validés par rapport à des mesures et/ou des modèles physiques.

The 3D integration is the most promising technological solution to track the level of integration dictated by Moore's Law (see more than Moore, Moore versus more). It leads to important research for a dozen years. It can superimpose different circuits and components in one box. Its main advantage is to allow a combination of heterogeneous and highly specialized technologies for the establishment of a complete system, while maintaining a high level of performance with very short connections between the different circuits. The objective of this work is to provide consistent modeling via crossing, and / or contacts in the substrate, with various degrees of finesse / precision to allow the high-level designer to manage and especially to optimize the partitioning between the different strata. This modelization involves the development of multiple views at different levels of abstraction: the physical model to ''high level'' model. This would allow to address various issues faced in the design process: - The physical model using an electromagnetic simulation based on 2D or 3D ( finite element solver ) is used to optimize the via (materials, dimensions etc..) It determines the electrical performance of the via, including high frequency. Electromagnetic simulations also quantify the coupling between adjacent via. - The analytical compact of via their coupling model, based on a description of transmission line or Green cores is used for the simulations at the block level and Spice type simulations. Analytical models are often validated against measurements and / or physical models.