Micromachining and Packaging of Smart Probes for mmW on-Wafer Measurements

Micro-usinage et packaging de sondes actives pour les mesures mmW sur tranche Les technologies silicium avancées, telles que le BiCMOS B55X de STMicroelectronics, visant des fréquences de coupure fT/fmax supérieures à 400 GHz, permettent le développement de circuits dans la gamme 140-220 GHz (bande G). Pour valider ces technologies, les méthodes de caractérisation micro-ondes pour les mesures sur tranche (on-wafer) sont essentielles pour extraire les figures de mérite des transistors, des circuits passifs et des parasites associés. Cependant, les circuits à large bande, tels que les sources de bruit (NS), les récepteurs de bruit et les syntoniseurs d'impédance à ces fréquences sont très peu disponibles sur le marché. Des recherches antérieures ont démontré qu'il est possible d'intégrer directement des fonctions de mesure sur tranche en technologie BiCMOS B55, mais cette approche in-situ ou d'auto-test intégré (BIST, built-in self test) présente des limitations, notamment en termes de surface de silicium et parce que l'instrumentation BIST intégrée ne peut pas être utilisée pour une autre technologie.Cette thèse élargit l'applicabilité de l'instrumentation de mesure au-delà du procédé B55X et vise à réduire les coûts de test en évoluant du BIST aux sondes intelligentes. Cette nouvelle approche se concentre sur l'intégration des fonctions de mesure dans un système compact placé aussi près que possible des sondes de mesure pour des mesures ex-situ.S'appuyant sur des résultats de thèse précédents, la première source de bruit (NS) packagée, basée sur la technologie SiGe BiCMOS 55-nm, a été développée et caractérisée dans deux configurations distinctes. Dans une première approche, les mesures de bruit sur wafer ont permis d'extraire un niveau de rapport de bruit en excès (ENRav) de 37 dB dans la gamme 140-170 GHz. Dans une approche alternative, la NS a été encapsulée dans un boîtier de type split-block avec une terminaison à bride WR5.1 pour une connexion aux sondes passives commerciales, atteignant un niveau ENRav allant jusqu'à 25 dB dans la gamme 140-220 GHz, ce qui correspond à une réduction de 12 dB de l'ENR par rapport aux mesures sur tranche.Pour améliorer ces travaux, un des résultats clés de cette thèse est le développement de sondes Ground-Signal-Ground (GSG) pour les mesures sur tranche, fabriquées par micro-usinage laser femtoseconde avec une résolution comprise entre 5 et 10 µm. Ces sondes, fabriquées à partir d'un substrat de verre Schott AF32 d'une épaisseur de 100 µm et recouvert d'une feuille de nickel de 10 µm, démontrent une durabilité mécanique et des performances électriques améliorées. Alors que les sondes fabriquées à partir d'un substrat de verre sans couche de nickel atteignent la rupture mécanique pour une force de contact de 196 mN, les tests d'atterrissage ont révélé que les sondes en nickel-verre résistaient jusqu'à 667 mN. De plus, ces sondes ont démontré une résistance DC électrique de contact très faible atteignant 0,05 Ω pour une force d'appui supérieure à 6 mN.En outre, cette recherche introduit une nouvelle technologie de substrat qui embarque une puce intégrant une source de bruit amplifiée en technologie B55X sur un interposeur en verre pour réduire les pertes diélectriques et de transition de mode de propagation. Grâce au micro-usinage laser femtoseconde, les interconnexions sont structurées avec précision, permettant l'intégration de la puce NS sur le même substrat que celui utilisé pour fabriquer les pointes de sonde coplanaires, avec l'avantage de simplifier le chemin de propagation du signal. Ce système a atteint un niveau ENRav ajustable jusqu'à 29 dB dans la gamme 140-170 GHz, avec une adaptation d'impédance de sortie meilleure que -12 dB sur l'ensemble de la bande de fréquences.Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour des sondes actives millimétriques, rentables et évolutives, pour les mesures sur tranche.