Soutenance de Thèse

8 mars 2018 10:15 - 8 mars 2018 12:00

Le jeudi 8 mars 2018, Kevin Morot, doctorant en Optique et Radiofréquences à l’Institut de Microélectronique Électromagnétisme et Photonique et le Laboratoire d’Hyperfréquences et de Caractérisation (IMEP-LAHC), soutiendra sa thèse « Intégration et modélisation RF des interconnexions 3D pour l’interposer photonique ». La soutenance se tiendra à 10h15, en amphithéâtre du Bâtiment Pôle Montagne sur le campus du Bourget-du-Lac.

résumé de la thèse

Pour proposer des systèmes plus rapides, moins coûteux et consommant moins d’énergie, les micro-électroniciens ont longtemps compté sur la loi de Moore prédisant une densification des circuits intégrés à un rythme régulier. A présent cette loi s’essouffle et les fabricants de ces systèmes sont contraints de se tourner vers des solutions de rupture pour poursuivre la course aux performances. L’intégration 3D de circuits a été développée pour répondre à ce défi. Dans le cas des centres de données, points névralgiques des réseaux de communication, la propagation des signaux se répartie sur des réseaux optiques et électriques. Un composant assurant la conversion entre ces deux modes de transmission se révèle essentiel : le transmetteur électro-optique. À mesure que les débits de transmission augmentent, le signal optique doit être acheminé de plus en plus près des composants électroniques pour réduire le coût et la consommation énergétique. Pour atteindre les capacités de transmission de 10 Térabits par seconde visées en 2020, la distance maximale parcourue par le signal électrique entre le transmetteur et le processeur est estimée à 10 mm. Une nouvelle approche d’intégration du transmetteur directement dans le boîtier du circuit numérique s’avère indispensable.

L’interposeur photonique est proposé pour réaliser cette co-intégration en bénéficiant de l’intégration tridimensionnelle. La première étape des travaux présentés dans ce mémoire vise à évaluer les limites
de l’interposeur photonique pour les applications visées. Pour cela, nous démontrons que l’intégration « middle » du via traversant le silicium (i.e. TSV) est préférable à sa version « last ». Ensuite des règles de conception garantissant l’adaptation des interconnexions sont établies. Une méthodologie dédiée à l’extraction de la longueur d’utilisation maximales des chaînes satisfaisant des critères de bande passante est mise en place. Elle repose sur la simulation électromagnétique 3D de chacune des interconnexions et la mise en cascade des modèles extraits. Les chemins de routages à privilégier sont déduits et les résultats obtenus révèlent de fortes contraintes de routage qui découlent des limitations de la technologie actuelle.

Développer un interposeur capable de répondre au cahier des charges implique une optimisation des performances des chaînes d’interconnexions 3D. Un modèle large-bande et paramétrable est développé pour chaque interconnexion 3D. Ces modèles sont établis à partir de plans de simulations électromagnétiques, dont les domaines de définition s’inscrivent dans le contexte technologique actuel et incluent des perspectives technologiques à plus long terme jugées prometteuses. Les modèles sont validés par comparaison à des résultats de caractérisations sous pointes jusqu’à 110 GHz. Une première conclusion des travaux identifie les TSV et les lignes RDL comme éléments les plus pénalisants du réseau 3D. Les paramètres qui affectent de manière prépondérante leur atténuation et leur retard sont identifiés : il s’agit de la conductivité du substrat et dans une moindre mesure des épaisseurs d’oxyde et des conducteurs. Finalement les modèles paramétrables sont mis en cascade afin d’optimiser la longueur maximale d’utilisation et la
consommation énergétique des chaînes 3D de l’interposeur photonique dans deux contextes technologiques : l’un contraint par les procédés actuels et l’autre incluant des solutions de ruptures.

Des recommandations technologiques, de conception et de routage sont tirées de cette étude. L’intérêt de l’amincissement du substrat, de l’épaississement des lignes RDL et de l’utilisation de substrats à haute résistivité est chiffré. L’encombrement de la face avant de l’interposeur est ainsi réduite en routant les signaux rapides par les TSV et la RDL jusqu’à 3 mm pour un substrat standard. Dans le cas de substrat hautement résistif, la transmission à travers la surface entière de l’interposeur est rendue possible sans régénérer le signal.