Ceramic interposers for high density packaging in 3D LTCC technology

Adibi, Arash (2020). Ceramic interposers for high density packaging in 3D LTCC technology. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The worldwide growth of data usage is continuing and accelerating. With the arrival of 5G technology and the Internet of Things (IoT), the demand for more data and more bandwidth will continue to rise. To support this enormous data volume flow, data centers and backhaul network infrastructure will require higher data transmission speeds with more bandwidth. To accommodate this trend, the use of optical frequencies is unavoidable due to the limitations of microwave-based systems. In this context, the emergence of photonic System in Package (SiP) technology offers one viable option to meeting these challenges offering chips that can provide high transmission capacity and support wider bandwidth. In order to integrate these photonic devices with the electronic components of a system in a single package, novel cost-effective packaging technologies that offer high reliability with very good performance to maintain signal integrity are needed. In addition, these technologies must allow for high density package for size reduction.

One of the solutions for decreasing the size of the package is the use of multi-layer technology, such as LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics), whereby parts of the circuit are integrated into the inner layers resulting in a multilayer functional package. One of the challenges in these kinds of structures is connecting different layers through vias and enabling multi-chip assemblies with very short interconnections. Traditionally, the use of Through Silicon Vias (TSV) has been proposed as one of the enabling technologies to allow for this kind of high-density integration, though with limited functionality and relatively high cost. In this thesis, a new method for the vertical interposers in LTCC technology is proposed. This method combines the advantages of LTCC, namely low-cost, low dielectric loss at millimeter wave frequencies and the ability to integrate passive components and transmission lines in its inner layers with those of TSVs for realizing very high-density short interconnects and vias.

The proposed technique relies on a novel micro-via fabrication process that combines laser ablation with custom conductor filling materials to realize various dimension vias and interconnects in LTCC. To demonstrate the feasibility and functionality of the proposed technique, various transmission lines on different layers interconnect through micro-vias and using ultra-thin LTCC green tape were first simulated and optimized using Ansys HFSS in order to reach the highest data transmission rate with smallest package possible. Prototyping was carried out using the thinnest Ferro’s A6M ceramic sheet with the thickness of 1 mil and filled the micro-via by custom engineered gold-based conductor paste, also provided by Ferro Corporation. However, the silver is a better conductor than gold in terms of conductivity, but the gold-based conductor paste has small grain size and low viscosity comparing to the silverbased conductive paste, which is more common to use. Thus, this customized conductive paste was chosen as conductor in this project since we have new size of via diameter in LTCC technology at this moment. An experimental investigation of the smallest via diameter and via pitch that could be achieved using 1-mil thick sheets was also carried out and shows that moving towards reaching higher value of integration structure is possible. Then, this technique of micro-vias fabrication have been used in these two designed prototypes of an opto-electronic package hosing by LTCC for the collaboration project with Ciena Corporation and McGill university.

Based on the obtained results, LTCC technology with less fabrication complexity could be considered as a good alternative to silicon substrates for passive interconnects. Practical TCV (Through Ceramic Via) for vertical transitions have been demonstrated to be feasible and offer a viable alternative to TSV with simpler fabrication process and two- or three-times lower cost of manufacturing. The fabrication of the micro-via with the minimum diameter of 20 μm and the pitch size of at least 40 μm is achievable on the 1-mil ceramic sheets, while the regular diameter of via is 50 μm and the pitch was 200 μm, respectively. In addition, the current thickness of ceramic sheets for manufacturing are 10 mil, 5 mil and 2 mil (rarely used). By using this ceramic sheet with the thickness of 1 mil, designing the denser RF circuits and package is more feasible.

Titre traduit

Les interposeurs en céramique pour des boîtiers optoélectroniques 3D à très haute densité d’intégration basés sur la technologie LTCC

Résumé traduit

La croissance mondiale de l’utilisation des données s’accélère tous les jours. En raison de la technologie 5G utilisée dans les années qui arrivent et de l’Internet des objets (IoT), la demande pour plus de données à transmettre et plus de bande passante continuera à augmenter. Pour répondre à ce besoin et transfert cet énorme volume de données, les centres de données et les infrastructures de réseau nécessiteront une vitesse de transmission de données plus élevée dans une bande passante plus large. Afin d’arriver à cette vitesse élevée et à cause de la limite des systèmes opérant à des fréquence micro-ondes, l’utilisation hautes fréquences et des fréquences optiques est inévitable. Ainsi, l’émergence de la technologie SiP (System in Package) en photonique offrira une option viable pour répondre à cette demande technologique permettant aux nouvelles puces d’offrir une grande capacité de transmission sur une large bande passante. Afin d’intégrer ces dispositifs photoniques dans le même boîtier avec des composants électroniques, de nouvelles technologies rentables offrant une grande fiabilité et de très bonnes performances pour maintenir l’intégrité du signal sont nécessaire. Par ailleurs, ces technologies doivent faciliter la miniaturisation de boîtier électronique et optoélectronique.

L’une des solutions pour réduire la taille du boîtier électronique et optoélectronique est d’utiliser une technologie multicouche telle que LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics), dans laquelle certaines parties du circuit sont intégrées aux couches internes. L’un des défis de ce type de structures est de connecter différentes couches à travers des trous et de permettre des assemblages multi-puces avec des interconnexion plus courtes que possible. Généralement, l’utilisation de TSV (Through Silicon Via) dans les substrats basés en silicium a été proposée comme l’une des technologies qui permet ce type d’intégration haute densité, malgré sa fonctionnalité limitée et un coût relativement élevé. Dans ce projet, nous proposons une nouvelle méthode pour les interposeurs verticaux dans la technologie LTCC. Cette méthode combine les avantages du LTCC telle que son coût de fabrication, une faible perte diélectrique aux ondes millimétriques et la possibilité d’intégrer des composants passifs et des lignes de transmission dans ses couches internes. Cela permettra de réaliser des courtes interconnexions et des trous de très haute densité.

La technique proposée est basée sur un nouveau procédé de fabrication de micro-trous qui est associé à l’ablation au laser avec des matériaux conducteurs personnalisés pour remplir des trous. Ainsi, cela permettra de réaliser des trous et des interconnexions de différentes dimensions dans le LTCC. Pour démontrer la faisabilité et la fonctionnalité de la technique proposée, diverses lignes de transmission sur différentes couches ont été conçues qui interconnectent des feuilles LTCC ultra-minces à travers des trous. Ces conceptions ont été simulées et optimisées avec l’outil de simulations HFSS dans l’objectif d’atteindre le taux de transmission de données le plus élevé dans une boîte miniaturisée. Le prototypage a été réalisé sur la feuille de céramique A6M la plus fine dans le marché par Ferro qui a 1 mil d’épaisseur. Les trous de ces feuilles sont remplis par des conducteurs spécifique à base d’or conçu également par Ferro. Une étude expérimentale du diamètre réalisable des trous et la distance entre deux trous adjacents a été effectuée sur une feuille de 1-mil afin de montrer que l’intégration et l’interconnexion à très haute densité est possible.

Selon les résultats obtenus, la technologie LTCC ayant une fabrication plus facile pourrait être considérée comme une bonne alternative aux substrats de silicium pour les interconnexions passives. En outre, la TCV (Through Ceramic Via) pour les transitions verticales s’est avérée réalisable et offre une alternative viable au TSV avec un processus de fabrication plus simple et deux ou trois fois moins chère pour l’industrie. La fabrication du micro-via avec le diamètre minimum de 20 μm et la distance entre deux vias d’au moins de 40 μm est réalisable sur les feuilles de céramique avec l’épaisseur de 1 mil, tandis que le diamètre régulier du via est de 50 μm et la distance était de 200 μm, respectivement. En plus, l’épaisseur actuelle des feuilles de céramique dans l’industrie sont 10 mil, 5 mil et 2 mil (rarement utilisé). En utilisant cette feuille de céramique d’une épaisseur de 1 mil, la conception des circuits et les package RF plus dense et miniaturisé est plus réalisable.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master's degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 79-81).
Mots-clés libres:	LTCC, Micro-Via, interposeur céramique, optoélectronique, boîtier haute densité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kouki, Ammar B.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	27 juill. 2020 20:26
Dernière modification:	18 sept. 2020 18:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2516

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