V. FIORESE

Soutenance : 8 septembre 2022
Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes, Université de Lille, ENGSYS Sciences de l’ingénierie et des systèmes

Projets associés : Laboratoire commun STMicroelectronics-IEMN T1, RENATECH, Laboratoire commun STMicroelectronics-IEMN

Résumé :

Les technologies avancées sur silicium visant des Ft/Fmax supérieures à 400 GHz permettent la conception de circuits sur silicium dans la plage de fréquence 130-260 GHz. Afin de pousser le développement de ces technologies et l’extraction des facteurs de mérite des transistors tels que le facteur de bruit, l’efficacité en puissance et leur modélisation, il est nécessaire de disposer de moyens de caractérisation hyperfréquences associés. À ces fréquences, les outils large bande tels que les sources de bruit, les récepteurs de bruit, les adaptateurs d’impédances et les sondes de puissance ne sont pour l’instant pas disponibles pour faire ces études à une échelle industrielle. Plusieurs thèses ont prouvé la possibilité de placer ces fonctions de caractérisation au plus proche du composant en technologie BiCMOS 55 nm de STMicroelectronics à tester, directement sur Silicium. Cette approche in situ montre certaines limitations notamment en termes de surface de Silicium allouée aux seuls circuits de tests et à la répétabilité des mesures pour différents composants. Une industrialisation des mesures est visée dans le cadre de cette thèse, poussant l’intégration des fonctions circuits associées à la caractérisation dans des boitiers de type split blocks. Pour mener ces travaux, 3 axes d’études ont été développés visant la réalisation d’un boîtier fonctionnalisé en source de bruit bande G : la conception de circuits silicium en bande G utilisés dans la fonctionnalisation de ce boîter, la conception de substrats organiques accueillant par assemblage flip chip les circuits silicium, enfin la conception des split blocks intégrant ces substrats. Au sujet des boitiers, les principales transitions mises en jeu ont pu être caractérisées à l’aide de prototypes en configuration back-to-back. La transition de type E-plane entre la ligne strip-line suspendue du substrat et la cavité WR5 a pu être caractérisée en bande G, mettant en évidence un niveau de pertes d’insertion moyen de 2,5 dB dans cette plage de fréquence. De nouveaux essais d’impression 3D métallique utilisant le procédé MLS ont également été réalisé au-delà de 110 GHz pour l’usinage d’un guide d’ondes WR5. Les pertes d’insertion mesurées en bande G sont de l’ordre de 90 dB/m contre 20 dB/m pour des guides WR5 commerciaux. Cependant, un dépôt de cuivre par électrolyse sur les faces internes de la cavité est rendu possible après usinage et permet de rivaliser avec les guides d’ondes du commerce avec des niveaux de pertes d’insertion simulées de 15 dB/m. Cette intégration en boitier repose sur un assemblage de type flip chip des différents circuits en technologie SiGe BiCMOS 55 nm (Source de bruit, LNA, adaptation d’impédance) sur un substrat organique multicouches inséré dans des cavités réalisées par micro-usinage. Une source de bruit active a été réalisée et mesurée en bruit et en paramètres S en bande G, mettant en évidence des niveaux d’ENR disponibles s’échelonnant entre 0 et 37 dB. Cette source de bruit en technologie SiGe BiCMOS 55 nm présente l’avantage de la facilité d’intégration en boitier et une adaptation d’impédance de sortie meilleure que -8 dB dans la bande de fréquence considérée, quel que soit le courant de polarisation de la diode. Finalement, des essais d’assemblages de source de bruit SiGe BiCMOS 55 nm à large gamme d’ENR ont été menés. Plusieurs prototypes de boitier ont été réalisés ainsi que les substrats d’accueil des fonctions circuits associées. Une connectique de type bride WR5 permet de relier le boitier à des pointes de mesures commerciales de type Infinity Waveguide Probe et cela permet d’envisager la mesure des paramètres de bruit d’un transistor HBT et du facteur de bruit d’un LNA sous pointes. Il devient alors possible d’envisager ce type de mesure à l’échelle industrielle pour de nombreuses technologies de circuits en bande G avec ces développements proposés de boîtier fonctionnalisé en source de bruit.

Abstract :

Advanced silicon technologies targeting Ft/Fmax above 400 GHz allow the design of silicon circuits in the 130-260 GHz frequency range. In order to push the development of these technologies and the extraction of transistor merit factors such as noise figure, power efficiency and their modeling, it is necessary to have associated microwave characterization tools. At these frequencies, broadband tools such as noise sources, noise receivers, impedance adapters and power probes are currently not available to perform these studies on an industrial scale. Several theses have demonstrated the possibility of placing these characterization functions as close as possible to the STMicroelectronics 55 nm BiCMOS technology device to be tested, directly on silicon. This in situ approach has some limitations, especially in terms of the Silicon area allocated to the test circuits and the repeatability of measurements for different components. An industrialization of the measurements is aimed in the framework of this thesis, pushing the integration of the circuit functions associated with the characterization in split block type boxes. To carry out these works, 3 axes of studies were developed aiming at the realization of a functionalized box in G-band noise source: the design of silicon circuits in G-band used in the functionalization of this box, the design of organic substrates hosting by flip chip assembly the silicon circuits, finally the design of split blocks integrating these substrates. Concerning the packages, the main transitions involved have been characterized with the help of prototypes in back-to-back configuration. The E-plane transition between the suspended strip-line of the substrate and the WR5 cavity has been characterized in G-band, showing an average insertion loss level of 2.5 dB in this frequency range. New metallic 3D printing tests using the MLS process have also been performed above 110 GHz for the machining of a WR5 waveguide. The measured insertion losses in G-band are of the order of 90 dB/m against 20 dB/m for commercial WR5 waveguides. However, an electrolytic copper deposit on the internal faces of the cavity is made possible after machining and allows to compete with commercial waveguides with simulated insertion loss levels of 15 dB/m. This integration is based on a flip chip assembly of different circuits in 55 nm SiGe BiCMOS technology (noise source, LNA, impedance matching) on a multilayer organic substrate inserted in cavities produced by micromachining. An active noise source has been realized and measured in noise and S-parameters in G-band, showing available LNA levels ranging from 0 to 37 dB. This noise source in 55 nm SiGe BiCMOS technology has the advantage of easy integration in the package and an output impedance matching better than -8 dB in the considered frequency band, whatever the bias current of the diode. Finally, tests of 55 nm SiGe BiCMOS noise source assemblies with a wide ENR range have been conducted. Several prototypes of the package have been realized as well as the substrates for the associated circuit functions. A WR5 flange type connector allows to connect the box to commercial measurement tips such as Infinity Waveguide Probe and this allows to consider the measurement of the noise parameters of a HBT and the noise factor of an LNA under tips. It becomes then possible to consider this type of measurement on an industrial scale for many G-band circuit technologies with these proposed developments of functionalized noise source package.