Medichats 2008

Progettazione e realizzazione Di

LNA in Banda W

Andrea Cremonini

Indice

• Introduzione

• Specifiche

• MMIC : dall’Idea al chip

• Progetto UIT 2006

• LNA: dal Chip al componente

• Risultati TT

Introduzione – Origine progetto

Grazie ad i finanziamenti ottenuti nell’ambito del V° programma quadro finanziato dalla comunità europea, IRA ha avuto la

possibilità di eseguire 2 wafer run, per la produzione di dispositivi monolitici a 22 GHz. Essendo stato estremamente positivo il

risultato ottenuto nel primo wafer run il secondo è stato utilizzato per sperimentare la produzione di LNA a più alte frequenze

Analogamente UTV ha avuto la possibilità di cimentarsi nella progettazione di MMIC in banda W grazie ad un progetto finanziato

nell’ambito del VI° Programma quadro

Introduzione –Tecnologie utilizzate

L’insieme di procedure e di tecnologie codificate per ottenere il MMIC si definisce PROCESSO

Le tecnologie produttive si distinguono Per tipo di semiconduttore ( SiGe, GaAs, InP )

Per gli HEMT ,Per lunghezza di gate

MMIC : Monolithic Microwave Integrated Circuit

Per realizzare dispositivi a basso rumore ad alta frequenza vengono impiegati gli HEMT (High Electron Mobility Transistor)

Introduzione –Tecnologie utilizzate

L'HEMT sfrutta la formazione di elettroni ad alta mobilità presenti nella buca di potenziale, generata dall' eterogiunzione tra GaAs e n-AlGaAs, al di sotto del livello di Fermi.Questo strato di elettroni ad alta mobilità, formatosi al di sotto della giunzione, è detto strato 2deg(2-dimensional-electron-gas), esso costituisce il vero canale del dispositivo. La densità di elettroni nel canale 2deg dipende dalla tensione gate-source.

HEMT : High Electron Mobility TransistorTransistor a effetto di campo caratterizzato da una eterogiunzione (metallo-semiconduttore) con differente band gap.

Introduzione –Tecnologie utilizzate

Processo TRW (US): InP 100nm gate length qualificato spazio criogenicamente testato. Difficile Accessibilità

Tecnologie a confronto

Processo OMMIC (Eu): GaAs mHEMT (HEMT metamorfico, ad alto contenuto di indio) 70mn. Non ufficialmente rilasciato. Non

testato criogenicamente.

Specifiche - LNA

• Criogenico • Rumore il più basso possibile• Guadagno superiore a 20 dB• Adattamento migliore di 15 dB• Basso consumo di potenza

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MMIC: Dall’idea al Chip

Progetto RF Layout Wafer Run

On Wafer Measurements

Dicing

Ausilio di CAD di simulazione basati su librerie di modelli dei dispositivi

Ausilio di simulatori EM per definire il comportamento di strutture complesse

Definizione di un layout che deve rispettare regole ben precise. Prima di

procedere alla produzione viene eseguito un DRC (Design rule Checking) per garantire la realizzabilità di quanto

progettato

Esecuzione da parte della Fonderia di tutte le operazioni codificate nel

processo atte a realizzare i chip. Il singolo layout viene replicato n volte sul

wafer

Caratterizzzione dei dispositivi on waferSpar

NoiseIP3

Tendenza ad autooscillare

Il Wafer viene inciso (scribing) ed i chip vengono suddivisi

MMICE Adesso che ce ne

facciamo?

Occorre creare un’interfaccia verso il

mondo

Progetto UIT 2006 - Obiettivo

Consolidare un processo industriale per la produzione di dispositivi criogenici RF e millimetrici realizzando un

amplificatore in banda W utilizzando un “Core” monolitico

Acquisto componenti Progettazione Meccanica Realizzazione Meccanica Montaggio componenti Test prototipo Produzione in serie Test serie

Prototipo 2 realizzazioni industriali

Attività Deliverables

La maggior parte dei componenti sono stati acquistati attraverso FERRARI BSN..

Tempistiche della fornitura Dimensioni dei componenti Costo Tipi di Colle

Raccolta datasheet Scambio informazioni

tecniche Funzioni dei componenti Tools, attrezzature e

consumabili necessariInizio definizione processo

Acquisto Componenti

LNA: Dal Chip al componente

Propagazione RF Ingresso uscita in guida Livellamento dei componenti Compensazione CTE Differenziale

LNA: Dal Chip al componente

Progetto Carrier

Acquisto Componenti

Verifica EM

Lavorazione lega Si/Al Tolleranze strette Allineamento corpo-coperchio Filettatura Doratura

LNA: Dal Chip al componente

Progetto Carrier

Verifica EM

Produzione parti meccaniche

Acquisto Componenti

Manipolazione oggetti “unpackaged” di dimensioni ridotte (0,5 mm)

Dispensing colla conduttiva

Manipolazione oggetti estremamente fragili (airbridges e 75um di spessore)

Bonding

LNA: Dal Chip al componente

Progetto Carrier

Verifica EM

Produzione parti meccaniche

AssemblaggioAcquisto Componenti

Progetto Carrier

Verifica EM

Produzione parti meccaniche

Assemblaggio Test

LNA: Dal Chip al componente

Rifatte saldature con pasta di stagno

Ridefinito il processo

Ispezione Visuale

Alimentazione DC

Wirebond Pull Test

2 Cicli Termici a 77°K

Verifica Vis. ed Alimentazione DC

Saldature DC “fredde” Soluzione per contatto GND

non affidabile

Superiore a 4,5 gr Eccellente risultato I° stadio non funzionante Rottura MMIC in fase di montaggio

Ridefinizione modalita di manipolazione MMIC

Sostituzione MMIC e bondature

Ridefinizione processo

Non sono evidenti rotture meccaniche

Il dispositivo si alimenta correttamente

Verifica tenuta dei wirebonds ΔCTE Al/Inp 18,4 ppm/°C

Eccellente risultato !

Processo definito

OK per la produzione !

Acquisto Componenti

Lavorazione Macchina e filettature Accorpamento per filettature “spaccate”

e rettifica faccie laterali RFIN e RFOUT Doratura Montaggio Jumper Montaggio connettore Saldatura stagno Dispensing colla conduttiva Posizionamento componenti Curing colla conduttiva Wirebonding

Ispezione Visuale Alimentazione DC Cicli termici 70°K Alimentazione DC

TestMontaggio

Progetto UIT 2006 - Attività

InP LNA, Flanged, 300K

-20

-10

0

10

20

30

75 80 85 90 95 100 105 110freq. [GHz]

[dB

]Gins

IRL

ORL

GaAs 70nm LNA, Flanged, 300K

-20

-10

0

10

20

30

40

75 85 95 105freq. [GHz]

[dB

]Gins

IRL

ORL

• Acquisizione da parte di FERRARI BSN di conoscenze che ampliano la loro capacità, qualificandoli per operare su dispositivi millimetrici

• Definizione di un processo produttivo e di un insieme di procedure operative che si adattano mi modo flessibile alle esigenze del cliente

• Consolidamento rapporto IRA-FERRARI BSN

Progetto UIT 2006 – Trasferimento T.

1. FERRARI BSN referente per le produzioni in serie di IRA o di istituti di ricerca che operano nel campo RF e millimetrico

2. IRA avendo un referente industriale può produrre dispositivi per terzi, garantendo un alto livello qualitativo del prodotto

3. IRA e FERRARI BSN coinvolte alla pari nella realizzazione di componenti millimetrici

4. FERRARI BSN ascuisisce commesse e diventa committente di IRA per la progettazione di dispositivi RF o millimetrici

Grazie