Module wireless 60 GHz intégré en 3D sur silicium

par Ossama El Bouayadi

Thèse de doctorat en Optique et radiofréquence

Sous la direction de Laurent Dussopt.

Le président du jury était Bernard Flechet.

Le jury était composé de Cyril Luxey, Rose-Marie Sauvage, Frédéric Gianesello, Yann Lamy.

Les rapporteurs étaient Valérie Madrangeas, Kouroch Mahdjoubi.


  • Résumé

    L'évolution des nœuds technologiques dans l'industrie des semi-conducteurs se traduit de nos jours, dans le domaine des radiofréquences, par une miniaturisation des front-ends et une amélioration des performances électriques des émetteurs-récepteurs à des fréquences de plus en plus hautes. Cette évolution a conduit à la diversification des applications en bandes millimétriques (30 – 300 GHz) dans les secteurs des télécommunications, du divertissement multimédia, de l'automobile et de la sécurité. Plus particulièrement, le secteur des télécommunications connaît aujourd'hui une réelle révolution avec la création de nouveaux standards pour les liens sans-fil millimétriques à courte portée (comme WiGiG et IEEE 802.11ad) et l'apparition de nouvelles architectures basées sur des liaisons point-à-point qui constitueront dans les prochaines années la colonne vertébrale de la cinquième génération des réseaux mobiles. Dans le cadre de ces travaux de thèse, un intérêt particulier sera porté sur les modules intégrés sans fils et à faible consommation opérant dans la bande 57 – 66 GHz (dite généralement 60 GHz). A ces fréquences, la longueur d'onde en espace libre est comparable aux dimensions caractéristiques des boitiers standards utilisés pour l'encapsulation des transceivers. Il devient donc envisageable d'intégrer les antennes ainsi que d'autres composants passifs directement dans l'empilement technologique du circuit ou dans le boitier. Cette nouvelle génération de dispositifs électroniques, destinés au marché des terminaux portables, introduit de nouveaux défis en termes de performances électriques, de fiabilité mécanique, de coût et de possibilités d'industrialisation. Le packaging microélectronique joue dans ce cas un rôle principal dans la définition des performances globales du système qui s'étend au-delà de la simple protection de circuits intégrés pour couvrir d'autres fonctions d'intégration de divers dispositifs actifs et passifs. L'axe principal d'étude adopté ici porte sur le packaging d'un module SiP (System-in-Package) intégré en 3D et réalisé en technologie interposer silicium. Le mémoire de thèse s'articule en quatre chapitres : Le premier chapitre donne dans un premier temps une brève introduction aux bandes millimétriques et aux conditions de propagation spécifiques à ces bandes avant de présenter des exemples d'applications relevant de divers domaines civils et militaires. Ensuite, nous dressons un état de l'art des modules SiP millimétriques intégrés selon différentes approches technologiques. Le second chapitre est consacré à l'étude d'un module 60 GHz intégré sur silicium haute-résistivité en technologie interposer silicium. Nous nous intéressons aux méthodes de caractérisation adaptées aux diverses briques technologiques du back-end silicium spécifique aux applications RF-millimétriques et notamment les interconnexions, les matériaux diélectriques ainsi que les antennes intégrées. La caractérisation inclut également un test d'émission-réception entre deux modules 60 GHz. Dans le troisième chapitre, nous proposons d'améliorer le module grâce à un nouveau design d'antennes utilisant le concept de Surface Haute-Impédance (SHI). Ce design est destiné à octroyer plus de compacité et plus de fiabilité au module tout en conservant ses performances électriques. Finalement, le quatrième chapitre détaille les étapes de fabrication du véhicule de test antennaire ainsi que des résultats de caractérisation des antennes et des nouveaux matériaux diélectriques utilisés pour l'empilement technologique.

  • Titre traduit

    60 GHz wireless module integrated in 3D silicon technology


  • Résumé

    The evolution of semi-conductor technology nodes has led to a significant miniaturization of today's RF front-ends and to the enhancement of the electrical performance of transceivers at higher frequencies. This leads to the diversification of RF/millimeter-wave (30 – 300 GHz) applications in the fields of telecommunications, multimedia entertainment, automotive and security. More specifically, telecommunications are going through a real revolution with the creation of new standards (such as WiGiG and IEEE 802.11ad) and the introduction of new network architectures based on point-to-point links as the backbone of the 5th generation of mobile networks. In this PhD work, we will focus on integrated wireless and low consumption modules operating in the 57 – 66 GHz band (generally designated as the 60 GHz band). At these frequencies, the free-space wavelength is comparable to the characteristic dimensions of most standard transceiver packages. This opens an opportunity to integrate the antennas as well as other passive components directly to the metal/dielectric stack or in the package. This new generation of electronic devices which are dedicated to the nomad terminal market brings new challenges in terms of electrical performance, mechanical reliability, cost and manufacturability. Microelectronic packaging plays in this case a key role in defining the global performance of the system. Its functions extend beyond the protection of the IC and cover other schemes with opportunities to integrate passive and active devices. This work focuses on the study of an SiP module (System-in-Package) featuring 3D integration on Silicon interposer. The dissertation comprises four chapters and is structured as follows: In the first chapter, a brief introduction of millimeter-waves and their propagation conditions is given. Then, examples of current and emerging civilian and military applications are addressed. State of the art of SiP/mmW modules is then presented according to different technology approaches proposed by industrial and academic contributors. The second chapter is dedicated to the study of a 60 GHz integrated module on a high-resistivity silicon interposer chip. We focus on electrical characterization methods which are adapted to different building blocks of the silicon back-end technology. These include interconnects, dielectrics and integrated antennas. The characterization steps also include full-scale and standard-compliant tests of two communicating 60 GHz modules. In the third chapter, we propose to improve the existing module with a novel antenna design based on a High-Impedance Surface (HIS) reflector. This design is intended to bring more compactness and higher reliability to the original one while conserving the overall electrical performance. Finally, the fourth chapter deals with the fabrications and experimental validation of the antenna test vehicle as well as the wideband characterization of the dielectrics used for the new stack.


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