Интегрированные пассивные устройства ( IPD ), также известные как интегрированные пассивные компоненты ( IPC ) или встроенные пассивные компоненты ( EPC ), представляют собой электронные компоненты, в которых резисторы (R), конденсаторы (C), индукторы (L)/катушки/дроссели, микрополосковые линии , элементы согласования импеданса, симметрирующие трансформаторы или любые их комбинации интегрированы в одном корпусе или на одной подложке. Иногда интегрированные пассивные устройства также могут называться встроенными пассивными устройствами, [1] [2] и все же разница между интегрированными и встроенными пассивными устройствами технически неясна. [3] [4] В обоих случаях пассивные устройства реализуются между диэлектрическими слоями или на одной подложке.
Самая ранняя форма IPD — это резистор, конденсатор, резистор-конденсатор (RC) или резистор-конденсатор-катушка/индуктор (RCL) сети. Пассивные трансформаторы также могут быть реализованы как интегрированные пассивные устройства, например, путем размещения двух катушек друг над другом, разделенных тонким слоем диэлектрика. Иногда диоды (PN, PIN, стабилитрон и т. д.) могут быть интегрированы на одной подложке с интегрированными пассивными элементами, особенно если подложка сделана из кремния или какого-либо другого полупроводника, например, арсенида галлия (GaAs). [5] [6]
Описание
Интегрированные пассивные устройства могут быть упакованы , голые кристаллы/чипы или даже сложены (собраны поверх некоторых других голых кристаллов/чипов) в третьем измерении (3D) с активными интегральными схемами или другими IPD в сборке электронной системы. Типичные пакеты для интегрированных пассивных устройств - это SIL (Standard In Line), SIP или любые другие пакеты (например, DIL, DIP, QFN , пакет масштаба чипа /CSP, пакет уровня пластины /WLP и т. д.), используемые в электронной упаковке. Интегрированные пассивные устройства также могут выступать в качестве подложки модуля и, следовательно, быть частью гибридного модуля , многочипового модуля или модуля/реализации чиплета. [7]
Подложка для IPD может быть жесткой, как керамика (оксид алюминия/глинозем), слоистая керамика (низкотемпературная совместно обожженная керамика /LTCC, высокотемпературная совместно обожженная керамика/HTCC), [8] стекло, [9] и кремний [10] [11], покрытый некоторым диэлектрическим слоем, таким как диоксид кремния. Подложка может быть также гибкой, как ламинат, например, пакетный интерпозер (называемый активным интерпозером), FR4 или аналогичный, Kapton или любой другой подходящий полиимид. Для проектирования электронной системы выгодно, если влияние подложки и возможного пакета на производительность IPD можно пренебречь или знать.
Производство используемых IPD включает в себя технологии толстой [12] и тонкой пленки [13] [14] и различные этапы обработки интегральных схем или их модификации (например, более толстые или другие металлы, чем алюминий или медь). Интегрированные пассивы доступны в виде стандартных компонентов/деталей или в виде специально разработанных (для конкретного применения) устройств.
Приложения
Интегрированные пассивные устройства в основном используются как стандартные детали или изготавливаются по индивидуальному заказу.
необходимо сократить количество деталей, подлежащих сборке в электронной системе, что приведет к минимизации необходимой логистики.
необходимо миниатюризировать (площадь и высоту) электронику, например, для медицинского (слуховые аппараты), носимого (часы, интеллектуальные кольца, носимые мониторы сердечного ритма) и портативного использования (мобильные телефоны, планшеты и т. д.). Полосковые линии, симметрирующие трансформаторы и т. д. могут быть миниатюризированы с помощью IPD с меньшими допусками в радиочастотных (РЧ) [15] частях системы, особенно если используется тонкопленочная технология. Чипы IPD могут быть объединены с активными или другими интегрированными пассивными чипами, если целью является конечная миниатюризация.
необходимо снизить вес электронных узлов, например, в космической, аэрокосмической промышленности или в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА, например, дроны)
электронные конструкции, которые требуют многочисленных пассивных элементов с одинаковым значением, например, несколько конденсаторов емкостью 1 нанофарад (1 нФ). Это может произойти в реализациях, где требуются/используются интегральные схемы (ИС) с большим количеством входов/выходов. Многие высокоскоростные сигналы или линии электропитания могут нуждаться в стабилизации конденсаторами. Появление цифровых реализаций приводит к использованию цифровых параллельных линий (4-, 8-, 16-, 32-, 64-битных и т. д.) и стабилизации всех сигнальных линий, что приводит к появлению островов конденсаторов в реализации. Миниатюризация этих реализаций может привести к использованию интегрированных сетей конденсаторов или массивов конденсаторов. Они также могут быть реализованы как часть (встроенные) пакета интегральной схемы, такого как BGA или CSP (корпус масштаба чипа) подложка или интерпозер пакетов.
электронные конструкции, требующие многочисленных функций подавления электромагнитных помех (ЭМП) или электростатических разрядов (ЭСР), например конструкции с большим количеством входных/выходных контактов в интерфейсах. Подавление ЭМП или ЭСР обычно реализуется с помощью цепей RC или R(C)-диодов.
ограничения производительности (например, добротности катушек) и значений (например, больших значений емкости) пассивных элементов, доступных в технологиях интегральных схем, таких как КМОП, как монолитно интегрированных с активными элементами (транзисторами и т. д.). Если размер (площадь или толщина) и/или вес электронного узла необходимо минимизировать, а стандартные детали недоступны, индивидуальные IPD могут быть единственным вариантом для наименьшего количества деталей, малого размера или веса электроники.
повышение надежности, если необходимо минимизировать интерфейсы между различными технологиями (монолитными, корпусными, электронными и опто-/фотонными, сборками, такими как технология поверхностного монтажа и интегральные схемы и т. д.).
синхронизация в некоторых приложениях, например, если есть критически важная потребность в быстрой и очень точной фильтрации (R(L)C и т. д.), а решение на основе дискретных деталей SMD недостаточно быстрое или недостаточно предсказуемое.
Однако проблема индивидуальных IPD по сравнению со стандартными интегрированными или дискретными пассивными элементами заключается в времени готовности к сборке, а иногда и в производительности. В зависимости от технологии производства интегрированных пассивных элементов высокие значения емкости или резистора с требуемым допуском могут быть труднодостижимы. Значение Q катушек/индукторов также может быть ограничено толщиной металлов, доступных в реализации. Однако новые материалы и улучшенные технологии производства, такие как осаждение атомного слоя (ALD), а также понимание производства и контроля толстых металлических сплавов на больших подложках улучшают плотность емкости и значение Q катушек/индукторов. [16]
Поэтому на этапе прототипирования и производства малых/средних размеров стандартные детали/пассивные элементы во многих случаях являются самым быстрым способом реализации. Пассивные элементы индивидуального дизайна можно рассматривать для использования после тщательного технического и экономического анализа в серийном производстве, если могут быть достигнуты целевые показатели времени выхода на рынок и стоимости продукта(ов). Поэтому интегрированные пассивные устройства постоянно сталкиваются с техническими и экономическими проблемами из-за уменьшения размера, улучшения допусков, повышения точности методов сборки (например, SMT, технология поверхностного монтажа ) системных материнских плат и стоимости дискретных/отдельных пассивных устройств. В дальнейшем дискретные и интегрированные пассивные элементы будут дополнять друг друга в техническом плане. Разработка и понимание новых материалов и методов сборки являются ключевым фактором как для интегрированных, так и для дискретных пассивных устройств.
Изготовление
IPD на кремниевой подложке
IPD на кремниевой подложке обычно изготавливаются с использованием стандартных технологий изготовления пластин , таких как тонкая пленка и фотолитография . Чтобы избежать возможных паразитных эффектов из-за полупроводникового кремния, для интегрированных пассивных компонентов обычно используется кремниевая подложка с высоким сопротивлением. IPD на кремнии могут быть спроектированы как компоненты для монтажа перевернутого кристалла или для соединения проводами . Однако, чтобы технически отличаться от технологий активных интегральных схем (ИС), технологии IPD могут использовать более толстые металлические (для более высокого значения Q индукторов) или другие резистивные (например, SiCr) слои, более тонкие или другие диэлектрические слои с более высоким K (более высокая диэлектрическая проницаемость) (например, PZT вместо диоксида кремния или нитрида кремния) для более высокой плотности емкости, чем в типичных технологиях ИС.
При необходимости IPD на кремнии можно измельчать до толщины менее 100 мкм, а также использовать различные варианты упаковки (микровыступы, проволочная сварка, медные площадки) и способы доставки (в виде пластин, кристаллов без покрытия, лент и катушек).
3D пассивная интеграция в кремнии — одна из технологий, используемых для производства интегрированных пассивных устройств (IPD), позволяющая реализовать в кремнии конденсаторы высокой плотности, конденсаторы металл-изолятор-металл (MIM), резисторы, индукторы с высокой добротностью, PIN, диоды Шоттки или стабилитроны. Время проектирования IPD на кремнии зависит от сложности конструкции, но может быть выполнено с использованием тех же инструментов проектирования и среды, которые используются для специализированных интегральных схем (ASIC) или интегральных схем. Некоторые поставщики IPD предлагают полную поддержку комплектов проектирования, так что производители модулей System in Package (SiP) или системные дома могут проектировать свои собственные IPD, отвечающие требованиям их конкретных приложений.
История
На ранних этапах проектирования систем управления было обнаружено, что наличие одинаковых значений компонентов упрощает и ускоряет проектирование. [17] Один из способов реализации пассивных компонентов с одинаковыми значениями или на практике с наименьшим возможным распределением — это размещение их на одной подложке рядом друг с другом.
Самой ранней формой интегрированных пассивных устройств были резисторные сети в 1960-х годах, когда от четырех до восьми резисторов были упакованы в виде однорядного корпуса (SIP) компанией Vishay Intertechnology. Многие другие типы корпусов, такие как DIL, DIP и т. д., используются в упаковке интегральных схем, даже индивидуальные корпуса используются для интегрированных пассивных устройств. Резисторные, конденсаторные и резисторно-конденсаторные сети по-прежнему широко используются в системах, хотя монолитная интеграция прогрессировала.
Сегодня портативные электронные системы включают в себя примерно 2–40 дискретных пассивных устройств/интегральных схем или модулей. [18] Это показывает, что монолитная или модульная интеграция не способна включить все функции, основанные на пассивных компонентах в системных реализациях, и необходимы разнообразные технологии для минимизации логистики и размера системы. Это область применения IPD. Большинство — по количеству — пассивных элементов в электронных системах обычно представляют собой конденсаторы, за которыми следуют резисторы и индукторы/катушки.
Многие функциональные блоки, такие как схемы согласования импеданса , фильтры гармоник , ответвители и симметрирующие трансформаторы , а также делители/сумматоры мощности могут быть реализованы с помощью технологии IPD. IPD обычно изготавливаются с использованием технологий изготовления тонких, толстых пленок и пластин, таких как фотолитографическая обработка или типичные керамические технологии (LTCC и HTCC). IPD могут быть спроектированы как компоненты, монтируемые на перевернутом кристалле или соединяемые проволокой .
Тенденции к приложениям с малым размером, портативностью и беспроводным подключением расширили различные технологии внедрения, чтобы иметь возможность реализовать пассивные компоненты. В 2021 году во всем мире насчитывалось 25–30 компаний, поставляющих интегрированные пассивные (включая простые пассивные сети и пассивы на различных подложках, таких как стекло, кремний и оксид алюминия) устройства.
^ Lu, D.; Wong, CP (2017). Materials for Advanced Packaging, 2nd edition . Springer, Глава 13. С. 537–588. ISBN978-3-319-45098-8.
^ Ульрих, РК; Шарпер, Л.В. (2003). Технология интегрированных пассивных компонентов . John Wiley & Sons. ISBN978-0-471-24431-8.
^ Вебстер, Дж. Г. (1999). Энциклопедия электротехники и электроники издательства Wiley . John Wiley & Sons. ISBN9780471346081.
^ Ульрих, РК; Шарпер, Л.В. (2003). Технология интегрированных пассивных компонентов . John Wiley & Sons. ISBN978-0-471-24431-8.
^ Lianjun Liu; Shun-Meen Kuo; Abrokwah, J.; Ray, M.; Maurer, D.; Miller, M. (2007). «Проектирование и изготовление компактного фильтра гармоник с использованием технологии IPD». Труды IEEE по компонентам и технологиям упаковки . 30 (4): 556–562. doi :10.1109/TCAPT.2007.901672. S2CID 47545933.
^ Кумар (2019). «Анализ конструкции интегрированных пассивных устройств на основе симметрирующих устройств с высокой селективностью для мобильных приложений». IEEE Access . 7 : 23169–23176. doi : 10.1109/ACCESS.2019.2898513 . S2CID 71150524.
^ Ким, Джин Ву; Мурали, Гаутаман; Пак, Хичон; Цинь, Эрик; Квон, Хёкджун; Чайтанья, Венката; Чекури, Кришна; Дасари, Нихар; Сингх, Арвинд; Ли, Мина; Торунь, Хакки Мерт; Рой, Каллол; Сваминатан, Мадхаван; Мухопадхьяй, Сайбал; Кришна, Тушар; Лим, Сон Гю (2019). «Совместное проектирование архитектуры, чипа и корпуса для проектирования 2.5D ИС, обеспечивающего повторное использование гетерогенных IP». Материалы 56-й ежегодной конференции по автоматизации проектирования 2019 . стр. 1–6. дои : 10.1145/3316781.3317775. ISBN9781450367257. S2CID 163164689.
^ Бехтольд, Ф. (2009). «Всесторонний обзор современных технологий керамических подложек». Европейская конференция IEEE по микроэлектронике и упаковке : 1–12.
^ Цянь, Либо; Сан, Цзифэй; Ся, Иньшуй; Ван, Цзянь; Чжао, Пэйи (2018). «Исследование пассивных радиочастотных устройств на основе стеклянных переходов для трехмерной интеграции». Журнал IEEE Общества электронных приборов . 6 : 755–759. doi : 10.1109/JEDS.2018.2849393 . S2CID 49652092.
^ Моро, Стефан; Бушу, Дэвид; Балан, Виорел; Берриго, Анн-Лиз Ле; Жув, Амандин; Генрион, Янн; Бессет, Карин; Сцевола, Дэниел; Лхостис, Сандрин; Гайадер, Франсуа; Делоффр, Эмили; Мермоз, Себастьян; Пруво, Жюльен (2016). «Вызванный массовым переносом провал интеграции на основе гибридной связи для передовых приложений датчиков изображения». 66-я конференция IEEE по электронным компонентам и технологиям (ECTC) , 2016 г. стр. 1958–1963. дои : 10.1109/ECTC.2016.27. ISBN978-1-5090-1204-6. S2CID 9462501.
^ Ли, Ёнтэк; Лю, Кай; Фрай, Роберт; Ким, Хёнтай; Ким, Гванг; Ан, Билли (2010). «Проектирование фильтра нижних частот с высокой степенью подавления с использованием технологии интегрированных пассивных устройств для корпусов модулей Chip-Scale». Труды 60-й конференции по электронным компонентам и технологиям (ECTC) 2010 г. стр. 2025–2030 гг. doi :10.1109/ECTC.2010.5490664. ISBN978-1-4244-6410-4. S2CID 20275178.
^ Dziedzic, A.; Nowak, D. (2013). «Толстопленочные и LTCC пассивные компоненты для высокотемпературной электроники» (PDF) . Радиотехника . 2 (1): 218–226.
^ Диес-Сьерра, Хавьер; Мартинес, Алазне; Этхарри, Ион; Кинтана, Ибан (2022). «Полностью химические проводники с покрытием YBa2Cu3O7-$\delta$ с предварительно сформированными нанокристаллами BaHfO3 и BaZrO3 на технической подложке Ni5W в промышленном масштабе». Applied Surface Science . 606 : 154844. doi :10.1016/j.apsusc.2022.154844. hdl :1854/LU-8719549.
^ Pohjonen, H.; Pienimaa, S. (1999). «Тонкопленочные пассивные элементы в миниатюризации сотовой электроники». 19-й симпозиум по технологиям конденсаторов и резисторов (CARTS) . С. 180–185.
^ Лю, Кай; Ли, Йонгтек; Ким, Хёнтай; Ким, Гванг; Фрай, Роберт; Пвинт, Хлаинг Ма Фу; Ан, Билли (2010). «Эффекты толщины кристалла в сборках стековых кристаллов RF front-end module». Труды 60-й конференции по электронным компонентам и технологиям (ECTC) 2010 г. стр. 1556–1561. doi :10.1109/ECTC.2010.5490785. ISBN978-1-4244-6410-4. S2CID 31395990.
^ Байлунд, Мария; Андерссон, Рикард; Краузе, Саша; Салим, Амин М.; Маркнас, Виктор; Пассалаква, Элиза; Кабир, М. Шафик; Десмарис, Винсент (2020). «Устойчивость конденсаторов MIM на основе углеродных нановолокон со сверхвысокой плотностью емкости к электрическим и тепловым нагрузкам». 2020 IEEE 70-я конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC) . стр. 2139–2144. doi :10.1109/ECTC32862.2020.00332. ISBN978-1-7281-6180-8. S2CID 221086087.
^ Беннетт, А.С. (1993). История техники управления 1930-1955 . Peter Peregrinus Ltd от имени IEE. стр. 77. ISBN0863412807.
^ Мартин, Н.; Похьонен, Х. (2006). «Системно-в-корпусные (SiP) модули для беспроводного мультирадио». 56-я конференция по электронным компонентам и технологиям 2006 г. С. 1347–1351. doi :10.1109/ECTC.2006.1645831. ISBN1-4244-0152-6. S2CID 29492116.
Внешние ссылки
Интегрированные пассивы вкратце 2017
Интегрированные пассивные технологии
Интегрированные пассивные элементы в SIP
База данных производителей пассивных систем по всему миру. Поиск «сети» для пассивных сетей
Интеграция пассивных компонентов в тонкопленочные многослойные устройства на FhG
Интеграция пассивов со слоистой керамикой
Интегрированные пассивные устройства, конференция по электронике, 2012, HITEC
ST Интегрированные пассивные устройства литейного производства
Интегрированные пассивные устройства для радиочастотных приложений
Технология IPD от STATS chipPAC Ltd.
Технология IPD от ASE Group
IPD от Analog Devices
IPD от On Semiconductor
Интегрированные пассивные элементы на кремнии от Murata, включая IPDIA
Конденсаторы, встроенные в промежуточный ламинат TDK
Интегрированные пассивные элементы от Johanson Technology
Оценка экономической эффективности интегрированных пассивных элементов
Пассивные интеграционные исследования в Georgia Tech, США
Пример анализа стоимости интегрированных/встроенных пассивов
Пример изготовления и эксплуатационных характеристик 3D-интегрированных конденсаторов
Технология конденсаторов высокой плотности от Smoltek