Uma das características mais marcantes das gerações atuais é a necessidade por armazenar e acessar cada vez mais informação em dispositivos cada vez menores. O desenvolvimento de tais equipamentos é, por si só, uma área de conhecimento incrivelmente especializada e que possui desafios que flertam a todo o instante com os limites da física. Um deles são interações entre circuitos conhecidas como interferências eletromagnéticas EMI (do inglês ElectroMagnetic Interference) e seu comportamento é estudado e combatido através de uma área conhecida como Integridade de Sinais. Neste cenário, esta dissertação tem por objetivo trazer ao leitor uma introdução ao mundo da Integridade de Sinais, desenvolvendo didaticamente modelos utilizados em cálculos de robusteza à interferência eletromagnética. É objetivo, também, apresentar e avaliar os trabalhos acadêmicos mais atuais da área, agregando valor comercial aos mesmos por aplicá-los a um projeto comercial típico e comparar com resultados experimentais. Quando da introdução à aplicação comercial que seria utilizada nos testes, expansões ao modelo de interconexões simples que se fazem necessárias em ambientes de múltiplas linhas de transmissão são expostas. Finalmente, análises de integridade de sinal foram feitas em um par diferencial de interconexões. Sua resposta foi analisada em um espectro de freqüência que variou de aproximadamente 0GHz até 10GHZ. Para efeitos de comparação, juntamente com as medidas efetuadas em uma placa prototipada e as simulações obtidas com a aplicação do modelo alvo, também foram feitos testes utilizando o ADS, uma ferramenta largamente utilizada no estudo de integridade de sinal de projetos eletrônicos. Conforme dito na análise dos resultados, é possível concluir que o modelo sob avaliação apresenta um resultado de alta confiabilidade para freqüências relativamente baixas. Conforme as freqüências ultrapassaram 4GHz, entretanto, desvios, possivelmente produzidos por pequenas variações nos valores calculados para indutâncias e capacitâncias mútuas, afetam significativamente a qualidade e veracidade do cálculo. / One of the most striking characteristics of current generations is the need for store and access more and more information and always smaller devices. The development of such equipment is a highly specialized area of knowledge and its challenges flirt with physics limits all the time. One of those challenges regards the interactions between electronic circuits known as Electromagnetic Interference (EMI). Its behavior is studied and mitigations of it are researched by an area called Signal Integrity (SI). Given this scenario, the present dissertation aims to bring the reader to the world of Signal Integrity. It accomplishes that by means of didactically present models used on EMI hardness calculations. It is also a goal to present and evaluate one of the SI’s most recent academic researches, while adding commercial value to it. The models are applied on a typical commercial design and the results are compared with measurements. Finally, expansions to the target model are presented to make capable of handle multi interconnections environments. SI analyses were performed on a differential pair. Its response was analyzed in the frequency domain from near 0GHz up to 10GHz. The measurements performed on a prototyped board, the simulation of the model, and results obtained through ADS simulations were also performed. As it is presented in results section, it is possible to conclude that the model under evaluation presents high reliability results for low frequencies. However, as frequencies become higher than 4GHz, deviations, probably caused by small variations on mutual capacitance and inductance calculations, significantly affect the quality and correctness of results.

Uma das características mais marcantes das gerações atuais é a necessidade por armazenar e acessar cada vez mais informação em dispositivos cada vez menores. O desenvolvimento de tais equipamentos é, por si só, uma área de conhecimento incrivelmente especializada e que possui desafios que flertam a todo o instante com os limites da física. Um deles são interações entre circuitos conhecidas como interferências eletromagnéticas EMI (do inglês ElectroMagnetic Interference) e seu comportamento é estudado e combatido através de uma área conhecida como Integridade de Sinais. Neste cenário, esta dissertação tem por objetivo trazer ao leitor uma introdução ao mundo da Integridade de Sinais, desenvolvendo didaticamente modelos utilizados em cálculos de robusteza à interferência eletromagnética. É objetivo, também, apresentar e avaliar os trabalhos acadêmicos mais atuais da área, agregando valor comercial aos mesmos por aplicá-los a um projeto comercial típico e comparar com resultados experimentais. Quando da introdução à aplicação comercial que seria utilizada nos testes, expansões ao modelo de interconexões simples que se fazem necessárias em ambientes de múltiplas linhas de transmissão são expostas. Finalmente, análises de integridade de sinal foram feitas em um par diferencial de interconexões. Sua resposta foi analisada em um espectro de freqüência que variou de aproximadamente 0GHz até 10GHZ. Para efeitos de comparação, juntamente com as medidas efetuadas em uma placa prototipada e as simulações obtidas com a aplicação do modelo alvo, também foram feitos testes utilizando o ADS, uma ferramenta largamente utilizada no estudo de integridade de sinal de projetos eletrônicos. Conforme dito na análise dos resultados, é possível concluir que o modelo sob avaliação apresenta um resultado de alta confiabilidade para freqüências relativamente baixas. Conforme as freqüências ultrapassaram 4GHz, entretanto, desvios, possivelmente produzidos por pequenas variações nos valores calculados para indutâncias e capacitâncias mútuas, afetam significativamente a qualidade e veracidade do cálculo. / One of the most striking characteristics of current generations is the need for store and access more and more information and always smaller devices. The development of such equipment is a highly specialized area of knowledge and its challenges flirt with physics limits all the time. One of those challenges regards the interactions between electronic circuits known as Electromagnetic Interference (EMI). Its behavior is studied and mitigations of it are researched by an area called Signal Integrity (SI). Given this scenario, the present dissertation aims to bring the reader to the world of Signal Integrity. It accomplishes that by means of didactically present models used on EMI hardness calculations. It is also a goal to present and evaluate one of the SI’s most recent academic researches, while adding commercial value to it. The models are applied on a typical commercial design and the results are compared with measurements. Finally, expansions to the target model are presented to make capable of handle multi interconnections environments. SI analyses were performed on a differential pair. Its response was analyzed in the frequency domain from near 0GHz up to 10GHz. The measurements performed on a prototyped board, the simulation of the model, and results obtained through ADS simulations were also performed. As it is presented in results section, it is possible to conclude that the model under evaluation presents high reliability results for low frequencies. However, as frequencies become higher than 4GHz, deviations, probably caused by small variations on mutual capacitance and inductance calculations, significantly affect the quality and correctness of results.

Uma das características mais marcantes das gerações atuais é a necessidade por armazenar e acessar cada vez mais informação em dispositivos cada vez menores. O desenvolvimento de tais equipamentos é, por si só, uma área de conhecimento incrivelmente especializada e que possui desafios que flertam a todo o instante com os limites da física. Um deles são interações entre circuitos conhecidas como interferências eletromagnéticas EMI (do inglês ElectroMagnetic Interference) e seu comportamento é estudado e combatido através de uma área conhecida como Integridade de Sinais. Neste cenário, esta dissertação tem por objetivo trazer ao leitor uma introdução ao mundo da Integridade de Sinais, desenvolvendo didaticamente modelos utilizados em cálculos de robusteza à interferência eletromagnética. É objetivo, também, apresentar e avaliar os trabalhos acadêmicos mais atuais da área, agregando valor comercial aos mesmos por aplicá-los a um projeto comercial típico e comparar com resultados experimentais. Quando da introdução à aplicação comercial que seria utilizada nos testes, expansões ao modelo de interconexões simples que se fazem necessárias em ambientes de múltiplas linhas de transmissão são expostas. Finalmente, análises de integridade de sinal foram feitas em um par diferencial de interconexões. Sua resposta foi analisada em um espectro de freqüência que variou de aproximadamente 0GHz até 10GHZ. Para efeitos de comparação, juntamente com as medidas efetuadas em uma placa prototipada e as simulações obtidas com a aplicação do modelo alvo, também foram feitos testes utilizando o ADS, uma ferramenta largamente utilizada no estudo de integridade de sinal de projetos eletrônicos. Conforme dito na análise dos resultados, é possível concluir que o modelo sob avaliação apresenta um resultado de alta confiabilidade para freqüências relativamente baixas. Conforme as freqüências ultrapassaram 4GHz, entretanto, desvios, possivelmente produzidos por pequenas variações nos valores calculados para indutâncias e capacitâncias mútuas, afetam significativamente a qualidade e veracidade do cálculo. / One of the most striking characteristics of current generations is the need for store and access more and more information and always smaller devices. The development of such equipment is a highly specialized area of knowledge and its challenges flirt with physics limits all the time. One of those challenges regards the interactions between electronic circuits known as Electromagnetic Interference (EMI). Its behavior is studied and mitigations of it are researched by an area called Signal Integrity (SI). Given this scenario, the present dissertation aims to bring the reader to the world of Signal Integrity. It accomplishes that by means of didactically present models used on EMI hardness calculations. It is also a goal to present and evaluate one of the SI’s most recent academic researches, while adding commercial value to it. The models are applied on a typical commercial design and the results are compared with measurements. Finally, expansions to the target model are presented to make capable of handle multi interconnections environments. SI analyses were performed on a differential pair. Its response was analyzed in the frequency domain from near 0GHz up to 10GHz. The measurements performed on a prototyped board, the simulation of the model, and results obtained through ADS simulations were also performed. As it is presented in results section, it is possible to conclude that the model under evaluation presents high reliability results for low frequencies. However, as frequencies become higher than 4GHz, deviations, probably caused by small variations on mutual capacitance and inductance calculations, significantly affect the quality and correctness of results.

Le travail de doctorat réalisé s'attache à étudier les nouveaux types d'interconnexions comme les TSV (Through Silicon Via), les lignes de redistribution (RDL) et les piliers de cuivre (Cu-Pillar) présentes dans le domaine de l'intégration 3D en microélectronique avancée, par exemple pour des applications de type « imager » où une puce « capteur optique » est empilée sur une puce « processeur ». Afin de comprendre et quantifier le comportement électrique de ces nouveaux composants d'interconnexion, une première problématique de la thèse s'articulait autour de la caractérisation électrique, sur une très large bande de fréquence (10 MHz - 60 GHz) de ces éléments, enfouis dans leurs environnements complexes d'intégration, en particulier avec l'analyse de l'impact des pertes dans les substrats de silicium dans une gamme de conductivités allant de très faible (0 S/m) à très forte (10 000 S/m). Par la suite, une nouvelle problématique prend alors naissance sur la nécessité de développer des modèles mathématiques permettant de prédire le comportement électrique des interconnexions 3D. Les modèles électriques développés doivent tenir compte des pertes, des couplages ainsi que de certains phénomènes liés à la montée en fréquence (courants de Foucault) en fonction des caractéristiques matériaux, des dimensions et des architectures (haute à faible densité d'intégration). Enfin, à partir des modèles développés, une dernière partie propose une étude sur les stratégies de routage dans les empilements 3D de puces à partir d'une analyse sur l'intégrité de signaux. En opposant différents environnements, débit de signaux binaires ou dimensions des TSV et des RDL des conclusions émergent sur les stratégies à adopter pour améliorer les performances des circuits conçus en intégration 3D. / The aim of this doctoral work is to study the new kind of interconnections like TSV (Through Silicon Via), redistribution lines (RDL) and copper pillars used in 3D integration context in advanced microelectronic components. An example of 3D integration application could be an imager designed by staking an optical sensor chip upon a processor chip. In order to understand and quantify the electrical behaviour of these new interconnection components, the first issue was about electrical characterization in a very wide frequency band (10 MHz - 60 GHz) of these elements, buried in their complex environment, in particular with the analysis of the silicon substrate loss impact which can be found in a wide band of conductivities from very low (0 S/m) to very high (10 000 S/m). Subsequently, a second issue appears from the need to develop mathematical models to predict the electrical behavior of 3D interconnects. The developed models have to take into account losses, coupling effects and some phenomena appearing with the rise of frequency (eddy currents) according to material characteristics, dimensions and architecture (from high to low density of integration). Finally, based on developed models, the last part presents a study on routing strategies in the 3D stacking chip from the analysis of signal integrity. By contrasting various environments, binary signals flow or dimensions of TSV and RDL, conclusions emerge on the best strategies to use to improve performances of circuits designed in 3D integration.