Assemblage et interconnexion de composant électro-optique au-dessus de 100 GHz

Therriault, Étienne (2025). Assemblage et interconnexion de composant électro-optique au-dessus de 100 GHz. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La demande croissante en termes de débits de données dans les liaisons haut débit modernes force les ingénieurs et physiciens oeuvrant dans le domaine des communications à concevoir de nouveaux systèmes opérant dans les THz, et ce, avec de très large bande passante. Au cours des dernières décennies, les composants sur semiconducteurs ont atteint de nouveaux sommets en termes de fréquence limite d’opération en franchissant la barre des 100 GHz. De plus, les modulateurs optiques atteignent désormais des bandes passantes de modulation à grand signal supérieure à 100 GHz sur silicium hybride photonique. Toutefois, le principal défi auquel ces systèmes sont actuellement confrontés est le manque d’interconnexions large bande efficaces.

La technique d’encapsulation conventionnelle qu’est la liaison par fils n’est vraisemblablement plus la solution d’interfaçage approprié aux ondes millimétriques en raison d’un fort comportement inductif forçant une utilisation en bande étroite ou causant une dégradation des performances large bande. Heureusement, d’autres technologies, comme celle de la puce retournée, semblent très prometteuses. En effet, de nombreuses transitions par puces retournées large bande de DC jusqu’au-delà de 100 GHz ont été démontrées dans la littérature via l’utilisation de différentes techniques et technologies de billes. Le problème est que plusieurs d’entre elles ne sont pas rentables ou utilisent des processus vraiment complexes qui ne conviennent pas à la production de masse. Toutefois, il existe une technologie de bille qui est très accessible, a une excellente répétabilité, un faible coût et permet une une grande densité de connection. Cette technologie de liaison est la bille d’or empilable et elle est peut-être réalisée très simplement à l’aide d’une machine de liaison par fils conventionnelle. L’un des avantages principaux de cette technique est le fait que les billes d’or peuvent être empilées afin de réduire le comportement capacitif de la transition Flip-Chip et faciliter l’obtention d’une plus grande bande passante avec moins de compensation ou simplement être utilisées comme une option flexible pour satisfaire les besoins de conception. Dans la littérature, de bonnes performances large bande ont été démontrées pour les billes d’or empilées dans les interconnexions puce à puce sur ligne simple au-delà de 100 GHz, mais les transitions puce à boitier et celles sur lignes différentielles restent à démontrer.

Ce travail a pour but d’étudier la technologie de billes d’or empilées comme type d’interconnexions puce à boîtier pour des lignes coplanaires simples et différentielles du DC jusqu’à plus de 100GHz. Afin de respecter l’aspect contextualisation, les choix, des substrats du boîtier et de la puce sont le LTCC et le silicium respectivement. Des simulations ondes pleines 3D utilisant HFSS ont été effectués pour l’optimisation et la compensation de manière à trouver les meilleurs candidats. Ensuite, les assemblages expérimentaux de puces retournées ont été caractérisés du DC à 110 GHz à l’aide de sondes RF. Finalement, des règles de conception ont été extraites pour guider les futurs concepteurs souhaitant utiliser cette technologie.

Titre traduit

Millimeter-wave component packaging and interconnect using stacked gold stud

Résumé traduit

The increasing demand for data rates in modern high-speed links calls for new updated systems operating in high millimetre-wave frequency with a very large bandwidth. Over the past few decades, semiconductor devices have attained new heights in terms of frequency limits by reaching THz frequencies. Furthermore, optical modulators are now achieving a beyond-100- GHz large-signal modulation bandwidth in hybrid silicon photonics. The main challenge that such systems are currently facing is the lack of efficient broadband interconnections.

Conventional packaging techniques like the wirebond exhibit poor performance at THz frequencies because of high inductive behaviour. However, flip-chip technology seems to be the most promising option for broadband THz interconnects. Numerous broadband Flip-Chip transitions from DC to beyond 100 GHz have been demonstrated in the literature using different techniques and bump technologies. The problem is that many are not cost-effective or use really complex processes that are not suitable for mass production. However, there is one interesting type of bonding technique that is highly accessible, has excellent repeatability, low cost and allows small pitches for high signal density. This technology is called the gold stud bumping and it is made using a wire bonder. One of the advantages of this technique is the fact that the gold stud can be stacked in order to reduce the capacitive behaviour of the Flip-Chip transition and makes it easier to achieve greater bandwidth with less compensation or simply be used as a flexible option to satisfy the needs of a designer. In the literature, good broadband performance has been demonstrated for stacked gold studs in single-ended chip-to-chip interconnections above 100 GHz but chip-to-package and differential transitions are yet to be demonstrated.

This work aims to study the use of stacked gold stud bump chip-to-package interconnects from DC to above 100 GHz for single ended and differential coplanar waveguide transitions. In order to respect the contextualization aspect, the choices of the package and chip substrates are chosen to be LTCC and silicon, respectively. Full-wave simulations using HFSS have been used for optimization and compensation in order to find candidates exhibiting good broadband performance. The experimental Flip-Chip assembly has been characterized from DC to 110 GHz using RF probes. Finally, design rules have been extracted to help guide future designers wishing to use this technology.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 129-133).
Mots-clés libres:	onde millimétrique, micro-onde, interconnexion, puce retournée, fils d’or, compensation, transition à large bande, encapsulation, circuit intégré, large bande, photonique, céramique, LTCC, silicium, guide d’ondes coplanaire, ligne différentielle, ligne simple, RF
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Deslandes, Dominic
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	18 août 2025 13:44
Dernière modification:	18 août 2025 13:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3665

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