Multi-layered electronic packages increase in complexity with demands for functionality. Interfacial delamination remains a prominent failure mechanism due to mismatch of coefficient of thermal expansion (CTE). Numerous studies have investigated interfacial cracking in microelectronic packages using fracture mechanics, which requires knowledge of starter crack locations and crack propagation paths. Cohesive zone theory has been identified as an alternative method for modeling crack propagation and delamination without the need for a pre-existing crack. In a cohesive zone approach, traction forces between surfaces are related to the crack tip opening displacement and are governed by a traction-separation law. Unlike traditional fracture mechanics approaches, cohesive zone analyses can predict starter crack locations and directions or simulate complex geometries with more than one type of interface. In a cohesive zone model, cohesive zone elements are placed along material interfaces. Parameters that define cohesive zone behavior must be experimentally determined to be able to predict delamination propagation in a microelectronic package. The objective of this work is to study delamination propagation in a copper/mold compound interface through cohesive zone modeling. Mold compound and copper samples are fabricated, and such samples are used in experiments such as four-point bend test and double cantilever beam test to obtain the cohesive zone model parameters for a range of mode mixity. The developed cohesive zone elements are then placed in a small-outline integrated circuit package model at the interface between an epoxy mold compound and a copper lead frame. The package is simulated to go through thermal profiles associated with the fabrication of the package, and the potential locations for delamination are determined. Design guidelines are developed to reduce mold compound/copper lead frame interfacial delamination.

For decades, advances in device scaling has proven to be critical in improving the performance and productivity of 2D systems. In this thesis, we explore how advances in technology have pushed functional integration to such a high-level that interconnection and packaging issues represent real barriers to further progress. While three-dimensional (3D) integration offers to be a potential contender to overcome the barriers of increased energy consumption due to interconnects and bandwidth limitations, there are certain challenges that must be overcome before systems can be successfully stacked. Cooling and power delivery are among these key challenges in the integration of high performance 3D ICs. To address these challenges, microchannel heat sinks for inter-stratum cooling and through-silicon vias (TSVs) for signaling and power delivery between stacked ICs were explored. Novel integration schemes to integrate these uidic and electrical interconnects in conventional CMOS processes were also explored. Compact physical modeling was utilized to understand the trade-offs involved in the integration of electrical and microfluidic interconnects in a 3D IC stack. These concepts were demonstrated experimentally by showing different CMOS compatible methods of fabricating microchannels and integration of high aspect ratio (~20:1) and high density (200,000/cm²) electrical TSVs in the fins of the microchannels for signaling and power delivery. A novel mesh process for bottom up plating of high aspect ratio TSVs is also shown in this work. Fluidic reliability measurements are shown to demonstrate the feasibility of this technology. This work also demonstrates the design and fabrication of a 3D testbed which consists of a 2 chip stack with microchannel cooling on each level. Preliminary testing of the stack along with interlayer electro-fluidic I/Os has also been demonstrated.

Ce travail porte sur la conception d'un amplificateur de puissance à 79 GHz et la co-intégration de l'amplificateur de puissance et l'antenne en technologie silicium SiGe. L'objectif de la thèse est de développer un module radiofréquence à l'émission pour des applications radar à 79 GHz. Ce module sera composé d'un amplificateur de puissance, d'une antenne et du circuit d'adaptation PA/Antenne. L'inter-étage entre le PA et l'antenne est une source supplémentaire d'atténuation du signal, d'autant plus rédhibitoire en technologie intégrée pour des fréquences aussi élevées. En réalisant une conception commune, ou codesign, de l'antenne et de l'amplificateur de puissance (PA), nous pouvons, à terme, nous affranchir du traditionnel inter-étage d'adaptation d'impédance entre ces deux blocs. Plus précisément, il convient de dimensionner l'antenne afin qu'elle présente a la sortie du PA l'impédance optimale que requiert son rendement en puissance maximum.

Ce travail de thèse s'inscrit dans une thématique pluridisciplinaire qui regroupe des domaines comme la dynamique des structures, le biomimétisme, les technologies de réalisation de microsystème et l'aérodynamique. Le but de ce travail est de progresser dans la conception et la réalisation d'un microsystème à ailes résonantes à l'échelle de l'insecte en utilisant des technologies issues des microsystèmes. Des concepts sont développés dans cette thèse. En particulier, l'obtention d'un battement de grande amplitude par l'utilisation de la résonance de l'aile et la rotation de l'aile de façon passive. Des prototypes ont été réalisés en utilisant le polymère SU-8 dont les caractéristiques mécaniques sont proches de celles d'une aile d'insecte. Cette structure a été mise en vibration an de génerer de la portance mais n'a pour l'instant pas été capable de se propulser dans les airs. Les concepts d'aile résonante et de torsion passive ont toutefois pu être validés. Une étude plus spécique de simulation de vibration en grands déplacements a été menée et un premier modèle élément ni est proposé. Les questions d'amortissement des ailes dans l'air sont également traitées en vu de pouvoir poursuivre l'étude et différencier les efforts aérodynamiques de l'amortissement propre à la structure. Nous disposons d'un outil expérimental pour étudier à l'échelle de l'insecte la cinématique des ailes et les effets aérodynamiques.

Le transistor MOSFET atteint aujourd'hui des dimensions déca nanométriques pour lesquelles les effets de balisticité ne peuvent plus être négligés. Le challenge actuel est d'être capable d'introduire le transport (quasi-)balistique dans la modélisation des dispositifs innovants et d'évaluer son impact au niveau système. Dans ce contexte, notre travail porte sur l'introduction du transport (quasi-)balistique dans une modélisation analytique des transistors MOS multigrilles pour la simulation d'éléments de circuit. Dans un premier temps, la redécouverte de la méthode de McKelvey appliquée au transistor MOSFET a permis de synthétiser l'ensemble des travaux concernant la modélisation analytique du transport balistique/quasi-balistique. Nous avons alors construit une modélisation appelée « mobilité quasi-balistique » (à partir des travaux de Rhew et al), issue du rapprochement entre la méthode des moments et la méthode de McKelvey permettant de décrire le transport (quasi-)balistique de façon macroscopique dans un environnement TCAD. L'ensemble des résultats issus de cette première modélisation nous a dirigé dans la construction de notre modèle analytique de courant (quasi-)balistique en adaptant ou en créant de nouvelles approches pour prendre en compte les divers effets des dispositifs nanométriques : les effets de canal court, le confinement quantique et la description des interactions. Nous avons donc pu quantifier l'impact des propriétés de transport électronique sur le fonctionnement d'éléments de circuit et cela en fonction du type d'architecture.

La complexité des systèmes sur puce s'accentue pour supporter les nouvelles applications dans le domaine des télécommunications et du multimédia. La tendance actuelle des nouvelles architectures matérielles converge vers des plateformes multi-cœurs à plusieurs unités de calcul (processeurs, DSP, IP) interconnectées par un réseau sur puce qui peut être configurable au niveau de ses interfaces réseau. Pour ce genre d'architectures, les environnements de génération de code classiques ne sont plus adaptés. Cette thèse propose un flot de génération de code de configuration pour le déploiement des applications de type flots de données sur les architectures à base d'IPs interconnectés à travers un réseau sur puce configurable. Le flot commence par un modèle de haut niveau de l'application et de l'architecture et propose une méthodologie de partitionnement des ressources. Le processus de génération de code passe par plusieurs étapes modélisées par diverses représentations intermédiaires du système. Le flot a été développé par la suite dans un environnement basé sur le standard IEEE 1685 (IP-XACT). Le flot proposé a été appliqué pour la génération et la validation du code de configuration en vue de déployer une application 3GPP-LTE de télécommunication sur la plateforme Magali. Le flot a ensuite été généralisé pour supporter, en plus de la génération du code de configuration, la génération du code logiciel exécutable par les processeurs.

A partir du noeud technologique 45 nm, le remplacement de l'oxyde de grille SiO2 par un diélectrique high-κ est nécessaire pour poursuivre la loi de Moore : l'introduction d'un tel matériau permet de maintenir une capacité de grille élevée tout en limitant le courant de fuite parasite à travers la couche diélectrique. Toutefois, les mécanismes physiques à l'origine de la réduction de courant restent méconnus. Ce manuscrit présente une étude complète de la conduction électrique dans un empilement oxyde d'interface - high-κ - grille métallique. Nous présentons dans un premier temps la modélisation Poisson-Schrödinger développée pour rendre compte de l'effet de confinement à l'interface du Silicium, prenant en compte la pénétration de charge dans l'empilement et traitant de la non-parabolicité de la bande de valence. Une étude expérimentale étendue met ensuite en évidence les mécanismes physiques à l'origine de la conduction, en s'appuyant sur un ensemble de caractéristiques Ig(Vg) et C(Vg) d'empilements d'épaisseurs variables, mesurées à basse et haute température. Des approches originales pour modéliser le transport permettent également d'établir les paramètres tunnel et la structure de bande du HfO2, tout en soulignant la nature sous-stoechiométrique de l'oxyde d'interface. Enfin, ces résultats sont appliqués à l'étude de la conduction dans des empilements high-κ avec additifs Lanthane et Magnésium, et mettent en évidence la formation d'un dipôle contribuant à diminuer la tension de seuil.

Cette thèse s'intègre dans le cadre du projet Européen FACETS. Pour ce projet, des systèmes matériels mixtes analogique-numérique effectuant des simulations en temps réel des réseaux de neurones doivent être développés. Le but est d'aider à la compréhension des phénomènes d'apprentissage dans le néocortex. Des circuits intégrés spécifiques analogiques ont préalablement été conçus par l'équipe pour simuler le comportement de plusieurs types de neurones selon le formalisme de Hodgkin-Huxley. La contribution de cette thèse consiste à la conception et la réalisation des circuits numériques permettant de gérer la connectivité entre les cellules au sein du réseau de neurones, suivant les règles de plasticité configurées par l'utilisateur. L'implantation de ces règles est réalisée sur des circuits numériques programmables (FPGA) et est optimisée pour assurer un fonctionnement temps réel pour des réseaux de grande taille. Des nouvelles méthodes de calculs et de communication ont été développées pour satisfaire les contraintes temporelles et spatiales imposées par le degré de réalisme souhaité. Entre autres, un protocole de communication basé sur la technique anneau à jeton a été conçu pour assurer le dialogue entre plusieurs FPGAs situés dans un système multicarte tout en garantissant l'aspect temps-réel des simulations. Les systèmes ainsi développés seront exploités par les laboratoires partenaires, neurobiologistes ou informaticiens.

L'utilisation de récepteurs radiofréquence agiles est devenue incontournable dû au contexte orienté vers la mobilité et à la demande de haut débit. Cependant, les différentes solutions proposées afin d'augmenter le débit supporté par les terminaux mobiles induisent une augmentation de la consommation électrique de ces équipements de télécommunication. En prenant en compte le fait que l'augmentation des capacités des batteries ait un relativement faible taux de croissance, on comprend le compromis à faire entre le débit et la consommation électrique au niveau de la conception des terminaux mobiles destinés aux radiocommunications. Dans le cadre de la standardisation de la quatrième génération de téléphonie mobile, une des solutions techniques proposées afin d'augmenter le débit des transmissions radiofréquence est la transmission de signaux agrégés ayant des composantes spectrales non adjacentes. Par conséquent, la tête radio réalisant la translation en fréquence au niveau du récepteur doit pouvoir traiter simultanément plusieurs bandes de fréquence. Dans un premier temps, l'étude bibliographique menée sur les architectures de ce type de récepteurs souligne l'utilisation systématique d'une structure très gourmande en termes de consommation : l'empilement de chaînes de traitement, chacune dédiée à une unique bande de fréquence. Afin de limiter la consommation électrique due au processus de parallélisation des différentes étapes de traitement, une nouvelle architecture de récepteur à chaine de traitement unique est proposée et brevetée dans le cadre des travaux réalisés durant cette thèse de doctorat. Différentes études permettent de réaliser une évaluation théorique des gains en termes de performances ainsi que de consommation électrique suite à l'utilisation de l'architecture proposée à la place de l'empilement de chaînes de réception dédiées. Dans un premier temps, la validation de ces études théoriques se fait par le biais de simulations ADS (Agilent Technologies). Dans un deuxième temps, la validation des résultats théoriques repose sur la mesure utilisant un prototype de ce récepteur. Le design ainsi que la mesure de ce prototype représentent une partie conséquente en termes de charge de travail. Compte tenu des résultats obtenus, cette étape est considérée cependant essentielle dans le processus d'évaluation des performances d'un récepteur radiofréquence utilisant l'architecture proposée. Ainsi, suite à une étude comparative entre un récepteur bibande utilisant l'architecture proposée et un récepteur à empilement de deux chaines de traitement, on estime obtenir un gain en termes de consommation électrique variant entre 20 % et 30 % en faveur du récepteur proposé. Cette estimation est valable pour le cas ou les performances des deux récepteurs sont identiques. La dernière partie du travail mené dans le cadre de cette thèse est consacrée à la présentation d'une architecture de récepteur à front-end unique capable de supporter une transmission MIMO d'un signal bibande. Le cas d'étude choisie pour valider les performances de ce type de récepteur est celui d'une transmission MIMO LTE-Advanced à spectre discontinu.

Détecter un ensemble de marqueurs biologiques dans un sérum de patient ou bien des molécules spécifiques d'un herbicide dans un échantillon prélevé dans l'eau d'une rivière ? Etre capable de transformer une interaction biologique en un signal électrique ou encore déposer des volumes infiniment faibles de molécules biologiques sur une surface solide à des fins de diagnostique ? Passer de la fabrication de microcapteurs inertiels pour la navigation à la conception et au développement de biocapteurs micromécaniques ? Nous démontrons que le fil conducteur permettant de faire le lien entre ces domaines en apparence disjoints est matérialisé par des micro- et nanosystèmes électromécaniques développés au sein du LAAS à partir de la feuille blanche jusqu'à l'intégration du système avec son électronique associée. Quel lendemain pour les bio- microsystèmes électromécaniques ? Faut-il encore miniaturiser ? Est-il pertinent d'entreprendre le contraire ? Comment poursuivre l'aventure transdisciplinaire en étant sûr du fait que la réussite est au bout de la route ? Nous tentons de répondre à l'ensemble de ces questions tout au long de ce manuscrit retraçant l'ensemble de nos travaux de recherche effectués au LAAS et ailleurs depuis l'an 2000.