Heterogeneous Integration of RF and Microwave Systems Using Multi-layer Low-Temperature Co-fired Ceramics Technology

[eng] The aim of this work is the development of a modelling methodology for the fast analysis of non-radiative multilayer RF passive components without compromising solution accuracy. Instead of following a compact model approach, oftenly used in integrated technologies, the method is based on a specialized quasi-static partial element equivalent circuit (PEEC) numerical solver. Besides speed and accuracy, the solver can be embedded in circuit simulators; thus, models are already available in the schematic entry. Using this framework, model scalability is enhanced in terms of geometry, substrate cross-section, material properties, topology and boundary conditions. The dissertation starts showing the actual performance of the obtained solver and the motivations beneath its development. Then, the description about solver development is splitted in three parts, but all of them are interrelated. First, the PEEC formulation is adapted according to relevant electromagnetic behaviour of the component. It is worth stressing that a different perspective related to the principle of virtual work is used in this formulation. The second part deals with the evaluation of partial elements, the core of the solver. It is carried out using analytical space-domain close-form solutions of the Green’s function (GF) of the substrate. Partial elements are then assembled into a mesh. Therefore, the importance of the mesh up on solution accuracy is discussed in the last part and a basic layout aware mesh generator is proposed. Practical application of the methodology includes the implementation of a library of RF passives for multilayer substrate. For validation, the chosen substrate is a low temperature co-fired ceramics (LTCC) technology. Different set of devices have been fabricated, characterized and compared against model prediction. In addition, the obtained results are also verified using state-of-the-art electromagnetic solvers.[spa] El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una metodología de modelado para el análisis rápido, pero sin comprometer la precisión de la solución, de componentes pasivos no radiativos de RF en substratos multicapa. El método se basa en el algoritmo numérico cuasi-estático de los elementos parciales de circuito equivalente (PEEC). Éste puede ser incorporado en simuladores de circuitos; por tanto, los modelos ya están disponibles en la entrada de esquemático de forma transparente para el diseñador de circuitos. Utilizando este marco, la escalabilidad del modelo se mejora en términos de la geometría, la definición del corte tecnológico, las propiedades del material, la topología del componente y las condiciones de contorno electro-magnéticas. Esta disertación comienza mostrando las motivaciones que han llevado a su desarrollo y la capacidad real del método de resolución obtenido. A partir de aquí, se realiza la descripción de todo el desarrollo del marco numérico que se divide en tres partes que están interrelacionadas. En primer lugar, la formulación PEEC se adapta según el comportamiento electromagnético real del componente. Vale la pena subrayar que en esta formulación se utiliza una perspectiva diferente a la habitual y que está relacionada con el principio de los trabajos virtuales de d’Alembert. La segunda parte trata de cómo se evalúan los elementos parciales y constituye el núcleo principal del algoritmo. Se lleva a cabo utilizando soluciones analíticas de la función de Green (GF) del sustrato en el dominio espacial. Los elementos parciales, que forman la malla numérica del modelo, se ensamblan en la matriz del sistema siguiendo un procedimiento de análisis nodal modificado (MNA). En la última parte, se discute la importancia de la malla sobre la precisión de la solución y se propone un generador de malla basado en la física del componente y no sólo en la descripción de la geometría. Como aplicación práctica de la metodología, se realiza la generación de una biblioteca de componentes pasivos RF para sustratos multicapa

Methods and tools for the design of RFICs

Ambient intelligence is going to focus the next advances in wireless technologies. Hence, the increasing demand on radio frequency (RF) devices and applications represents, not only a challenge for technological industries to improve its roadmaps, but also for RF engineers to design more robust, low-power, small-size and low-cost devices. Regarding to communication robustness, in the latest years, differential topologies have acquired an important relevance because of its natural noise and interference immunity. Within this framework, a differential n-port device can still be treated with the classical analysis circuit theory by means of Z-,Y-, h-parameters or the most suitable S-parameters in the radio frequency field. Despite of it, Bockelman introduced the mixed-mode scattering parameters, which more properly express the differential and common-mode behavior of symmetrical devices. Since then, such parameters have been used with a varying degree of success, as it will be shown, mainly because of a misinterpretation. Thereby, this thesis is devoted to extend the theory of mixed-mode scattering parameters and proposes the methodology to analyze such devices. For this proposal, the simplest case of a two-port device is developed. By solving this simple case, most of the lacks of the current theory are filled up. As instance, it allows the characterization and comparison of symmetric and spiral inductors, which have remained a controversy point until now. After solving this case, the theory is extended to a n-port device. Another key point on the fast and inexpensive development of radio frequency devices is the advance on fast CAD tools for the analysis and synthesis of passive devices. In the case of silicon technologies, planar inductors have become the most popular shapes because of its integrability. However, the design of inductors entails a deep experience and acknowledge not only on the behavior of such devices but on the use of electromagnetic (EM) simulators. Unfortunately, the use of EM simulators consumes an important quantity of time and resources. Thereby, this thesis is devoted to improve some of the aspects that slow down the synthesis process of inductors. Therefore, an ‘ab initio’ technique for the meshing of planar radio frequency and microwave circuits is described. The technique presented can evaluate the losses in the component with a high accuracy just in few seconds where an electromagnetic simulator would normally last hours. Likewise, a simple bisection algorithm for the synthesis of compact planar inductors is presented. It is based on a set of heuristic rules obtained from the study of the electromagnetic behavior of these planar devices. Additionally, design of a single-ended to differential low noise amplifier (LNA) in a CMOS technology is performed by using the methods and tools described.L'enginyeria de radiofreqüència i la tecnologia de microones han assolit un desenvolupament inimaginable i avui en dia formen part de la majoria de les nostres activitats diàries. Probablement, la tecnologia mòbil ha tingut un desenvolupament més ràpid que qualsevol altre avenç tecnològic de l'era digital. Avui en dia, podem dir que el paradigma de la mobilitat s'ha assolit i tenim accés ràpid a internet des de qualsevol lloc on podem estar amb un dispositiu de butxaca. No obstant això, encara hi ha fites per endavant. Es més que probable que el paradigma de l’ "ambient intelligence” sigui el centre dels pròxims avenços en les tecnologies sense fils. A diferencia del paradigma de l"ambient intelligence', l'evolució de la tecnologia de la informació mai ha tingut l'objectiu explícit de canviar la societat, sinó que ho van fer com un efecte secundari, en canvi, les visions d' “ambient intelligence” proposen expressament el transformar la societat mitjançant la connexió completa i la seva informatització. Per tant, l'augment de la demanda de dispositius de ràdio freqüència (RF) i de les seves possibles aplicacions representa, no només un repte per a les indústries tecnològiques per millorar els seus plans de treball, sinó també per als enginyers de RF que hauran de dissenyar dispositius de baixa potència, més robusts, de mida petita i de baix cost. Quant a la robustesa dels dispositius, en els últims anys, les topologies de tipus diferencial han adquirit una important rellevància per la seva immunitat natural al soroll i resistència a les interferències. Dins d'aquest marc, un dispositiu de nports diferencial, encara pot ser tractat com un dispositiu 2nx2n i la teoria clàssica d'anàlisi de circuits (és a dir, la temia de quadripols) es pot aplicar a través de paràmetres Z, Y, h o els paràmetres S, més adequats en el camp de freqüència de ràdio. Tot i això, Bockelman i Eisenstadt introdueixen els paràmetres S mixtos, que expressen més adequadament el comportament diferencial i en mode comú de dispositius simètrics o asimètrics. Des de llavors, aquests paràmetres s'han utilitzat amb un grau variable d'èxit, com es mostrarà, principalment a causa d'una mala interpretació. D'aquesta manera, la primera part d'aquesta tesi està dedicada a estendre la teoria dels paràmetres S de mode mixt i proposa la metodologia d'anàlisi d'aquest tipus de dispositius i circuits. D'aquesta forma, en el Capítol 2, es desenvolupa el cas més simple d'un dispositiu de dos ports. En resoldre aquest cas simple, la major part de les mancances de la teoria actual es posen de relleu. Com a exemple, pennet la caracterització i la comparació de bobines simètriques i espiral no simètriques, que han estat un punt de controvèrsia fins ara. Després de resoldre aquest cas, al Capítol 3 s'estén la teOIia a un dispositiu de n-ports dels quals un nombre pot ser single-ended i la resta diferencials. És en aquest moment quan la dualitat existent entre els paràmetres S estàndard i de mode mixt es pot veure clarament i es destaca en el seu conjunt. Aquesta teoria permet, tanmateix, estendre la teoria clàssica d'amplificadors quan s'analitzen per mitjà de paràmetres S. Un altre punt clau en el desenvolupament ràpid i de baix cost dels dispositius de radiofreqüència és l'avenç en les eines CAD ràpides per a l'anàlisi i síntesi dels dispositius passius, en especial dels inductors. Aquests dispositius apareixen tot sovint en el disseny de radio freqüència degut a la seva gran versatilitat. Tot i que hi ha hagut múltiples intents de reemplaçar amb components externs o circuits, fins i tot actius, en el cas de les tecnologies de silici, els inductors planars s'han convertit en les formes més populars per la seva integrabilitat. No obstant això, el disseny d'inductors implica conèixer i posseir una experiència profunda no només en el comportament d'aquests dispositius, però també en l'ús de simuladors electromagnètics (EM). Desafortunadament, l'ús dels simuladors EM consumeix una quantitat important de temps i recursos. Per tant, la síntesi dels inductors representa un important inconvenient actualment. D'aquesta manera, la segona part d'aquesta tesi està dedicada a millorar alguns dels aspectes que frenen el procés de síntesi dels inductors. Per tant, en el Capítol 4, es descriu una tècnica 'ab initio' de generació de la malla per bobines planars en ràdio freqüència i microones. La tècnica es basa en l'estudi analític dels fenòmens d'aglomeració de corrent que tenen lloc a l'interior del component. En aquesta avaluació, no es requereix una solució explícita dels corrents i de les càrregues arreu del circuit. Llavors, el nombre de cel•les de la malla assignades a una tira de metall donada, depèn del valor inicialment obtingut a partir de l'estudi analític. La tècnica presentada pot avaluar les pèrdues en el component amb una gran precisió només en uns pocs segons, quan comparat amb un simulador electromagnètic normalment es necessitaria hores. De la mateixa manera, en el Capítol 5 es presenta un senzill algoritme de bisecció per a la síntesi d'inductors planars compactes. Es basa en un conjunt de regles heurístiques obtingut a partir de l'estudi del comportament electromagnètic d'aquests dispositius planars. D'aquesta manera, el nombre d'iteracions es manté moderadament baix.D'altra banda, per tal d'accelerar l'anàlisi en cada pas, s'utilitza un simulador ràpid electromagnètic planar, el qual es basa en el coneixement que es té del component sintetitzat. Finalment, en el Capítol 6, la metodologia de paràmetres S de mode mixt proposada i les eines CAD introduides s'utilitzen àmpliament en el disseny d'un amplificador de baix soroll “single-ended” a diferencial (LNA), mitjançant una tecnologia estàndard CMOS.L'amplificador de baix soroll és un dels components claus en un sistema de recepció de radio freqüència, ja que tendeix a dominar la sensibilitat i la figura de soroll (NF) de tot el sistema. D'altra banda, les característiques d'aquest circuit estan directament relacionades amb els components actius i passius disponibles en una tecnologia donada. Per tant, la tecnologia escollida, el factor de qualitat dels passius, i la forma com es caracteritzen tindran un alt impacte en les principals figures de mèrit del circuit real

Modeling of integrated inductors for RF circuit design

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnic

Layout-level Circuit Sizing and Design-for-manufacturability Methods for Embedded RF Passive Circuits

The emergence of multi-band communications standards, and the fast pace of the consumer electronics markets for wireless/cellular applications emphasize the need for fast design closure. In addition, there is a need for electronic product designers to collaborate with manufacturers, gain essential knowledge regarding the manufacturing facilities and the processes, and apply this knowledge during the design process. In this dissertation, efficient layout-level circuit sizing techniques, and methodologies for design-for-manufacturability have been investigated. For cost-effective fabrication of RF modules on emerging technologies, there is a clear need for design cycle time reduction of passive and active RF modules. This is important since new technologies lack extensive design libraries and layout-level electromagnetic (EM) optimization of RF circuits become the major bottleneck for reduced design time. In addition, the design of multi-band RF circuits requires precise control of design specifications that are partially satisfied due to manufacturing variations, resulting in yield loss. In this work, a broadband modeling and a layout-level sizing technique for embedded inductors/capacitors in multilayer substrate has been presented. The methodology employs artificial neural networks to develop a neuro-model for the embedded passives. Secondly, a layout-level sizing technique for RF passive circuits with quasi-lumped embedded inductors and capacitors has been demonstrated. The sizing technique is based on the circuit augmentation technique and a linear optimization framework. In addition, this dissertation presents a layout-level, multi-domain DFM methodology and yield optimization technique for RF circuits for SOP-based wireless applications. The proposed statistical analysis framework is based on layout segmentation, lumped element modeling, sensitivity analysis, and extraction of probability density functions using convolution methods. The statistical analysis takes into account the effect of thermo-mechanical stress and process variations that are incurred in batch fabrication. Yield enhancement and optimization methods based on joint probability functions and constraint-based convex programming has also been presented. The results in this work have been demonstrated to show good correlation with measurement data.Ph.D.Committee Chair: Swaminathan, Madhavan; Committee Member: Fathianathan, Mervyn; Committee Member: Lim, Sung Kyu; Committee Member: Peterson, Andrew; Committee Member: Tentzeris, Mano

Ferrite-based micro-inductors for power systems on chip : from material elaboration to inductor optimisation

Les composants passifs intégrés sont des éléments clés pour les futures alimentations sur puce, compactes et présentant des performances améliorées: haut rendement et forte densité de puissance. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier les matériaux et la technologie pour réaliser de bobines à base de ferrite, intégrées sur silicium, avec des faibles empreintes (<4 mm ²) et de faible épaisseur (<250 µm). Ces bobines, dédiées à la conversion de puissance (˜ 1 W) doivent présenter une forte inductance spécifique et un facteur de qualité élevé dans la gamme de fréquence visée (5-10 MHz). Des ferrites de NiZn ont été sélectionnées comme matériaux magnétiques pour le noyau des bobines en raison de leur forte résistivité et de leur perméabilité stable dans la gamme de fréquence visée. Deux techniques sont développées pour les noyaux de ferrite: la sérigraphie d'une poudre synthétisée au laboratoire et la découpe automatique de films de ferrite commerciaux, suivi dans chaque cas du frittage et le placement sur les conducteurs pour former une bobine rectangulaire. Des bobines tests ont été réalisées dans un premier temps afin que la caractérisation puisse être effectuée : les propriétés magnétiques du noyau de ferrite notamment les pertes volumiques dans le noyau sont ainsi extraites. L'équation de Steinmetz a permis de corréler les courbes de pertes mesurées avec des expressions analytiques en fonction de la fréquence et de l'induction. La deuxième phase de la thèse est l'optimisation de la conception de la micro-bobine à base de ferrite, en tenant compte des pertes attendues. L'algorithme générique est utilisé pour optimiser les dimensions de la bobine avec pour objectif ; la minimisation des pertes et l'obtention de la valeur d'inductance spécifique souhaitée, sous faible polarisation en courant. La méthode des éléments finis pour le magnétisme FEMM est utilisée pour modéliser le comportement électromagnétique du composant. La deuxième série de prototypes a été réalisée afin de valider la méthode d'optimisation. En perspective, les procédés de photolithographie de résine épaisse et le dépôt électrolytique sont en cours de développement pour réaliser les enroulements de cuivre épais autour des noyaux de ferrite optimisés et ainsi former le composant complet.On-chip inductors are key passive elements for future power supplies on chip (PwrSoC), which are expected to be compact and show enhanced performance: high efficiency and high power density. The objective of this thesis work is to study the material and technology to realize small size (<4 mm²) and low profile (< 250 µm) ferrite-based on-chip inductor. This component is dedicated to low power conversion (˜ 1 W) and should provide high inductance density and high quality factor at medium frequency range (5-10 MHz). Fully sintered NiZn ferrites are selected as soft magnetic materials for the inductor core because of their high resistivity and moderate permeability stable in the frequencies range of interest. Two techniques are developed for the ferrite cores: screen printing of in-house made ferrite powder and cutting of commercial ferrite films, followed in each case by sintering and pick-and place assembling to form the rectangular toroid inductor. Test inductors were realized first so that the characterization could be carried out to study the magnetic properties of the ferrite core and the volumetric core losses. The core losses were fit from the measured curve with Steinmetz equation to obtain analytical expressions of losses versus frequency and induction. The second phase of the thesis is the design optimization for the on-chip ferrite based inductor, taking into account the expected losses. Genetic algorithm is employed to optimize the inductor design with the objective function as minimum losses and satisfying the specification on the inductance values under weak current-bias condition. Finite element method for magnetics FEMM is used as a tool to calculate inductance and losses. The second run of prototypes was done to validate the optimization method. In perspective, processes of thick-photoresist photolithography and electroplating are being developed to realize the completed thick copper windings surrounding ferrite cores

Investigating on Through Glass via Based RF Passives for 3-D Integration

Due to low dielectric loss and low cost, glass is developed as a promising material for advanced interposers in 2.5-D and 3-D integration. In this paper, through glass vias (TGVs) are used to implement inductors for minimal footprint and large quality factor. Based on the proposed physical structure, the impact of various process and design parameters on the electrical characteristics of TGV inductors is investigated with 3-D electromagnetic simulator HFSS. It is observed that TGV inductors have identical inductance and larger quality factor in comparison with their through silicon via counterparts. Using TGV inductors and parallel plate capacitors, a compact 3-D band-pass filter (BPF) is designed and analyzed. Compared with some reported BPFs, the proposed TGV-based circuit has an ultra-compact size and excellent filtering performance

Model order reduction techniques for PEEC modeling of RF & high-speed multi-layer circuits.

by Hu Hai.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2006.Includes bibliographical references.Abstracts in English and Chinese.Author's Declaration --- p.iiAbstract --- p.iiiAcknowledgements --- p.viTable of Contents --- p.viiiList of Figures --- p.xiList of Tables --- p.xivChapter Chapter 1 --- Introduction --- p.1Chapter 1.1 --- Background --- p.1Chapter 1.2 --- Overview of This Work --- p.2Chapter 1.3 --- Original Contributions in the Thesis --- p.3Chapter 1.4 --- Thesis Organization --- p.4Chapter Chapter 2 --- PEEC Modeling Background --- p.5Chapter 2.1 --- Introduction --- p.5Chapter 2.2 --- PEEC Principles --- p.6Chapter 2.3 --- Meshing Scheme --- p.10Chapter 2.4 --- Formulae for Calculating the Partial Elements --- p.12Chapter 2.4.1 --- Partial Inductance --- p.12Chapter 2.4.2 --- Partial Capacitance --- p.14Chapter 2.5 --- PEEC Application Example --- p.15Chapter 2.6 --- Summary --- p.17References --- p.18Chapter Chapter 3 --- Mathematical Model Order Reduction --- p.20Chapter 3.1 --- Introduction --- p.20Chapter 3.2 --- Modified Nodal Analysis --- p.21Chapter 3.2.1 --- Standard Nodal Analysis Method Review --- p.22Chapter 3.2.2 --- General Theory of Modified Nodal Analysis --- p.23Chapter 3.2.3 --- Calculate the System Poles Using MNA --- p.27Chapter 3.2.4 --- Examples and Comparisons --- p.28Chapter 3.3 --- Krylov Subspace MOR Method --- p.30Chapter 3.4 --- Examples of Krylov Subspace MOR --- p.32Chapter 3.5 --- Summary --- p.34References --- p.35Chapter Chapter 4 --- Physical Model Order Reduction --- p.38Chapter 4.1 --- Introduction --- p.38Chapter 4.2 --- Gaussian Elimination Method --- p.39Chapter 4.3 --- A Lossy PEEC Circuit Model --- p.44Chapter 4.3.1 --- Loss with Capacitance --- p.44Chapter 4.3.2 --- Loss with Inductance --- p.46Chapter 4.4 --- Conversion of Mutual Inductive Couplings --- p.47Chapter 4.5 --- Model Order Reduction Schemes --- p.50Chapter 4.5.1 --- Taylor Expansion Based MOR Scheme (Type I) --- p.51Chapter 4.5.2 --- Derived Complex-valued MOR Scheme (Type II) --- p.65Chapter 4.6 --- Summary --- p.88References --- p.88Chapter Chapter 5 --- Concluding Remarks --- p.92Chapter 5.1 --- Conclusion --- p.92Chapter 5.2 --- Future Improvement --- p.93Author's Publication --- p.9