Heterogeneous Integration of RF and Microwave Systems Using Multi-layer Low-Temperature Co-fired Ceramics Technology

Abstract

The aim of this work is the development of a modelling methodology for the fast analysis of non-radiative multilayer RF passive components without compromising solution accuracy. Instead of following a compact model approach, oftenly used in integrated technologies, the method is based on a specialized quasi-static partial element equivalent circuit (PEEC) numerical solver. Besides speed and accuracy, the solver can be embedded in circuit simulators; thus, models are already available in the schematic entry. Using this framework, model scalability is enhanced in terms of geometry, substrate cross-section, material properties, topology and boundary conditions.

The dissertation starts showing the actual performance of the obtained solver and the motivations beneath its development. Then, the description about solver development is splitted in three parts, but all of them are interrelated. First, the PEEC formulation is adapted according to relevant electromagnetic behaviour of the component. It is worth stressing that a different perspective related to the principle of virtual work is used in this formulation. The second part deals with the evaluation of partial elements, the core of the solver. It is carried out using analytical space-domain close-form solutions of the Green’s function (GF) of the substrate. Partial elements are then assembled into a mesh. Therefore, the importance of the mesh up on solution accuracy is discussed in the last part and a basic layout aware mesh generator is proposed.

Practical application of the methodology includes the implementation of a library of RF passives for multilayer substrate. For validation, the chosen substrate is a low temperature co-fired ceramics (LTCC) technology. Different set of devices have been fabricated, characterized and compared against model prediction. In addition, the obtained results are also verified using state-of-the-art electromagnetic solvers.

El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una metodología de modelado para el análisis rápido, pero sin comprometer la precisión de la solución, de componentes pasivos no radiativos de RF en substratos multicapa. El método se basa en el algoritmo numérico cuasi-estático de los elementos parciales de circuito equivalente (PEEC). Éste puede ser incorporado en simuladores de circuitos; por tanto, los modelos ya están disponibles en la entrada de esquemático de forma transparente para el diseñador de circuitos. Utilizando este marco, la escalabilidad del modelo se mejora en términos de la geometría, la definición del corte tecnológico, las propiedades del material, la topología del componente y las condiciones de contorno electro-magnéticas.

Esta disertación comienza mostrando las motivaciones que han llevado a su desarrollo y la capacidad real del método de resolución obtenido. A partir de aquí, se realiza la descripción de todo el desarrollo del marco numérico que se divide en tres partes que están interrelacionadas. En primer lugar, la formulación PEEC se adapta según el comportamiento electromagnético real del componente. Vale la pena subrayar que en esta formulación se utiliza una perspectiva diferente a la habitual y que está relacionada con el principio de los trabajos virtuales de d’Alembert. La segunda parte trata de cómo se evalúan los elementos parciales y constituye el núcleo principal del algoritmo. Se lleva a cabo utilizando soluciones analíticas de la función de Green (GF) del sustrato en el dominio espacial. Los elementos parciales, que forman la malla numérica del modelo, se ensamblan en la matriz del sistema siguiendo un procedimiento de análisis nodal modificado (MNA). En la última parte, se discute la importancia de la malla sobre la precisión de la solución y se propone un generador de malla basado en la física del componente y no sólo en la descripción de la geometría. Como aplicación práctica de la metodología, se realiza la generación de una biblioteca de componentes pasivos RF para sustratos multicapa.