Electromagnetic Characteristics of Flip-Chip-Interconnects for Millimeter-wave Frequencies

In dieser Arbeit werden die elektromagnetischen Eigenschaften von Flip-Chip-Aufbauvarianten im Millimeterwellenbereich mit Hilfe von elektromagnetischer Simulation (Finite Differenzen im Frequenzbereich, FDFD) charakterisiert. Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Flip-Chip-Übergangs werden am Beispiel des konventionellen Flip-Chip-Aufbaus untersucht, der auf Motherboard und Chip eine koplanare Leitungsstruktur trägt. Dabei werden Effekte wie das Detuning des Chips, die Reflexion am Übergang und ihre Optimierung sowie die Isolation des Aufbaus behandelt. Mit Bumps mit einem Durchmesser von 35 µm ist dabei eine Reflexion unterhalb von -20 dB bis zu einer Frequenz von 40 GHz möglich. Durch eine Optimierung des Übergangs mit Hilfe einer einfachen LC-Kompensationsschaltung auf dem Motherboard kann der Einsatzbereich breitbandig bis auf 80 GHz erweitert werden, was durch Messungen von Test-Aufbauten verifiziert werden konnte. Darüber hinaus werden Aufbauvarianten untersucht, die sich durch die Wahl der Leitungsstrukturen auf Motherboard und Chip unterscheiden. Zum einen ist dies die Thin-film-Struktur, die auf dem Motherboard eine Thin-film-Microstripleitung besitzt, zum anderen die sogenannte Hotvia-Struktur, die sich durch einen aufrecht montierten Microstrip-Chip auszeichnet. Die Thin-film-Struktur bietet die Möglichkeit, die durch die Substratmoden verbundenen Probleme (Übersprechen, Schaltungsinstabilitäten) zu umgehen, indem das Trägersubstrat durch ein dämpfendes niederohmiges Silizium-Material ersetzt wird. Die Thin-film-Technik erlaubt darüber hinaus besonders kleine Geometrien und damit millimeterwellentaugliche Übergänge, die breitbandig bis 77 GHz eingesetzt werden können. Vorteil der Hotvia-Struktur ist, dass das von der klassischen Flip-Chip-Technik her bekannte Detuning vermieden werden kann und der Chip auch nach der Montage für eine optische Kontrolle zugängig ist. Mit einer einfachen LC-Kompensation auf dem Motherboard können die in der Praxis üblichen Spezifikationen bis 50 GHz erreicht werden. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Flip-Chip-Technik hervorragend geeignet ist, millimeterwellentaugliche Flip-Chip-Übergänge zu realisieren. Die elektrischen Eigenschaften der Übergänge können durch ein angepasstes Design entscheidend verbessert werden. Dies ist von besonderem Interesse für Kommunikations- und Sensor-Systeme oberhalb von 40 GHz und breitbandige Schaltungen für Bitraten bei 40 GB/s und darüber