Package characterization techniques and evaluation of a plastic package for mm-wave applications [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mario Engl

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• Publié par: friedrich-alexander-universitat_erlangen-nurnberg
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
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Extrait

Dissertation
Package Characterization
Techniques and Evaluation of a
Plastic Package for mm-Wave
Applications
Der Technischen Fakult¨at der
Universit¨at Erlangen-Nurn¨ berg
zur Erlangung des Grades
D O K T O R - I N G E N I E U R
vorgelegt von
Dipl.-Ing. (Univ.) Mario Engl
Erlangen - 2006Dissertation
Methoden der
Geh¨ausecharakterisierung und
Evaluierung eines
Plastikgeh¨auses fur¨
Anwendungen im
Millimeterwellenbereich
Der Technischen Fakult¨at der
Universit¨at Erlangen-Nurn¨ berg
zur Erlangung des Grades
D O K T O R - I N G E N I E U R
vorgelegt von
Dipl.-Ing. (Univ.) Mario Engl
Erlangen - 2006Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultat¨ der
Universit¨at Erlangen-Nurn¨ berg
Tag der Einreichung: 23. 1. 2006
Tag der Promotion: 24. 3. 2006
Dekan: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz
1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel
2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Georg B¨ockAbstract
This thesis presents the evaluation of a novel and innovative low-cost leadless
package concept (TSLP - Thin Small Leadless Package) for applications in the
high frequency and mm-wave region. Packages play a major part in todays semi-
conductor industry. In order to cope with future technology trends, the need for
newpackagesolutionsarises.TheTSLPcontributestoactualindustrialdemands,
which, among others, include ongoing miniaturization, improved heat transfer or
extended high frequency capabilities. Another focus of this work lies on the elec-
trical performance of the package concept TSLP. For the performance evaluation
of the TSLP, package characterization techniques in time domain and frequency
domain are investigated and applied. Especially the versatile use of time domain
techniques is demonstrated. A measurement setup with high spatial resolution in
the sub-mm region is presented. This allows impedance characterization of pack-
ages,failureanalysisandfaultlocalization.Frequencycharacterizationisdoneby
means of scattering parameters. A de-embedding technique based on reflection
measurements and a port reduction method is introduced to calculate the perfor-
mance of packages. Further, the package concept TSLP is analyzed by means of
electromagnetic field simulation. To demonstrate the high frequency capabilities
of the package, RF and mm-wave applications are assembled in TSLP and mea-
sured. Actual integrated circuits operating in the upper GHz region, including
a fully assembled and fully operational 79 GHz voltage controlled oscillator, are
presented for the first time in a low-cost plastic package. The obtained results
show an outstanding potential of the package concept TSLP for high frequency
applications.Zusammenfassung
Gehausetechnologien im Umfeld der heutigen Halbleiterindustrie kommt eine¨
zunehmendbedeutendeRollezu.DiegroßeHerausforderungvonneuenGeha¨use-
konzepten besteht darin, den rasanten technischen Fortschritt und die rasch
zunehmende Leistungkapazitat im Bereich integrierter Schaltungen zu beglei-¨
ten und zur Wirkung zu bringen. In diesem Sinne pra¨sentiert diese Arbeit ein
innovatives Gehausekonzept (TSLP - Thin Small Leadless Package), welches¨
aus wirtschaftlicher und technischer Sicht eine attraktive Lo¨sung fu¨r aktuelle
undzukunftigeAnwendungenimHochfrequenz-undMillimeterwellenbereichdar-¨
stellt.DasentwickelteKonzepttr¨agtAttributenwieMiniaturisierung,verbesserte
Warmeabfuhr und erweiterte Hochfrequenzeigenschaften Rechnung. Ein wesent-¨
liches Ziel dieser Arbeit ist u¨ber die elektrische Leistungsfa¨higkeit des Package-
konzeptes TSLP definiert. Um die Beweisfuhrung der Leistungsfahigkeit antreten¨ ¨
zu konnen, wurden sowohl numerische als auch experimentelle Untersuchungen¨
durchgefu¨hrt. Mit dem Ziel, Geha¨use im Hochfrequenzbereich zu charakterisie-
ren, wurden geeignete Messtechniken im Zeit- und Frequenzbereich untersucht
und angewandt. Besonders die Vorteile der vielseitig einsetzbaren Zeitbereichs-
charakterisierung konnten dargestellt werden. Der vorgestellte Messaufbau, wel-
cher die geforderte Sub-Millimeteraufl¨osung erreicht, eignet sich sowohl fu¨r Im-
pedanzcharakterisierung der Gehause als auch fur Fehleranalyse und Lokalisie-¨ ¨
rung von Defekten. Fu¨r die Charakterisierung der Geh¨ause im Frequenzbereich
werden Streuparameter verwendet. Im Bestreben mittels Eintormessungen die
elektrischen Parameter des Gehauses zu extrahieren wird die Anwendung einer¨
De-embedding-Methode beschrieben. Um die Leistungsf¨ahigkeit des TSLP de-
monstrieren zu konnen, wurden integrierte Hochfrequenzschaltungen eingebaut¨
und gemessen. Die Resultate zeigen, dass sich das Packagekonzept TSLP ganz
hervorragend fur Anwendungen im Hochfrequenz- und Millimeterwellenbereich¨
eignet. Dies wird durch einen komplett aufgebauten und voll funktionsfa¨higen 79
GHz spannungskontrollierten Oszillator (VCO) besonders deutlich. Die erstma-
lige aus technischer Sicht erfolgreiche Anwendung von kostengu¨nstigen Plastik-
gehausen fur Hochfrequenzanwendungen stellt somit auch auf Basis wirtschaftli-¨ ¨
¨cher Uberlegungen eine attraktive L¨osung fu¨r die Industrie dar.Contents
1 Introduction 1
1.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Scope of Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Simulation Techniques 6
2.1 Simulation Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Finite Element Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Finite Integration Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Package Fundamentals 22
3.1 Package Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.1 Leadframe Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.2 Laminate Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.3 Leadless Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.4 Chip Scale Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Package Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.1 First Level Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Second Level Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3 Interconnect Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 High Frequency Packaging Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 The Leadless Package Concept TSLP . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 Assembly Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 Package Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Characterization Techniques 57
4.1 Material Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.1 Capacitance Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.2 Filled Transmission Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.3 Split Post Resonator Technique . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 Short-Open-Load-Through (SOLT) . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.2 Through-Reflect-Line and Line-Reflect-Line . . . . . . . . 65
iCONTENTS ii
4.2.3 Time Domain De-embedding . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.4 Gating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.5 Application to Package Characterization . . . . . . . . . . 69
4.3 Measurement Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4 Frequency Domain Characterization Techniques . . . . . . . . . . 73
4.4.1 Scattering Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.2 De-embedding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.3 Frequency Domain Package Characterization . . . . . . . . 77
4.5 Time Domain Characterization Techniques . . . . . . . . . . . . . 81
4.5.1 Realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.2 Time Domain Package Characterization . . . . . . . . . . 88
5 Experimental Results 95
5.1 17 GHz WLAN Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2 30 GHz Frequency Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.1 Flip Chip Version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.2 Wirebond Version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3 77 GHz Schottky Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4 79 GHz VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6 Conclusion and Outlook 112
A Einleitung 114
A.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
A.2 Motivation und Ziele der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Bibliography 119
Curriculum Vitae 130
Acknowledgements 131Inhalt
1 Einleitung 1
1.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Motivation der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Simulationsmethoden 6
2.1 Grundlagen der Simulation . . . .