Packaging elettronico: Analisi e Simulazione Termica di Differenti Soluzioni per la Dissipazione del Calore e Caratterizzazione RF di Solder Ball e Copper Pillar

In the last decades, the demand for high-frequency interconnections for Integrated Circuit has significantly increased due to a corresponding increase in the operating frequency of a large number of electronic devices. In order to obtain good performances in the millimetre band, different packaging and interconnection solutions have been studied over the years. Furthermore, a serious challenge is represented by the dissipation of the heat produced during the chip operations. As a result, innovative solutions aimed at optimizing the package thermal properties are becoming increasingly important to prevent overheating problems. The goal of the present thesis is the Full-Wave investigation of the electromagnetic performances in the millimetre band of a Flip Chip Ball Grid Array package. In particular, the losses introduced by the Solder Ball and the Copper Pillar have been evaluated, to connect the board (PCB) to the chip through an intermediate device, referred to as Interposer. Starting from the classical transmission lines, different configurations and structures have been simulated in order to achieve specific working frequencies. Extra care was taken in order to make the investigated solutions as much as possible compatible with the existing technological limits, thus reducing the cost in the production phase. A transmission coefficient greater than -2 dB up to 170 GHz have been achieved for the PCB-Interposer connection by means of Solder Ball, while frequencies of around 310 GHz have been reached for the Interposer-BEOL connection using the Copper pillar. Regarding the thermal analysis, different solutions for the heat dissipation were tested. Starting from a thermal characterization of a basic board configuration, improved alternatives were proposed, such as the introduction of Vias and Copper Coin. The latter guarantee an optimal path for the heat and thus allow to increase the limits for the dissipated power of the chip.

Grazie allo sviluppo tecnologico degli ultimi decenni, che ha portato un aumento sostanziale delle frequenze operative di tutti i dispositivi elettronici, la domanda per tecniche di interconnessione ad alta frequenza per circuiti integrati è cresciuta di pari passo. Allo scopo di ottenere buone performances in banda millimetrica, sono stati studiati nel corso degli anni differenti tipi di electronic packaging e di interconnessioni. Inoltre, la dissipazione del calore prodotto durante le normali operazioni del chip rappresenta un’ulteriore sfida di fondamentale importanza. Di conseguenza, soluzioni innovative mirate all’ottimizzazione delle proprietà termiche del package stanno diventando sempre più importanti per prevenire problemi di surriscaldamento. Lo scopo della presente tesi è un analisi elettromagnetica Full-Wave delle performance in banda millimetrica di un Flip Chip Ball Grid Array package. In particolare sono state valutate le perdite introdotte da Solder Ball e Copper Pillar, che connettono la board(PCB) al chip, passando per un dispositivo intermedio detto Interposer. A partire dalle classiche linee di trasmissione, varie configurazioni e soluzioni sono state simulate con lo scopo di raggiungere specifiche frequenze operative di particolare interesse. Particolare attenzione è stata riposta nel rispetto dei limiti tecnologici nella progettazione di tali dispositivi in modo tale da evitare costi troppo elevati in fase di produzione. Per la connessione tramite solder ball, è stato ottenuto un coefficiente di trasmssione maggiore di -2 dB fino a 170 GHz, mentre per quanto riguarda la connessione flip chip tramite Copper Pillar, sono state raggiunte frequenze anche di 310 GHz. Dal punto di vista termico, sono state esaminate varie soluzioni per la dissipazione del calore. A partire da una caratterizzazione termica di una configurazione base di una board, sono state introdotte soluzioni più vantaggiose tramite per esempio l’utilizzo di Vias o Copper Coin, che garantiscono un percorso ottimale per il calore e quindi aumentano i limiti sulla potenza dissipata dal chip.