MCM Integration Technologies for 60-80 GHz Applications

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Diss. ETH No. 15497

     MCM Integration
 Technologies for 60–80 GHz
        Applications

                      A dissertation submitted to the
         SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
                         ZURICH
                             for the degree of
                      Doctor of Sciences ETH Zürich

                               presented by
                                Janusz Grzyb
          Dipl. El.-Ing. Technical University of Gdansk, Poland
                             born 26th May 1972
                         citizen of Suwalki, Poland

                  accepted on the recommendation of
                   Prof. Dr. Gerhard Tröster, examiner
                Prof. Dr. Rüdiger Vahldieck, co-examiner

                                  2004

Abstract

This research addresses the development of a set of MCM (Multi-Chip Mo-
dule) integration technologies for 60–80 GHz applications. It spans different
topics related to their extensive characterisation and to the establishment of
precise measurement and de-embedding methods of series of material and
circuit parameters at mm-wave frequencies.
     The first developed technology aims at a single substrate integration
of mm-wave modules. It is a modified multi-layer BCB-based (Benzocy-
clobute) MCM-D (Multi-Chip Module with deposited interconnect) process
with a performance-oriented optimally chosen dielectric thickness. An ex-
tensive study of various factors determining the performance of integrated
interconnect structures, distributed passives and antennas at frequencies up to
100 GHz was carried out. This information was used to justify the choice of
the microstrip configuration based on the BCB dielectric only with its appro-
priate thickness. To outline the potential of the developed technology for the
integration at 60–80 GHz, over 1000 S-parameter measurements of different
transmission line elements, loads, distributed passives and antennas were per-
formed up to 100 GHz. The simulated performance of some other integrated
passives at 78 GHz and 94 GHz, including patch antenna arrays, shows the
capability of the developed technology for applications at even higher fre-
quencies. A concept of a mixed MCM-D/L technology was developed for
an enhancement of the patch antenna efficiency and bandwidth. Addition-
ally, the constraints of the CPW configuration usage in hybrid technologies
at mm-wave frequencies were analysed. On the basis of this analysis, a two-
layer quasi-CPW configuration, formed by an elevated centre conductor, was
proposed. It results in a via-less realisation of bridges and tunnels, therefore,
promoting further miniaturisation of different transmission line discontinu-
ities, required at these frequencies.
     The other developed process is an MCM-L (Multi-Chip Module with la-
minated interconnect) build-up. It is supposed to be used for the realisation of
SMT (Surface Mount Technology) compatible single die packages and stan-
dard functional units consisting of several chip bare dies and some optional
integrated passive components at V-band, allowing an efficient implementa-
tion of a modular approach for the system integration. Active and passive de-
vices integrated in the modules are positioned in cavities, allowing wire-bond
suppression. Of special importance was the use of the liquid crystal polymer

viii

(LCP) laminates, showing excellent thermo-mechanical, chemical and elec-
trical properties at V-band frequencies.
     In order to accurately characterise the performance of the newly devel-
oped MCM processes, reliable calibration techniques had to be developed.
Relying on an off-wafer calibration only can lead to erroneous measurement
results at mm-wave frequencies. An accurate on-wafer fabrication of cali-
bration standards is, however, difficult if the goal is the characterisation of a
newly established technology. Therefore, a technique, accounting for the dif-
ferences between off- and on-wafer feed structures, was implemented using
a principle of the calibration-comparison method [1–4]. Moreover, a thor-
ough study of the state-of-the-art methods for de-embedding of the CPW line
characteristic impedance was performed. As a result of this study, a novel
technique with an automatic detection of the reference plane position was
developed. This procedure was extended to the taper-fed CPW and Finite-
Width CBCPW lines. Furthermore, a state-of-the-art two-step characteristic
impedance de-embedding technique for microstrip lines, valid at mm-wave
frequencies, was developed.
     Finally, an in-situ procedure for a wideband determination of dielectric
permittivities for thin dielectric layers was developed. It is based on the
probe-tip measurements of microstrip line sets consisting of different line
cross-sections and lengths. The high-frequency line dispersion at mm-wave
frequencies and the low-frequency dispersion caused by slow-wave effects,
considerably influencing the behaviour of thin microstrip lines, are addressed
with high accuracy. Not only standard single-layer microstrip lines are con-
sidered but also more realistic in interconnect technologies composite dielec-
tric build-ups and substrates with passivation layer.
     This work was conducted within the European research projects LAP1
and LIPS2 .

   1 LAP, Low Cost Large Area Panel Processing of MCM-D Substrates and Packages, Esprit
Project no. 26261, BBW no. 97.0286
   2 LIPS, Low Cost Interconnect, Packaging and Sub-system Integration Technologies for

Millimetre-wave Applications, IST Project no. 30128, BBW no. 01.0301

Zusammenfassung

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Reihe von
MCM-Integrationstechnologien (Multi-Chip Module) für 60-80 GHz-Anwen-
dungen. Die Arbeit enthält verschiedene Themen, welche mit den etablierten
technologischen Prozessen verwandt sind und deren extensiven Charakter-
isierung, präzisen Messung und Extraktionsmethoden für eine Reihe von
Material- und Schaltungsparametern im Millimeterwellenbereich.
     Bei der ersten entwickelten Technologie handelt es sich um ein mod-
ifizierter mehrlagiger MCM-D Prozess, der auf BCB-Dünnfilm (Benzocy-
clobute) basiert. Dabei wurde die Gesamtdicke von BCB bezüglich opti-
maler Leistungsfähigkeit ausgëwahlt. Diese Technologie zielt auf die Integra-
tion von Millimeterwellenmodulen in einem einzigen Substrat. Ausführliche
Studien von verschiedenen Faktoren wurden durchgeführt, welche das Ver-
halten der integrierten Verbindungsstrukturen, verteilten passiven Elemente
und Antennen bei Frequenzen bis zu 100 GHz bestimmen. Die Resultate
wurden benutzt für die Wahl einer Mikrostreifen-Konfiguration, welche nur
auf dem BCB-Dielektrikum mit der entsprechenden Dicke basiert. Um das
Potential der entwickelten Technologie für die Integration bei 60-80 GHz
validieren, wurden über 1000 S-Parameter-Messungen von verschiedenen
Übertragungsleitungen, Lasten, verteilten passiven Elementen und Anten-
nen bis zu 100 GHz vorgenommen. Die simulierte Leistung einiger an-
derer integrierter passiver Elemente, darunter Arrays von Patch-Antennen,
bei 78 GHz und 94 GHz zeigt das Potential der entwickelten Technologie für
Anwendungen bei noch höheren Frequenzen. Das Konzept einer gemischten
MCM-D/ L Technologie wurde für eine Erweiterung der Effizienz und Band-
breite von Patch-Antennen entwickelt. Zusätzlich wurden die Bedingungen
der Koplanarleitung-Konfiguration in hybriden Technologien im Millime-
terwellenbereich analysiert. Auf der Basis dieser Untersuchung wurde eine
zweilagige Quasi-Koplanarleitung-Konfiguration vorgeschlagen, die durch
einen erhöhten mittleren Streifenleiter gebildet ist. Daraus resultiert eine
durchkontaktierungslose Realisierung von bridges und tunnels. Damit wird
eine weitere Miniaturisierung von verschiedenen Diskontinuitäten in Übertra-
gungsleitungen möglich, was bei diesen Frequenzen erforderlich ist.
     Der zweite entwickelte Prozess ist ein MCM-L-Aufbau, der für die
Realisation von SMT-kompatiblen Einzel-Chip-Packages und funktionellen
Standard-Einheiten mit mehreren, unverpackten, integrierten Schaltungen

x

und einigen optionalen integrierten passiven Elementen im V-Band verwen-
det werden kann. Er erlaubt eine effiziente Implementation eines modularen
Ansatzes für die Integration. Aktive und passive Bauteile sind in Kavitäten
positioniert, was das Verzicht auf Bonddrähten erlaubt. Von spezieller Bedeu-
tung ist die Verwendung der Flüssigkristall-Polymer-Laminate (LCP), welche
ausgezeichnete thermomechanische, chemische und elektrische Eigenschaften
bei V-Band Frequenzen aufweisen.
    Um die Leistung des neu entwickelten MCM-Prozesses akkurat charak-
terisieren zu können, mussten zuverlässige Eichungs-Techniken entwickelt
werden. Eine Beschränkung nur auf off-wafer Eichung kann zu fehlerhaften
Messergebnissen im Millimeterwellenbereich führen. Eine genaue on-wafer
Fabrikation von Eichungselementen ist allerdings schwierig, wenn das Ziel
die Charakterisierung einer neu eingeführten Technologie ist. Darum wurde
eine Technik unter Benutzung der Eichungs-Vergleichsmethode [1–4] imple-
mentiert, welche die Unterschiede zwischen on-wafer und off-wafer Zuleitun-
gen berücksichtigt. Des Weiteren wurde eine eingehende Untersuchung von
state-of-the-art-Methoden zur Extraktion der charakteristischen Impedanz
von Koplanarleitungen durchgeführt. Als Resultat dieser Studie wurde eine
neue Technik mit automatischer Detektion der Position der Referenzebene
entwickelt. Diese Technik wurde auf taper-fed Koplanarleitungen (CPW) und
FW-CBCPW (Finite-Width Conductor-Backed CPW) Leitungen erweitert.
Zusätzlich wurde eine zweistufige Technik zur Extraktion der charakteris-
tischen Impedanz für Mikrostreifenleitungen entwickelt, welche im Millime-
terwellenbereich anwendbar ist.
    Schliesslich wurde eine in-situ-Prozedur für eine weitreichende Fest-
legung der dielektrischen Permittivitäten für dünne Lagen entwickelt. Sie
basiert auf Probenspitzen-Messungen von Mikrostreifenleiter-Sätzen beste-
hend aus verschiedenen Leiterquerschnitten und -längen. Die Hochfre-
quenzdispersion im Millimeterwellenbereich und die durch ”slow-wave”-
Effekte verursachte Niederfrequenzdispersion, welche einen starken Einfluss
auf das Verhalten von dünnen Mikrostreifenleitungen hat, werden berück-
sichtigt. Nicht nur die gewöhnliche Einlagige Mikrostreifen-Konfiguration
wird berücksichtigt, sondern auch die in Verbindungstechnologien realistis-
cheren, gemischten dielektrischen Aufbauten und Substrate mit Passivierung.
    Diese Arbeit wurde im Rahmen der europäischen Forschungsprojekte
LAP3 und LIPS4 durchgeführt.

    3 LAP,Low Cost Large Area Panel Processing of MCM-D Substrates and Packages, Esprit
Project no. 26261, BBW no. 97.0286
   4 LIPS, Low Cost Interconnect, Packaging and Sub-system Integration Technologies for

Millimetre-wave Applications, IST Project no. 30128, BBW no. 01.0301

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