RF_chip_embedding

Characterization of high-frequency interconnections running near chips embedded in printed circuit boards

Problem description:

The ever increasing demand for lighter, more portable, cheaper and faster systems and the coinciding miniaturization of electronic circuits, is the driving force behind the invention of advanced packaging concepts. One of these new technologies is the embedding of chips in one ore more layers of a printed circuit board (PCB). Interconnecting the chips is realized by metalized vias, allowing the connections between the different layers and the components to remain as short as possible. The use of embedded components results in a three-dimensional packaging technology. This not only minimizes the length of the interconnections between the chip and the board, but also the length of the signal path between the different components

An embedded chip in the build-up layers of a PCB

An embedded chip in core layers of a PCB

The goal of this master thesis is the detailed study of the influence of embedded chips on the propagation behavior of high-frequency signals on tracks running over and under the chips.

The European project HERMES aims to industrialize the technology process for chip embedding in printed circuit boards. One of the research activities within the project is the high-frequency characterization of embedded dies. For this purpose, the research group Cmst has developed a series of dedicated test boards with embedded chips and measured these boards over a broad frequency range (100 MHz tot 50 GHz). The measurements correspond well to a closed-form model, however, the accuracy of this model is limited and it does not take into account the metalization on the chip. A more advanced model with higher accuracy would allow for a better agreement with the measurement results.

Cross section of a copper track above an embedded chip

The INTEC research group on Electromagnetics has a broad experience in accurate modelling and characterization of printed circuits. Recently, a powerful software tool for fast and reliable calculation of MIS structures (Metal-Insulator-Semicondcutor) was developed. A critical breakthrough was the introduction of Dirichlet-to-Neumann (DtN) boundary operator, which made it possible to accurately describe both semiconducting and highly conductive materials. The DtN method is internationally recognized as essential for the modeling of high-speed on-chip and on-board interconnections. As such, it will be applied in this master thesis to verify the measurement results.

Goal:

After a short introductory period, the student will make a thorough analysis of the measurement results to determine the possible presence of irregularities or inaccuracies. If necesary, some of these inaccuracies can be corrected using existing de-embedding techniques. Once the measurement results are approved, a comparison between measurements and simulation based on simple test structures can be started. Since some of the material parameters are not fully known, an optimization method needs to be developed based on the available test structures. As a final step, the measurement results for the test structures with embedded chips are compared to the simulation results of the software tool.

This master thesis is a cooperation between two research groups, presenting the opportunity to explore all aspects of this research topic and to build a broad knowledge on the subject. Certain topics can be highlighted, depending on the interest of the student.

Useful links:

http://emweb.intec.ugent.be/

http://www.cmst.be/

http://www.hermes-ect.net

Keywords:

high-frequency, advanced packaging, simulation

Location:

Technicum + home.

Karakterisering van hoogfrequente verbindingen in de buurt van chips ingebed in gedrukte schakelingen

Probleemstelling:

De steeds groeiende vraag naar lichte, draagbare, goedkopere en meer performante systemen en de daarmee gepaard gaande miniaturisering van elektronische schakelingen, is de drijfveer voor het bedenken van nieuwe verpakkingsconcepten. Een van deze nieuwe ideeën is het inbedden van chips in één of meer lagen van een printed circuit board. Het contacteren van de chips gebeurt d.m.v. gemetalliseerde vias, die toelaten om de interconnecties tussen de verschillende lagen en componenten zo kort mogelijk te houden. Het gebruik van ingebedde componenten resulteert in een driedimensionale verbindingsstructuur. Hierdoor wordt niet enkel de lengte van de verbinding tussen de chip en de printkaart verkleind, maar eveneens de lengte van het signaalpad tussen de verschillende componenten.

Een ingebedde chip in de opbouwlagen van een PCB

Een ingebedde chip in de binnenlaag van een PCB

Het doel van dit thesisonderzoek is het in detail bestuderen van de invloed van ingebedde chips op de propagatie van hoogfrequente signalen over baantjes die over en onder de chips lopen.

Het Europees project HERMES heeft als doel de industrialisering van de technologie voor het inbedden van chips in printkaarten. Een van de onderzoeksactiviteiten is de hoogfrequente karakterisering van ingebedde chips. Hiertoe werden door de onderzoeksgroep Cmst een reeks speciale testkaarten met ingebedde chips ontwikkeld en vervolgens opgemeten over een breed frequentiebereik (100 MHz tot 50 GHz). De metingen werden vergeleken met een analytisch model en toonden een aanvaardbare overeenkomst. De nauwkeurigheid van dit eenvoudig model is echter beperkt en het model houdt bv. ook geen rekening met de metallisaties op de chip. Een meer geavanceerd model met hogere nauwkeurigheid zou een betere overeenkomst met de meetresultaten mogelijk moeten maken.

Doorsnede van een koperbaantje boven een ingebedde chip

Binnen de onderzoeksgroep Elektromagnetisme van de vakgroep INTEC wordt reeds geruime tijd onderzoek verricht naar het efficiënt modelleren en karakteriseren van gedrukte schakelingen. Recentelijk nog werd een krachtige softwaretool ontwikkeld die erin slaagt om zogeheten MIS-structuren (Metal-Insulator-Semiconductor) door te rekenen op snelle en betrouwbare wijze. De doorbraak is er gekomen na het invoeren van de zogenaamde Dirichlet-to-Neumann (DtN) randoperator, waarna het mogelijk werd om zowel de aanwezigheid van halfgeleiders als skin-effect fenomenen accuraat te beschrijven. De DtN-methode wordt internationaal erkend als zeer geschikt voor de modellering van state-of-the-art high-speed on-chip en on-board interconnectstructuren en kan worden ingezet voor het hierboven voorgestelde onderzoek, dit voornamelijk ter verificatie van de metingen.

Doelstelling:

Na een korte inloopperiode om zich vertrouwd te maken met het onderwerp, zal de student(e) een doorgedreven analyse maken van de meetresultaten om eventuele afwijkingen en onnauwkeurigheden op te sporen. Indien nodig kunnen vervolgens sommige van deze onnauwkeurigheden gecorrigeerd worden met behulp van bestaande de-embedding technieken. Eens de meetresultaten geschikt bevonden zijn, kan gestart worden met het vergelijken van metingen en simulaties van eenvoudige teststructuren. Aangezien sommige materiaalparameters onvoldoende gekend zijn, dient een optimalisatiemethode opgesteld te worden aan de hand van de beschikbare teststructuren. Als finale stap worden de meetresultaten voor de teststructuren met ingebedde chips vergeleken met de simulatieresultaten van de softwaretool.

Deze thesis is een samenwerking tussen twee onderzoeksgroepen, die toelaat om met verschillende aspecten van het onderzoek in contact te komen en een brede kennis op te bouwen. Naargelang de interesse van de student(e), kunnen bepaalde onderdelen sterker benadrukt worden.

Nuttige links:

http://emweb.intec.ugent.be/

http://www.cmst.be/

http://www.hermes-ect.net

Trefwoorden:

hoogfrequent, verpakkingstechnologie, simulatie

Locatie:

Technicum + thuis.
Comments