Intégration et modélisation RF des interconnexions 3D pour l’interposeur photonique

Integration and RF modeling of 3D interconnects for photonic interposer

• Auteur / Autrice : Kevin Morot
• Direction : Bernard Flechet, Thierry Lacrevaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofrequences
• Date : Soutenance le 08/03/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (Grenoble ; Chambéry ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Sonia Ben Dhia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ronan Sauleau, Geneviève Mazé-Merceur, Hélène Jacquinot, Alexis Farcy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ronan Sauleau, Wenceslas Rahajandraibe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Données massives

Circuits intégrés tridimensionnels

Télécommunications

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Interconnexion

Radiofréquences

Photonique

Modélisation

Caractérisation

Tridimensionnelle

Interconnect

Radiofrequency

Photonic

Modelling

Characterization

Three-Dimensional

Résumé

L'essor des réseaux de télécommunications à l'échelle mondiale génère un besoin croissant en termes de bande passante et de gestion de l'information. Le traitement de ces données requiert le développement de systèmes complexes, qui associent des fonctionnalités hétérogènes telles que des calculateurs numériques, des fonctions analogiques et des mémoires de stockage. L'approche originale retenue repose sur un degré d'innovation sans précédent dans le domaine de la microélectronique puisqu'elle mêle à la fois des technologies d'intégration 3D et le développement d'une filière photonique sur silicium. Des signaux très rapides (25, 40 ou 60 Gb/s) doivent donc être acheminés à travers les interconnexions 3D que sont le TSV (via traversant le silicium), les µ-bumps (connexions de cuivre entre les puces), les lignes de RDL (redistribution en face arrière) et les bumps qui assurent la communication vers l'extérieur. Il est nécessaire de développer de nouvelles technologies pour interconnecter les circuits à ces vitesses et de les modéliser finement jusqu'à de très hautes fréquences (>50 GHz), au moyen de techniques de caractérisation à développer, pour optimiser leur mode de réalisation. Ce travail de thèse se déroulera dans le cadre d'une collaboration tripartite et sera décomposé en quatre grandes étapes. 1. Spécifications des briques technologiques et de structures de test dédiées à l'évaluation de leurs performances dans le contexte de l'interposer photonique 2. Intégration des circuits de test, composés d'un empilement de puces logiques sur un interposer photonique, et adaptés au domaine fréquentiel visé avec les interconnexions 3D 3. Développement et mise en oeuvre des techniques de caractérisation à très haute fréquence des interconnexions 3D menant à l'extraction des modèles 4. Optimisation des lignes de transmission et des choix technologiques pour un routage efficace dans les architectures photoniques 3D

The worldwide growth of telecommunication networks drives an increasing need in terms of bandwidth and computing management. Data processing requires the development of complex system, which combines both heterogeneous functionalities such as numeric calculator, analog functions and memory storage. The original chosen approach is highly innovative in the field of microelectronics as it combines both 3D technologies and process integration for photonic on silicon. High speed signals (25, 40 or 60 Gb/s) are transmitted within the photonic interposer through 3D interconnects that are TSV (Trough-Silicon-Via), µ-bumps (copper connection in-between dies), RDL (Redistribution Line) and bumps (copper connection to the bottom access). Thereby, it is necessary to develop new technologies and new assemblies to interconnect and route efficiently those high speed circuits. Another challenge is to model them precisely for very high frequencies (>50 GHz), exploiting and developing the best characterization solutions in order to optimize the way to implement them. This PhD work will be performed in the frame of a tripartite collaboration and can be divided into four parts: 1. Specification of the key interconnects building-blocks and their associated test structures required to evaluate their performance in the context of a photonic interposer 2. Integration of the RF test circuits in the context of the stack of high speed logic dies over a photonic interposer using the developed 3D interconnects 3. Characterization of the test structures at very high frequency using dedicated characterization technics and extraction of equivalent models. Comparison with electromagnetic simulation 4. Validation of the technological and integration choices. Optimization of the transmission lines for efficient routing applied to 3D photonic structures