Conditionnement de la sonde de mesure à bande millimétrique active

Packaging of active millimetre band measurement probe

• Auteur / Autrice : Samuel Oladosu
• Direction : Emmanuel Dubois, Kamel Haddadi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés libres

Packaging

Technologie de sonde GSG

Usinage laser femtoseconde

Mesure en gamme d'ondes millimétriques

Packaging

GSG probe technology

Femtosecond laser machining

MmWave measurement

Résumé

Les développements les plus récents en matière de télécommunications et de transfert de données à très haut débit ont été considérablement stimulés par l'essor du Cloud Storage and Computing et le développement de la norme de télécommunications 5G. Intimement lié à l'émergence de l'intelligence artificielle (IA), des réseaux de capteurs (IoT), du traitement et du stockage des données, l'un des défis à relever est la transition vers des débits supérieurs à 100 Gb/s. Cela ne peut être réalisé qu'en développant des technologies, des composants et des systèmes à bande millimétrique (mmW). Les technologies avancées de silicium (BiCMOS) ciblant les fréquences de coupure ft/fmax supérieures à 400 GHz permettront de concevoir des circuits en silicium dans la gamme de fréquences de 140 à 220 GHz (bande G). Afin de valider le développement de ces technologies, des outils de caractérisation des micro-ondes sont nécessaires pour extraire les valeurs de mérite des transistors, telles que le facteur de bruit et le rendement énergétique, et pour développer la modélisation associée. À ces fréquences, les outils à large bande tels que les sources de bruit, les récepteurs de bruit, les adaptateurs d'impédance (tuners) et les récepteurs de puissance ne sont pas disponibles sur le marché ou ont des caractéristiques qui varient considérablement selon la bande de fréquences. Des travaux antérieurs ont montré qu'il est possible d'effectuer des mesures de bruit en bande D (110-170 GHz) et en bande G (140-220 GHz) en embarquant l'instrumentation de mesure directement sur le silicium à proximité du composant à tester en BiCMOS. technologie. Autrement dit, il est possible de mesurer le bruit d'un composant en technologie CMOS ou BiCMOS en intégrant la source de bruit, le tuner et même le récepteur de bruit à proximité directe du composant sur la même puce de silicium et dans la même technologie de procédé. Cependant, cette approche d'autotest intégré (BIST) n'est pas une solution viable car elle consomme une surface importante de silicium, ce qui entraîne un coût inacceptable. Afin de profiter des instruments de mesure pour tous types de technologies et de rationaliser les coûts associés aux tests, la prochaine étape consiste à intégrer ces fonctions dans un système compact positionné au plus près des aiguilles de mesure. La proximité de la fonction d'instrumentation (par exemple source de bruit) avec le voisinage immédiat des aiguilles de contact sur la plaquette est nécessaire afin de contrôler les pertes qui affectent considérablement la sensibilité de la mesure. Ce système de mesure doit être réalisé à l'aide d'une technologie de packaging incluant la fabrication des aiguilles afin que les composants puissent être testés directement sur les plaquettes de silicium. Ce système d'instrumentation se présente donc sous la forme d'une sonde active fonctionnalisée nécessitant la mise en œuvre d'une technologie de packaging optimisée pour les bandes de fréquences des ondes millimétriques. Dans ce contexte, ce projet propose d'aborder le packaging en régime mmW en intégrant l'instrumentation de mesure au plus près des aiguilles destinées aux mesures sur plaquette. Les principaux objectifs de cette thèse sont les suivants : 1) Développement d'une technologie de sonde GSG passive basée sur la mise en œuvre d'un substrat en verre intégrant une ligne coplanaire et une sonde E-planaire faisant la transition vers un guide d'onde rectangulaire standard WR5.1. Basé sur un noyau diélectrique en verre de 30 µm d'épaisseur, il devrait être capable de démontrer une configuration de sonde de mesure présentant deux avantages substantiels : i) la robustesse pour appliquer une force suffisante pour minimiser la résistance de contact et ii) l'élimination des modes parasites de volume et des pertes associées. Ce travail comprend la mise en œuvre de sondes en situation de mesure en bande G sur des structures de substrat d'étalonnage simples (ISS). 2) L'objectif final est de concevoir et fabriquer une sonde de mesure active intégrant les éléments de la chaîne de mesure à proximité immédiate des aiguilles de contact utilisées en mesure sur plaquette. La fabrication de ce type de boîtier fait appel à des techniques d'usinage laser femtoseconde, permettant d'atteindre des dimensions microniques.

The most recent developments in telecommunications and ultra high data rate transfer have been considerably boosted by the rise of Cloud Storage and Computing and the development of the 5G telecommunications standard. Intimately linked to the emergence of artificial intelligence (AI), sensor networks (IoT), data processing and storage, one of the challenges to be met is the transition to data rate in excess of 100 Gb/s. This can only be achieved by developing millimetre band (mmW) technologies, components and systems. Advanced silicon technologies (BiCMOS) targeting cut-off frequencies ft/fmax above 400GHz will enable silicon circuits to be designed in the 140-220GHz frequency range (G-band). In order to validate the development of these technologies, microwave characterisation tools are needed to extract transistor figures of merit such as noise figure and power efficiency, and to develop the associated modelling. At these frequencies, broadband tools such as noise sources, noise receivers, impedance adapters (tuners) and power receivers are either not available on the market or have characteristics that vary greatly over the frequency band. Previous work has shown that it is possible to carry out noise measurements in D-band (110-170 GHz) and G-band (140-220 GHz) by embedding the measurement instrumentation directly on silicon close to the component to be tested in BiCMOS technology. In other words, it is possible to measure component noise in CMOS or BiCMOS technology by integrating the noise source, the tuner and even the noise receiver in the direct vicinity of the component on the same silicon chip and in the same process technology. However, this built-in self test (BIST) approach is not a viable solution because it consumes a substantial area of silicon, resulting in an unacceptable cost. In order to take advantage of measurement instrumentation for all types of technology and to rationalize the costs associated with testing, the next step is to integrate these functions into a compact system positioned as close as possible to the measurement needles. The proximity of the instrumentation function (e.g. noise source) to the immediate vicinity of the contact needles on the wafer is necessary in order to control losses which drasmatically affect measurement sensitivity. This measurement system must be produced using a packaging technology that includes the manufacture of the needles so that the components can be tested directly on the silicon wafers. This instrumentation system therefore takes the form of a functionalised active probe requiring the implementation of a packaging technology optimised for millimeter wave frequency bands. In this context, this project proposes to tackle packaging in the mmW regime by integrating the measurement instrumentation as close as possible to the needles intended for on-wafer measurements. The main objectives of this thesis are as follows: 1) Development of a passive GSG probe technology based on the implementation of a glass substrate integrating a coplanar line and an E-planar probe making the transition to a standard WR5.1 rectangular waveguide. Based on a 30 µm thick glass dielectric core, it is expected to be able to demonstrate a measurement probe configuration with two substantial advantages: i) robustness to apply sufficient force to minimise contact resistance and ii) elimination of volume spurious modes and associated losses. This work includes the implementation of probes in a G-band measurement situation on simple calibration substrate structures (ISS). 2) The final objective is to design and manufacture an active measurement probe integrating the measurement chain elements in the immediate vicinity of the contact needles used in on-wafer measurement. The manufacture of this type of package involves femtosecond laser machining techniques, enabling micron dimensions to be achieved.