THESE Victor FIORESE
Soutenance : 8 semptembre 2022
Laboratoire central – Villeneuve d’Ascq
Jury :
Pr. Guillaume DUCOURNAU – IEMN Villeneuve d’Ascq Président du jury
Pr. Nathalie DELTIMPLE – IMS Bordeaux Rapporteure
Pr. Pierre BLONDY – XLIM Limoges Rapporteur
Pr. Marina DENG – IMS Bordeaux Examinatrice
Pr. Dominique SCHREURS – Katholieke Universiteit Leuven Examinatrice
Mr. Daniel GLORIA – STMicroelectronics Crolles Examinateur
Pr. Christophe GAQUIERE – IEMN Villeneuve d’Ascq Co–directeur de thèse
Pr. Emmanuel DUBOIS – IEMN Villeneuve d’Ascq Directeur de thèse
Dr. Simon BOUVOT – STMicroelectronics Crolles Invité
Dr. Joao Carlos AZEVEDO GONCALVES – STMicroelectronics Crolles Invit
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.
