Compliant Chip-to-Package Interconnects for Wafer Level Packaging

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Addressing Fiber-to-Chip Coupling Issues in Silicon Photonics

Esta tesis trata de resolver el problema de la interconexión (acoplo) entre un circuito integrado fotónico de silicio (chip) y el mundo exterior, es decir una fibra óptica. Se trata de uno de los temas más importantes a los que hoy en día se enfrenta la comunidad científica en óptica integrada de silicio. A pesar de que pueden realizarse circuitos integrados fotónicos de silicio de muy alta calidad utilizando herramientas estándar de fabricación CMOS, la interfaz con la fibra óptica sigue siendo la fuente más importante de pérdidas, debido a la gran diferencia en el tamaño entre los modos de propagación de la fibra y de las guías de los circuitos integrados fotónicos. Abordar el problema es, por lo tanto, muy importante para poder utilizar los circuitos integrados fotónicos de silicio en una aplicación práctica. Objetivos: El propósito de este trabajo es hacer frente a este problema en la interfaz del acoplamiento fibra-chip, con énfasis en el ensamblado o empaquetado final. Por lo tanto, los objetivos principales son: 1) estudio, modelado y optimización de diseños de diferentes técnicas eficientes de acoplamiento entre fibras ópticas y circuitos integrados fotónicos de silicio, 2) fabricación y demostración experimental de los diseños obtenidos, 3) ensamblado y empaquetado de algunos de los prototipos de acoplamiento fabricados. Metodología: Este trabajo se desarrolla a lo largo de dos líneas de investigación, en conformidad con las dos principales estrategias de acoplamiento que pueden encontrarse en la literatura, concretamente, estructuras de acoplamiento tipo "grating" (la fibra acopla verticalmente sobre la superficie de circuito), y estructuras del tipo ¿inverted taper¿ (la fibra acopla horizontalmente por el extremo de circuito). Resultados: tanto en el caso de estructuras tipo "grating" como en el caso de estructuras "inverted taper", son importantes los avances conseguidos sobre el estado del arte. En lo que respecta al "grating", se ha demostrado dos tipos de estructuras. Por un lado, se ha demostrado "gratings" adecuados para acoplo a guías de silicio convencionales. Por otra parte, se ha demostrado por primera vez el funcionamiento de "gratings" para guías de silicio tipo "slot" horizontal, que son un tipo de guía muy prometedora para aplicaciones de óptica no lineal. En relación con el acoplamiento a través de "inverted taper", se ha demostrado una estructura novedosa basada en este tipo de acoplamiento. Con esta estructura, importantes son los avances conseguidos en el empaquetado de fibras ópticas con el circuito de silicio. Su innovadora integración con estructuras de tipo "V-groove" se presenta como un medio para alinear pasivamente conjuntos de múltiples fibras a un mismo circuito integrado fotónico. También, se estudia el empaquetado de conjuntos de múltiples fibras usando acopladores tipo "grating", resultando en un prototipo de empaquetado de reducido tamaño.Galán Conejos, JV. (2010). Addressing Fiber-to-Chip Coupling Issues in Silicon Photonics [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/9196Palanci

異種ダイレット積層を用いたフレキシブルハイブリッドデバイスの集積技術に関する研究

Tohoku University福島誉史課

Self-Aligned 3D Chip Integration Technology and Through-Silicon Serial Data Transmission

The emerging three-dimensional (3D) integration technology is expected to lead to an industry paradigm shift due to its tremendous benefits. Intense research activities are going on about technology, simulation, design, and product prototypes. This thesis work aims at fabricating through-silicon vias (TSVs) on diced processor chips, and later bonding them into a 3D-stacked chip. How to handle and process delicate processor chips with high alignment precision is a key issue. The TSV process to be developed also needs to adapt to this constraint. Four TSV processes have been studied. Among them, the ring-trench TSV process demonstrates the feasibility of fabricating TSVs with the prevailing dimensions, and the whole-through TSV process achieves the first dummy chip post-processed with TSVs in EPFL although the dimension is rather large to keep a reasonable aspect ratio (AR). Four self-alignment (SA) techniques have been investigated, among which the gravitational SA and the hydrophobic SA are found to be quite promising. Using gravitational SA, we come to the conclusion that cavities in silicon carrier wafer with a profile angle of 60° can align the chips with less than 20 µm inaccuracies. The alignment precision can be improved after adopting more advanced dicing tools instead of using the traditional dicing saws and larger cavity profile angle. Such inaccuracy will be sufficient to align the relatively large TSVs for general products such as 3D image sensors. By fabricating bottom TSVs in the carrier wafer, a 3D silicon interposer idea has been proposed to stack another chip, e.g. a processor chip, on the other side of the carrier wafer. But stacking microprocessor chips fabricated with TSVs will require higher alignment precision. A hydrophobic SA technique using the surface tension force generated by the water-to-air interfaces around the pads can greatly reduce the alignment inaccuracy to less than 1 µm. This low-cost and high throughput SA procedure is processed in air, fully-compatible with current fabrication technologies, and highly stable and repeatable. We present a theoretical meniscus model to predict SA results and to provide the design rules. This technique is quite promising for advanced 3D applications involving logic and heterogeneous stacking. As TSVs' dimensions in the chip-level 3D integration are constrained by the chip-level processes, such as bonding, the smallest TSVs might still be about 5 µm. Thus, the area occupied by the TSVs cannot be neglected. Fortunately, TSVs can withstand very high bandwidths, meaning that data can be serialized and transmitted using less numbers of TSVs. With 20 µm TSVs, the 2-Gb/s 8:1 serial link implemented saves 75% of the area of its 8-bit parallel counterpart. The quasi-serial link proposed can effectively balance the inter-layer bandwidth and the serial links' area consumption. The area model of the serial or quasi-serial links working under higher frequencies provides some guidelines to choose the proper serial link design, and it also predicts that when TSV diameter shrinks to 5 µm, it will be difficult to keep this area benefit if without some novel circuit design techniques. As the serial links can be implemented with less area, the bandwidth per unit area is increased. Two scenarios are studied, single-port memory access and multi-port memory access. The expanded inter-layer bandwidth by serialization does not improve the system performance because of the bus-bottleneck problem. In the latter scenario, the inter-layer ultra-wide bandwidth can be exploited as each memory bank can be accessed randomly through the NoC. Thus further widening the inter-layer bandwidth through serialization, the system performance will be improved

Electronic packaging - A bibliography

Annotated bibliography of literature on electronic packaging for use in designing electronic equipmen

Design of programmable matter

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, 2008.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Includes bibliographical references (leaves 115-119).Programmable matter is a proposed digital material having computation, sensing, actuation, and display as continuous properties active over its whole extent. Programmable matter would have many exciting applications, like paintable displays, shape-changing robots and tools, rapid prototyping, and sculpture-based haptic interfaces. Programmable matter would be composed of millimeter-scale autonomous microsystem particles, without internal moving parts, bound by electromagnetic forces or an adhesive binder. Particles can dissipate 10 mW heat, and store 6 J energy in an internal zinc-air battery. Photovoltaic cells provide 300 [mu]W outdoors and 3.0 [mu]W indoors. Painted systems can store battery reactants in the paint binder; 6 J / mm3 can be stored, and diffusion is fast enough to transport reactants to the particles. Capacitive power transfer is an efficient method to transfer power to sparse, randomly placed particles. Power from capacitive transfer is proportional to VDD 2: 100[mu]W at 3.3V and 12 mW at 35V. Inter-particle communication is possible via optical, near-field, and far-field electromagnetic systems. Optical systems allow communication with low area (sub-mm) particles, and 24 pJ/bit. Near-field electromagnetic gives precisely controlled neighborhoods, localization capability, and 37 pJ/bit. Far-field radio communication between widely spaced particles may be possible at 60 GHz; antennas that fit inside 1 mm3 exist; complete transceivers do not. A 32-bit CPU uses less than 0.26 mm2 die area, 256K x 8 SRAM uses 1.1 mm2, and 256K x 8 FLASH uses 0.32 mm2. Direct-drive electric and magnetic field systems allow actuation without moving parts inside the particles. Magnetic surface-drive motors designed for operation without bearings are not power-efficient, and parasitic interactions between permanent magnets may limit their usefulness at millimeter particle dimensions. Electrostatic surface-drive motors are power-efficient, but practical only at particle dimensions below a few millimeters. We constructed a prototype paintable display; a distributed PostScript rendering system with 1000 randomly-placed 3.4 cm nodes, each with a CPU, IR communications, and LED. The system is used to render the letter "A." We present a design, not yet constructed, for a literal paintable display, with 1.0 mm rendering particles, each with a microprocessor and memory, and 110 [mu]m display particles, with tri-color LED's and simpler circuitry. Storage of zinc-air battery reactants in the paint binder would provide an 8 hour battery life, and capacitive power distribution would allow continuous operation. We constructed a prototype sliding-cube modular robot, with 3.4 cm nodes. The system uses magnetic surface-drive actuation. We demonstrate horizontal lattice-unit translation. We describe a design, not yet constructed, for a sliding-cube modular robot with 2 mm nodes. The cubes use standard-process CMOS IC's, inserted into a cubic space frame and wire-bonded together. Arrays of passivated electrodes, 1 [mu]m from the surface of the cubes, are used for electrostatic surface-drive actuation, zero-power latching, power transfer, localization, and communication. The design allows actuation from any contacting position. Energy is stored in a standard SMT capacitor inside each node, which is recharged by power transfer through chains of contacting nodes.by Ara N. Knaian.S.M

Biological Cell Identification by Integrating Micro-fluidics, Electrical Impedance Spectroscopy and Stochastic Estimation

The integration of micro-fluidics, electrical impedance spectroscopy and stochastic estimation will lead to a device with enhanced detection capabilities. The goal of this thesis was to build a micro-fluidic electrical impedance measurement device that can be used in combination with a stochastic estimator to accurately identify living cells. A microdevice capable of making impedance measurements on individual living cells was designed and built using a series of standard microelectronic fabrication techniques. A microchannel was patterned in SU-8 photoresist between two gold microelectrodes on a two inch Pyrex 7740 wafer. The design process, the fabrication techniques for the microchannel, the fluid port fabrication and the cover slip bonding processes are described in detail. Small glass cover slips were bonded to the wafer using Loctite 3301 adhesive. Impedance measurements of single cells, in the microchannel device, were made using a HP4194A impedance analyzer. Preliminary analysis of the impedance data suggests that Jurkat cells have characteristic impedance signatures, corresponding to their cell type. The microdevice that was designed and built for this project should facilitate future work to implement a stochastic estimation algorithm capable of single cell identification

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

Design, manufacturing and characterisation of a wireless flexible pressure sensor system for the monitoring of the gastro-intestinal tract

Ingestible motility capsule (IMC) endoscopy holds a strong potential in providing advanced diagnostic capabilities within the small intestine with higher patient tolerance for pathologies such as irritable bowel syndrome, gastroparesis and chronic abdominal amongst others. Currently state-of-the art IMCs are limited by the use of obstructive off-the-shelf sensing modules that are unable to provide multi-site tactile monitoring of the Gastro-Intestinal tract. In this work a novel 12 mm in diameter by 30 mm in length IMC is presented that utilises custom-built flexible, thin-film, biocompatible, wireless and highly sensitive tactile pressure sensors arrays functionalising the capsule shell. The 150 μm thick, microstructured, PDMS flexible passive pressure sensors are wirelessly powered and interrogated, and are capable of detecting pressure values ranging from 0.1 kPa up to 30 kPa with a 0.1 kPa resolution. A novel bottom-up wafer-scale microfabrication process is presented which enables the development of these ultra-dense, self-aligned, scalable and uniquely addressable flexible wireless sensors with high yield (>80%). This thesis also presents an innovative metallisation microfabrication process on soft-elastomeric substrates capable to withstand without failure of the tracks 180o bending, folding and iterative deformation such as to allow conformable mapping of these sensors. A custom-built and low-cost reflectometer system was also designed, built and tested within the capsule that can provide a fast (100 ms) and accurate extraction (±0.1 kPa) of their response. In vitro and in vivo characterisation of the developed IMC device is also presented, facilitated respectively via the use of a biomimetic phantom gut and via live porcine subjects. The capsule device was found to successfully capture respiration, low-amplitude and peristaltic motility of the GI tract from multiple sites of the capsule.UK Engineering & Physical Sciences Research Council (EPSRC) through the Programme Grant Sonopill (EP/K034537/2)James Watt Scholarshi