Etude, conception et réalisation de transitions verticales coaxiales pour une intégration hétérogène 3D de microsystèmes en gamme millimétrique

L atteinte prévisible des limites de la loi de Moore dans les dix prochaines années poussent les concepteurs de systèmes de communication à intégrer le maximum de fonctionnalités dans des modules 3D de plus en plus petits, incluant des capteurs, de l intelligence embarquée, des modules radio avec leurs antennes,(Approche More than Moore). On passe donc du concept de SoC (System-on-Chip) au concept de SiP (System-in-Package) pouvant intégrer des SoC mais offrant d autres fonctionnalités au niveau de la perception de l environnement, de la communication, de la reconfigurabilité et de la possibilité d auto-organisation en réseau ad-hoc, tout en minimisant le volume et la consommation énergétique.C est dans ce contexte que s inscrivent ces travaux de thèse, qui présentent cette technologie d intégration hétérogène (System-In-Package) miniature, faible coût associant des MEMS RF à des circuits MMIC actifs et des antennes intelligentes pour établir des communications robustes en gamme millimétrique. Pour cela, nous proposons, par le projet SIPCOM, la réalisation et le test d un module radio ultra compact et performant en gamme millimétrique grâce à une l approche d intégration hétérogène . Ce module intégrera toutes les fonctions nécessaires pour la réalisation d un émetteur 60 GHz : le réseau d antennes, les déphaseurs à base de MEMS pour assurer l agilité du faisceau, le convertisseur DC/DC pour alimenter les MEMS, un FPGA (du commerce) pour commander la reconfigurabilité du module radio et les circuits mise en veille/réveil du module pour une consommation minimale. Dans ce contexte, ces travaux de thèse visent à développer la technologie de mise en boitier et les interconnexions et transitions verticales. Au cours de ce manuscrit, nous proposons une nouvelle approche de transitions verticales, les TSCV (Through Silicon Coaxial Vias). Transition verticale basée sur le modèle coaxial, utilisant du benzocyclobuitène (BCB) en guise de matériau diélectrique, son étude, son développement, et l évolution de la structure sont présentés. Du fait de sa nature, cette transition coaxiale offre tous les avantages à la mise en boitier à haute densité d intégration, avec une totale isolation électromagnétique par rapport au substrat, et donc une totale indépendance quant à la nature du substrat, un rayonnement électromagnétique parasites ultra faible et, par les propriétés du BCB, des pertes électromagnétiques ultra faibles en bande millimétrique. Nous détaillons également le procédé e réalisation technologique et son évolution, qui permet la fabrication et le test de ces structures.Achieving predictable limits of Moore's Law over the next ten years, communication systems designers try to integrate a maximum of functionality into smaller and smaller 3D modules, including sensors, embedded intelligence, radio modules with their antenna (Approach More than Moore). So we go from the concept of SoC (System-on-Chip) to the concept of SiP (System-in-Package) that can integrate SoC but offering more features concerning the environmental perception, communication, reconfigurability and the possibility of self-organization in ad-hoc network, while minimizing the volume and energy consumption. This thesis was performed in this context and presents this heterogeneous integration technology (System-in-Package), miniature, low cost RF MEMS, combining MMIC circuits and smart antennas to establish communications in millimeter range. For this, by SIPCOM project, we propose the realization of an ultra compact radio module and efficient testing in millimeter range thank to heterogeneous integration approach. This module will integrate all the functions necessary for the implementation of a 60 GHz transmitter: network antennas, phase shifters based on MEMS to ensure the agility of the beam, the DC / DC converter to power the MEMS, an FPGA (trade) to control the reconfigurability of the radio module and circuit standby / alarm module for minimum consumption. In this context, the thesis aims to develop technology in packaging and interconnexions and vertical transitions.In this manuscript, we propose a new approach to vertical transitions, the TSCV (Through Silicon Coaxial Vias).Vertical transition based on the coaxial model, using benzocyclobutène (BCB) as a dielectric material, the study, development, and evolution of the structure are presented. Because of its nature, this coaxial transition offers all the advantages in packaging with high integration density, with a total electromagnetic isolation from the substrate, and thus completely independent of the nature of the substrate, an ultra low parasitic electromagnetic radiation, and by properties of the BCB, ultra low electromagnetic losses in the millimeter band. We also detail the process e technological achievement and its evolution, allowing the manufacture and testing of these structures.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Flip chip and tab interconnects for millimeter wave MMICs - A comprehensive study

This paper presents simulation results performed with a 3D FEM Software on flip chip and tape automated bonding interconnect of MMICs at millimeter wave frequencies (40 - 60 Ghz). Parasitic propagation modes for CPW flip chip mounted MMICs are pointed out with proposed solution. Measurement results obtained with LNA 38 and 55 GHz microstrip MMICs connected to alumina substrates with a 50 Ohm coplanar tape are presented and show goodagreement compared to bare MMICs and to simulations

Contribution à l'étude de modules radio ultra faible consommation pour réseaux de capteurs en gamme millimétrique

L objectif de ces travaux était d étudier la faisabilité d un module radio ultra large bande en gamme millimétrique destiné à des applications de réseaux de capteurs ultra faible consommation pour des applications domotiques, industrielles ou environnementales. Aujourd'hui, l'usage du canal 60 GHz radio est attrayante pour les applications de réseaux de capteurs car elle bénéficie d'une ressource spectrale large (7GHz entre 57GHz et 64GHz), d une miniaturisation des modules radio, de l'interférence limitée avec les autres systèmes de communication. Après avoir comparé plusieurs technologies de couche physique nous avons opté pour un module radio en technique impulsionnelle ultra large bande transposée en gamme millimétrique autour de 60GHz, qui présente une faible consommation d'énergie, une faible complexité de l'architecture radio, une faible sensibilité à la non-linéarité de l'émetteur, une robustesse aux effets de propagation multiple et une résolution temporelle élevée pour des applications de localisation. Nous avons ensuite montré que pour des réseaux de moyenne densité et à faible débit numérique les approches S-MAC et Zigbee sont prometteuses demandant à être encore améliorées dans la mesure où il n existe pas à ce jour de normes établies pour les liaisons radio entre nœuds de réseau de capteurs. De plus, afin de ne pas complexifier l architecture globale du module radio et de diminuer la consommation nous avons choisi une architecture ULB transposée en gamme millimétrique avec une modulation de type OOK et une solution de démodulation basée sur la détection non cohérente de l'énergie Pour valider le principe, nous avons conçu deux circuits utilisant la technologie AsGa 0.1um pHEMT de chez OMMIC. L un est un émetteur qui fonctionne à 30GHz et l autre fonctionne à 60GHz. Dans la dernière partie, nous présentons la conception de l émetteur du nœud de capteur en technologie CMOS 65nm SOI composé d un oscillateur à 30 GHz contrôlé par un générateur d impulsion sub nanoseconde, d un doubleur de fréquence et d un amplificateur dont les alimentations sont déclenchées par un autre générateur d impulsion. La synchronisation, la détermination du seuil et la démodulation des données sont implémentées sous un FPGA afin de les valider et de déterminer la consommation d énergie.He objective of this work was to study an ultra wideband (UWB) millimeter-wave module with low power consumption for wireless sensor networks (WSNs). WSNs provide distributed information collection and transmission which are useful for many industrial or environmental applications. Nowadays the use of 60GHz radio channel is attractive for WSNs applications since it benefits of a wide spectral resource (7 GHz allocated between 57GHz and 64GHz), a possibility for the miniaturization of the radio modules, limited interference with other communicating systems, as well as access to worldwide allocated non regulatory frequency bands. After comparing several physical layer technologies we chosed an impulse radio millimeter-wave UWB architecture transposed to 60GHz, the advantages of which are low power consumption, low complexity architecture, low sensitivity to the nonlinearity of the transmitter, robustness to multiple propagation effects and high time resolution for localization applications. We then showed that the approaches (S-MAC and Zigbee) are promising for the MAC layer of the WSNs,but need to be further improved since currently there are no established standards. In order to simplify the overall architecture of the radio module and reduce the power consumption, we have chosen an UWB millimeter-wave architecture using OOK modulation and noncoherent demodulation based on the energy detection. To validate the principle, we have designed two circuits using 0.1um GaAs pHEMT from the OMMIC. The first one is a 30 GHz transmitter and the second one is at 60GHz. In the end a new simple 60 GHz UWB transmitter using 65nm CMOS SOI technology was presented. This transmitter is composed of a negative differential resistance (NDR) oscillator driven by an UWB pulse generator in conjunction with a frequency doubler and a medium power amplifier (MPA), the supply of which is triggered by another UWB pulse generator. The synchronization, the determination of threshold and the demodulation of data are implemented on an FPGA to validate and determine the power consumption.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Liaisons numériques haut débit ultra large bande transposées autour de 60 GHz pour objets mobiles communicants

Les techniques ultra large bande connaissent depuis quelques années un regain d'intérêt majeur dans le domaine des télécommunications sans fil. L'occupation spectrale issue de la génération de ces impulsions sub-nanosecondes conduit à un étalement spectral de plusieurs gigahertz, permettant une grande immunité face aux trajets multiples dans les milieux confinés. Malheureusement, la génération de ces impulsions en bande de base, en cours de réglementation, doit posséder un étalement spectral compris entre 3 et 10 Ghz ayant une puissance isotrope rayonnée équivalente très faible (500 Mbps) à des distances compatibles avec les réseaux courte distance (<20 m) et des taux d'erreur par bit relativement faibles.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Conception et réalisation de commutateurs MEMS millimétriques pour les antennes intelligentes

L'engouement pour les réseaux de télécommunication à haut débit (> 100 Mbit.s- ) en milieu confiné a amené à la création de réseaux conjuguant réseaux ad hoc et traditionnels. Pour atteindre ces débits, une montée en fréquence s'est avérée nécessaire jusqu'en bande V. Cependant, les réseaux à de telles fréquences posent de nombreux problèmes du fait des propagations multi-trajets et des évanouissements à petite et grande échelle. L'utilisation d'antennes intelligentes est une solution pour lutter efficacement contre ces problèmes. Pour permettre une intégration monolithique d'une antenne intelligente, deux composants de bases ont été développés. Premièrement, un micro-commutateur série en technologie MEMS sur substrat GaAs à membrane diélectrique a été conçu, réalisé et testé. Deuxièmement, une antenne quasi-Yagi intégrable sur substrat haute permittivité a été mise au point, puis testée. L'antenne intelligente composée de ces deux briques de base (antennes et alimentation de l'antenne basée sur les micro-commutateurs) sera facilement intégrable de part sa taille réduite, aura de bonnes performances RF et aidera à optimiser la consommation des objets. Pour assurer un fonctionnement correct dans un environnement réel, une méthode collective d' encapsulation des micro-commutateurs a été développée.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Conception et réalisation technologique de commutateurs micro-électromécaniques en bande K pour antennes à réseaux déphasés

Le nombre croissant des utilisateurs de systèmes de communications sans fil et l'introduction de services hauts débits, tels que les services multimédia ou l'accès rapide à Internet, vont entraîner une forte augmentation du trafic à l'échelle mondiale. L'utilisation d'antennes intelligentes se présente actuellement comme l'une des techniques les plus prometteuses pour l'accroissement de la capacité des systèmes de télécommunication. L'agilité de faisceau, qui constitue la principale caractéristique de ces antennes, nécessite des déphaseurs qui, jusqu'à présent, étaient essentiellement réalisés à l'aide de composants semiconducteurs. Aujourd'hui, les déphaseurs peuvent tirer profit de la technologie des microsystèmes électromécaniques (MEMS) qui permet la réalisation de commutateurs présentant d'excellentes performances RF jusqu'aux fréquences millimétriques, et dont la très faible consommation d'énergie revêt une importance capitale pour les systèmes de communications mobiles du futur.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'étude et à la réalisation d'un numériseur ultra large bande à haute résolution en filière TBH InP

LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Conception et réalisation d'antennes en bande millimétrique à base de MEMS RF pour des applications télécoms et en contrôle non destructif

Ces dernières années ont vu un fort engouement pour les télécommunications haut débit (>100Mbit.s-1) conjuguant réseaux ad hoc et réseaux traditionnels. Cependant, à 60 GHz en milieu confiné, ces types de réseaux sont confrontés aux problèmes de propagation multi-trajets et d évanouissements. Une des solutions pour lutter efficacement contre ces problèmes est le développement d'antennes à agilité de faisceaux à base de MEMS RF. Dans ce cadre, l objectif de ce travail a été de réaliser et de mettre à profit conjointement les performances des micro-commutateurs MEMS RF capacitifs et de nouvelles structures d'antennes. Néanmoins, la maturité de ces dispositifs MEMS RF n est pas encore atteinte, et des problèmes liés à la fiabilité du diélectrique ou encore à la fiabilité mécanique ne sont pas complètement résolus. Ainsi, afin d améliorer leur durée de vie, l'étude se focalise dans un premier temps sur l optimisation de la contrainte mécanique de la membrane et sur la compréhension des propriétés des différents nitrures de silicium amorphes hydrogénés SiNx : H, élaborés par PECVD, au travers de caractérisations optique, structurale et électrique. Le deuxième volet de ce travail, concerne la conception, la réalisation et la caractérisation de nouvelles structures d antennes millimétriques excitées par une ligne coplanaire CPWFA (CPW Fed Aperture). La conception de l élément rayonnant suspendu sur un packaging de type level 0 permet en particulier de protéger les MEMS RF de leur environnement et d assurer leur bon fonctionnement. Ces antennes, développées sur un procédé wafer Scale Packaging , offrent d une part de bonnes performances en termes d efficacité (>80%), de polarisation (circulaire, linéaire ou mixte) et d autre part une encapsulation collective bas coût. Ces dispositifs réalisés sur GaAs Haute Résistivité (HR) pour une intégration monolithique compatible au procédé above IC permettent d'entrevoir un grand nombre d applications télécoms et CND.We have seen recently a great interest in high data rate (>100 Mbit s-1) indoor Local Area Networks combining ad hoc and more traditional networks. However, at 60GHz in a confined environment, theses networks pose issues due to multipath effects and fadings. One solution to combat effectively against these problems is the development of band beam agility antenna based RF-MEMS. In this context, the objective of this thesis was to make and to use jointly the performances of fabricated capacitve RF-MEMS (MicroElectroMechanical System) switches and new antenna structures. However, the maturity of these RF MEMS devices is not yet realised, and problems related to the dielectric reliability or mechanical reliability are unsolved. Thus, in order to improve their lifetime, this study focuses at first on optimizing the mechanical stress of membranes and understanding the properties of various films of hydrogenated amorphous silicon nitrides SiNx : H, elaborated by employing plasma enhanced chemical vapor deposited (PECVD) techniques evaluated through optical, structural and electrical experimental results. The second part of this work concerns the design, fabrication and characterization of new antennas millimeter wave excited by a coplanar line CPWFA (CPW Fed Aperture). The design of the radiating element suspended on packaging Level 0 allows in particular RF MEMS to ensure a good behaviour in a real environment. These antennas, developed on a process Wafer Scale Packaging propose, an excellent performance in terms of efficiency (>80%), polarization (circular,linear or mixed) and also overall wafer-level packaging at low cost. These systems fabricated on high resistivity (HR) GaAs substrate for a compatible monolithic integration of an above IC type process offers great potential for many telecommunications applications and others e.g. non distructive testing (NDT).LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Étude et faisabilité d'un système ultra large bande (ULB) en gamme millimétrique en technologie silicium avancée

Durant ces dernières années, les systèmes de télécommunications sans fil grand public ont intégré des circuits en technologie silicium (BiCMOS, CMOS), grâce à la montée en fréquence des composants actifs de ces technologies (MOSFETS, Bipolaires à Hétérojonctions) qui remplacent peu à peu les circuits des filières III-V. Récemment, les techniques Ultra Large Bande utilisées dans les radars militaires haute puissance ont été étendues à des applications grand public et ont été normalisées aux Etats-Unis pour des bandes de fréquences comprises entre 3 et 10GHz. Dans cette bande de fréquence les architectures d'émetteur et de récepteur sont complexes. La transposition des signaux en gamme millimétrique, plus exactement dans la bande [59-62] GHz, présente de nombreux avantages notamment en terme de simplicité d'architecture système et d'encombrement. Les transistors de la technologie silicium BiCMOS SiGe 0,13 m atteignent des fréquences de coupure et des fréquences maximales d'oscillation de l'ordre de 160 GHz. Nous avons ainsi conçu puis caractérisé les différents éléments millimétriques de la chaîne d'émission et de réception tels que oscillateur, commutateur, générateur d'impulsions, amplificateur moyenne puissance et faible bruit, détecteur. Les performances obtenues sur ces fonctions étant en accord avec les spécifications système que nous nous étions fixées, un circuit émetteur et un circuit récepteur entièrement intégrés en technologies silicium BiCMOS ont été conçus et réalisés. Ces travaux ont permis de démontrer la possibilité d'utiliser ces technologies silicium pour la réalisation de nouveaux systèmes de communication dans le domaine des fréquences millimétriques.Over the past few years, consumer wireless communication systems have been implemented using silicon technology (BiCMOS, CMOS). Thanks to the higher operating frequency range of its active components (MOSFET, Heterojunction Bipolar Transistors), silicon technologies have replaced Ill-V technology in wireless communication circuits. Ultra Wideband technologies, used for high power military radars, were recently extended to consumer applications and normalized over the frequency range from 3 to 10 GHz in the United States of America. Within this range, receiver and transmitter architectures are complex. Transposition of a baseband UWB signal at 60 GHz, more precisely the 59-62 GHz band, offers many advantages, such as a simpler system architecture and a reduced die area. SiGe BiCMOS 0.13 m silicon transistors exhibit a cut-off frequency and a maximum oscillation frequency of 160 GHz. We have designed and measured all the different millimeter circuits of the transceiver such as the oscillator, switch, pulse generator, medium power amplifier, low noise amplifier and detector. The results obtained on these blocks are in agreement with the system specifications we had established. A fully integrated transmitter and a fully integrated receiver circuits were designed and realized. The results demonstrate the capability of silicon technologies for the implementation of new communication systems in the millimeter wave range.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Modélisation, conception et caractérisation d'un commutateur hyperfréquence à base de nanotubes de carbone verticaux

Depuis leur découverte, les propriétés des nanotubes de carbones ont largement été étudiées. L étude de la pertinence scientifique et de la faisabilité d un commutateur NEMS RF ohmique et capacitif constitue un axe de recherche dont les résultats seraient susceptibles d être supérieurs aux performances des MEMS RF. Il existe trois géométries de commutateurs, la poutre, le pont et la pince. Cette thèse propose une étude approfondie d un NEMS RF en configuration pince par une explication détaillée de l ensemble des étapes de dimensionnement, de fabrication et de caractérisation. Une recherche bibliographique a défini les éléments théoriques indispensables à la maîtrise et à la cohérence de cette démarche scientifique. Différentes expérimentations en croissance de nanotubes de carbone par la méthode PECVD sur un empilement de différents matériaux susceptibles de composer le NEMS ont été réalisées pour aboutir à une structure répondant aux exigences physiques d un NEMS RF et à la contrainte thermique de synthèse PECVD (600C à 800C). Les expérimentations effectuées en commutation sur des commutateurs NEMS illustrent la réalisation et le fonctionnement de ces structures. Les résultats encourageants en simulation hyperfréquence et la faisabilité de NEMS RF apportent une crédibilité à la poursuite de ces travaux, avec pour objectif, des mesures expérimentales en hyperfréquence confirmant ou infirmant les modèles théoriques et les simulations.Since their discovery, the properties of carbon nanotubes have been widely studied. The study of scientific relevance and feasibility of an ohmic and capacitive RF NEMS represents an area of research whose results would likely exceed the performances of RF MEMS. There are three switch designs, the cantilever, the bridge and the tweezer. This thesis offers a comprehensive study of RF NEMS switch in a tweezer configuration with a detailed explanation of all phases of modelization, fabrication and characterization. A literature search set the necessary theoretical elements for the knowledge and the consistency of this scientific process. Various experiments on the carbon nanotubes growth by PECVD method on a stack of different materials likely to compose the NEMS have been realized to result in a structure meeting the physical specifications of a NEMS RF and the thermal stress in PECVD synthesis (600C to 800C). The commutation experiments carried out on the NEMS switch illustrate the fabrication and the operation of these structures. The encouraging results in high frequency simulation and the fabrication of RF NEMS have brought credibility to the continuation of this work, with the objective of experimental measurements at high frequency in order to confirm or refute the theoretical models and the software simulations.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF