Ceramic interposers for high density packaging in 3D LTCC technology

Résumé

La croissance mondiale de l’utilisation des données s’accélère tous les jours. En raison de la technologie 5G utilisée dans les années qui arrivent et de l’Internet des objets (IoT), la demande pour plus de données à transmettre et plus de bande passante continuera à augmenter. Pour répondre à ce besoin et transfert cet énorme volume de données, les centres de données et les infrastructures de réseau nécessiteront une vitesse de transmission de données plus élevée dans une bande passante plus large. Afin d’arriver à cette vitesse élevée et à cause de la limite des systèmes opérant à des fréquence micro-ondes, l’utilisation hautes fréquences et des fréquences optiques est inévitable. Ainsi, l’émergence de la technologie SiP (System in Package) en photonique offrira une option viable pour répondre à cette demande technologique permettant aux nouvelles puces d’offrir une grande capacité de transmission sur une large bande passante. Afin d’intégrer ces dispositifs photoniques dans le même boîtier avec des composants électroniques, de nouvelles technologies rentables offrant une grande fiabilité et de très bonnes performances pour maintenir l’intégrité du signal sont nécessaire. Par ailleurs, ces technologies doivent faciliter la miniaturisation de boîtier électronique et optoélectronique. L’une des solutions pour réduire la taille du boîtier électronique et optoélectronique est d’utiliser une technologie multicouche telle que LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics), dans laquelle certaines parties du circuit sont intégrées aux couches internes. L’un des défis de ce type de structures est de connecter différentes couches à travers des trous et de permettre des assemblages multi-puces avec des interconnexion plus courtes que possible. Généralement, l’utilisation de TSV (Through Silicon Via) dans les substrats basés en silicium a été proposée comme l’une des technologies qui permet ce type d’intégration haute densité, malgré sa fonctionnalité limitée et un coût relativement élevé. Dans ce projet, nous proposons une nouvelle méthode pour les interposeurs verticaux dans la technologie LTCC. Cette méthode combine les avantages du LTCC telle que son coût de fabrication, une faible perte diélectrique aux ondes millimétriques et la possibilité d’intégrer des composants passifs et des lignes de transmission dans ses couches internes. Cela permettra de réaliser des courtes interconnexions et des trous de très haute densité. La technique proposée est basée sur un nouveau procédé de fabrication de micro-trous qui est associé à l’ablation au laser avec des matériaux conducteurs personnalisés pour remplir des trous. Ainsi, cela permettra de réaliser des trous et des interconnexions de différentes dimensions dans le LTCC. Pour démontrer la faisabilité et la fonctionnalité de la technique proposée, diverses lignes de transmission sur différentes couches ont été conçues qui interconnectent des feuilles LTCC ultra-minces à travers des trous. Ces conceptions ont été simulées et optimisées avec l’outil de simulations HFSS dans l’objectif d’atteindre le taux de transmission de données le plus élevé dans une boîte miniaturisée. Le prototypage a été réalisé sur la feuille de céramique A6M la plus fine dans le marché par Ferro qui a 1 mil d’épaisseur. Les trous de ces feuilles sont remplis par des conducteurs spécifique à base d’or conçu également par Ferro. Une étude expérimentale du diamètre réalisable des trous et la distance entre deux trous adjacents a été effectuée sur une feuille de 1-mil afin de montrer que l’intégration et l’interconnexion à très haute densité est possible. Selon les résultats obtenus, la technologie LTCC ayant une fabrication plus facile pourrait être considérée comme une bonne alternative aux substrats de silicium pour les interconnexions passives. En outre, la TCV (Through Ceramic Via) pour les transitions verticales s’est avérée réalisable et offre une alternative viable au TSV avec un processus de fabrication plus simple et deux ou trois fois moins chère pour l’industrie. La fabrication du micro-via avec le diamètre minimum de 20 μm et la distance entre deux vias d’au moins de 40 μm est réalisable sur les feuilles de céramique avec l’épaisseur de 1 mil, tandis que le diamètre régulier du via est de 50 μm et la distance était de 200 μm, respectivement. En plus, l’épaisseur actuelle des feuilles de céramique dans l’industrie sont 10 mil, 5 mil et 2 mil (rarement utilisé). En utilisant cette feuille de céramique d’une épaisseur de 1 mil, la conception des circuits et les package RF plus dense et miniaturisé est plus réalisable.

Date	22 avr. 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ammar B. Kouki (Directeur(-trice))