Thesis defence of Gustavo Adolfo Palomino Marcelo (RMS team): Heterogeneous Integration Techniques on MnM Substrate for Millimeter-Wave Applications

Gustavo Adolfo PALOMINO MARCELO - RMS team

Direction of the thesis
Philippe FERRARI - Thesis director - Full professor - UGA / TIMA Laboratory
Ariana SERRANO - Thesis co-director - Doctor of Science - University of São Paulo
Gustavo REHDER - Thesis co-director - Full professor - University of São Paulo

Rapporteurs
Gaëtan PRIGENT - Rapporteur - Full professor - LAAS INP Toulouse
Serge VERDEYME - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges

Composition of the jury
Philippe FERRARI - Thesis director - Full professor - UGA / TIMA Laboratory
Ariana SERRANO - Thesis co-director - Doctor of Science - University of São Paulo
Gustavo REHDER - Thesis co-director - Full professor - University of São Paulo
Gaëtan PRIGENT - Rapporteur - Full professor - LAAS INP Toulouse
Serge VERDEYME - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges
Christophe GAQUIÈRE - Examinator - Full professor - Université de Lille
Raphaël PAULIN - Guest - Research engineer - STMicroelectronics
Cédric DURAND - Guest - Research engineer - STMicroelectronics

Title: Heterogeneous Integration Techniques on MnM Substrate for Millimeter-Wave Applications
Keywords: heterogeneous integration, interposer MnM, micro-bumps
Abstract: This thesis focuses on the development and characterization of heterogeneous integration solutions for systems operating at millimeter-wave frequencies, with particular emphasis on frequencies above 100 GHz. The work is primarily based on the metallic nanowire membrane (MnM) interposer platform developed at the Microelectronics Laboratory of the University of São Paulo, as well as on a SiGe BiCMOS technology from STMicroelectronics. A complete methodology for micro-bump fabrication and flip-chip assembly was developed to enable the integration of passive and active circuits, particularly for BiCMOS/MnM and BiCMOS/BiCMOS assemblies. Special attention was given to metallization processes, contact interfaces, chip alignment, and assembly reliability. The electrical performance of the interconnections was investigated through the design, simulation, fabrication, and characterization of integrated transmission lines. This work enabled the evaluation of losses and parasitic effects introduced by the transitions and assembly interfaces. The thermal aspects associated with the integration of power devices were also analyzed. Overall, the results contribute to the development of compact heterogeneous integration solutions for future millimeter-wave communication systems.

Titre : Techniques d’intégration hétérogène sur substrat MnM pour des applications aux ondes millimétriques
Mots-clés : intégration hétérogène, interposeur MnM, micro-bumps
Résumé : Cette thèse porte sur le développement et la caractérisation de solutions d’intégration hétérogène destinées aux systèmes fonctionnant aux fréquences millimétriques, avec un intérêt particulier pour les fréquences supérieures à 100 GHz. Les travaux s’appuient principalement sur la plateforme d’interposeur à membrane de nanofils métalliques (MnM), développée au Laboratoire de Microélectronique de l’Université de São Paulo, ainsi que sur une technologie SiGe BiCMOS de STMicroelectronics. Une méthodologie complète de fabrication de micro-bumps et d’assemblage flip-chip a été développée afin de permettre l’intégration de circuits passifs et actifs, notamment pour des assemblages BiCMOS/MnM et BiCMOS/BiCMOS. Une attention particulière a été portée aux procédés de métallisation, aux interfaces de contact, à l’alignement des puces et à la fiabilité des assemblages. Les performances électriques des interconnexions ont été étudiées à travers la conception, la simulation, la fabrication et la caractérisation de lignes de transmission intégrées. Ces travaux ont permis d’évaluer les pertes et les effets parasites introduits par les transitions et les interfaces d’assemblage. Les aspects thermiques de l’intégration de composants de puissance ont également été analysés. L’ensemble des résultats contribue au développement de solutions d’intégration compactes pour les futurs systèmes de communication millimétriques.