Интегрированные пассивные устройства (IPD) или интегрированные пассивные компоненты (IPC) или встроенные пассивные компоненты - это электронные компоненты, в которых резисторы (R), конденсаторы (C), катушки индуктивности (L) / катушки / дроссели, микрополосковые линии, элементы согласования импеданса, симметры или любые комбинации из них встроены в один корпус или на одну подложку. Иногда интегрированные пассивные элементы также могут называться встроенными пассивными модулями [1] [2], и все же разница между интегрированными и встроенными пассивными элементами технически неясна. [3] [4] В обоих случаях пассивы реализуются между слоями диэлектрика или на одной и той же подложке.
Самая ранняя форма IPD - это резистор, конденсатор, резистор-конденсатор (RC) или резистор-конденсатор-катушка / катушка индуктивности (RCL). Пассивные трансформаторы также могут быть реализованы в виде интегрированных пассивных устройств, например, путем размещения двух катушек друг над другом, разделенных тонким диэлектрическим слоем. Иногда диоды (PN, PIN, стабилитрон и т. Д.) Могут быть интегрированы на одной подложке с интегрированными пассивными элементами, особенно если подложка представляет собой кремний или другой полупроводник, например, арсенид галлия (GaAs). [5] [6]
Интегрированные пассивные устройства могут быть упакованы, чистые кристаллы / микросхемы или даже штабелированы (собраны поверх какого-либо другого голого кристалла / кристалла) в третьем измерении (3D) с активными интегральными схемами или другими IPD в сборке электронной системы. Типичными пакетами для интегрированных пассивных устройств являются SIL (Standard In Line), SIP или любые другие пакеты (например, DIL, DIP, QFN , пакет масштаба микросхемы / CSP, пакет уровня пластины / WLP и т. Д.), Используемые в электронной упаковке. Интегрированные пассивы могут также выступать в качестве модуля подложки, и , следовательно , быть частью гибридного модуля , модуля многокристального или chiplet модуль / реализации. [7]
Подложка для IPD может быть жесткой, такой как керамика (оксид алюминия / оксид алюминия), слоистая керамика (низкотемпературная керамика / LTCC, высокотемпературная керамика / HTCC), [8] стекло [9] и кремний [10] [11] покрыт некоторым диэлектрическим слоем, например диоксидом кремния. Подложка также может быть гибкой, как ламинат, например, соединительный элемент пакетов (называемый активным соединителем), FR4 или аналогичный, каптон или любой другой подходящий полиимид. Для конструкции электронной системы выгодно, если влияние подложки и возможного корпуса на характеристики IPD можно не учитывать или знать.
Производство используемых IPD включает в себя технологии толстой [12] и тонкой [13] пленки, а также различные этапы обработки или модификации интегральных схем (например, более толстые или отличающиеся от алюминия или меди металлы). Интегрированные пассивные элементы доступны в виде стандартных компонентов / частей или устройств, разработанных по индивидуальному заказу (для конкретного применения).
Интегрированные пассивные устройства в основном используются в качестве стандартных деталей или разрабатываются по индивидуальному заказу из-за
- необходимо уменьшить количество деталей, которые необходимо собрать в электронной системе, что приведет к минимизации необходимости в логистике.
- необходимо уменьшить размеры (площадь и высота) электроники, например, для медицинской (слуховые аппараты), носимой (часы, интеллектуальные кольца, пульсометры) и портативного использования (мобильные телефоны, планшеты и т. Полосковые линии, балуны и т. Д. Могут быть уменьшены с помощью IPD с меньшими допусками в радиочастотных (RF) [14] частях системы, особенно при использовании тонкопленочной технологии. Микросхемы IPD могут быть объединены с активными или другими интегрированными пассивными микросхемами, если целью является максимальная миниатюризация.
- необходимо уменьшить вес электронных сборок, например, в космических, аэрокосмических или беспилотных летательных аппаратах (БПЛА, например, дроны).
- электронные конструкции, для которых требуется множество пассивных элементов с одинаковой емкостью, 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 питания 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 островкам конденсаторов в реализации. Их миниатюризация может привести к использованию интегрированных конденсаторных сетей или массивов конденсаторов. Они также могут быть реализованы как часть (встроенная) в корпус интегральной схемы, такой как подложка BGA или CSP (пакет масштабирования микросхемы) или переходник пакетов.
- электронные конструкции, которые требуют многочисленных функций подавления электромагнитных помех (EMI) или электростатических разрядов (ESD), такие как конструкции с разъемами с большим количеством входных / выходных контактов в интерфейсах. Подавление EMI или ESD обычно реализуется с помощью RC- или R (C) -диодных сетей.
- ограничения производительности (например, добротности катушек) и значений (например, больших значений емкости) пассивных элементов, доступных в технологиях интегральных схем, таких как CMOS, как монолитно интегрированных с активными элементами (транзисторами и т. д.). Если размер (площадь или толщина) и / или вес электронного блока необходимо минимизировать, а стандартные детали недоступны, индивидуальные IPD могут быть единственным вариантом для минимального количества деталей, небольшого размера или веса электроники.
- повышенная надежность, если необходимо свести к минимуму интерфейсы между различными технологиями (монолитными, упаковочными, электронными и оптическими / фотонными, такими сборками, как технология поверхностного монтажа и интегральные схемы и т. д.).
- синхронизации в некоторых приложениях, если, например, есть критические потребности в быстрой и очень точной фильтрации (R (L) C и т. д.) - а решение на основе дискретных компонентов SMD недостаточно быстрое или недостаточно предсказуемое.
Однако проблема индивидуальных IPD по сравнению со стандартными интегрированными или дискретными пассивными устройствами заключается в времени готовности для сборки, а иногда и в производительности. В зависимости от технологии изготовления интегрированных пассивных элементов может быть трудно обеспечить высокую емкость или сопротивление резистора с требуемым допуском. Значение добротности катушек / индукторов также может быть ограничено толщиной металлов, доступных в реализации. Однако новые материалы и улучшенные технологии производства, такие как осаждение атомных слоев (ALD), а также понимание производства и контроля толстых металлических сплавов на больших подложках, улучшают плотность емкости и значение добротности катушек / катушек индуктивности. [15]
Поэтому на этапе прототипирования и производства малых и средних размеров стандартные детали / пассивные элементы во многих случаях являются самым быстрым способом реализации. Пассивные элементы, разработанные по индивидуальному заказу, можно рассматривать как подлежащие использованию после тщательного технического и экономического анализа при серийном производстве, если могут быть достигнуты сроки вывода продукта на рынок и целевые затраты на продукцию. Поэтому интегрированные пассивные устройства постоянно сталкиваются с техническими и экономическими проблемами из-за уменьшения размера, улучшения допусков, повышения точности методов сборки (таких как SMT, технология поверхностного монтажа ) системных материнских плат и стоимости дискретных / отдельных пассивных устройств. В будущем дискретные и интегрированные пассивные компоненты будут технически дополнять друг друга. Разработка и понимание новых материалов и методов сборки являются ключевыми факторами как для интегрированных, так и для дискретных пассивных устройств.
IPD на кремниевой подложке
IPD на кремниевой подложке обычно изготавливаются с использованием стандартных технологий изготовления пластин, таких как обработка тонких пленок и фотолитография . Чтобы избежать возможных паразитных эффектов из-за полупроводникового кремния, для интегрированных пассивных элементов обычно используется высокоомная кремниевая подложка. IPD на кремнии могут быть выполнены в виде компонентов, монтируемых на перевернутом кристалле или соединяемых проводами . Однако, чтобы технически отличаться от технологий активных интегральных схем (ИС), в технологиях IPD могут использоваться более толстые металлические (для более высокого значения добротности катушек индуктивности) 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 IC.
IPD на кремнии можно шлифовать - при необходимости - толщиной менее 100 мкм и с множеством вариантов упаковки (микровыступы, соединение проводов, медные контактные площадки) и вариантами режима доставки (в виде пластин, голых кристаллов, ленты и катушки).
Трехмерная пассивная интеграция в кремнии - одна из технологий, используемых для производства интегрированных пассивных устройств (IPD), позволяющая использовать траншейные конденсаторы высокой плотности, конденсаторы металл-изолятор-металл (MIM), резисторы, индукторы с высокой добротностью, PIN, диоды Шоттки или стабилитроны. для реализации в кремнии. Время разработки 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 для проектирования, так что производители модулей System in Package (SiP) или системные компании могут разрабатывать свои собственные IPD, удовлетворяющие требованиям конкретных приложений.
История и роль IPD в сборке электронных систем
На ранних этапах проектирования систем управления было обнаружено, что одинаковые значения компонентов делают проектирование проще и быстрее. [16] Один из способов реализовать пассивные компоненты с одинаковым значением или на практике с наименьшим возможным распределением - разместить 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 однопроводных пакетов (SIP) от 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. Сети резисторов, конденсаторов и резисторных конденсаторов по-прежнему широко используются в системах, даже несмотря на то, что монолитная интеграция прогрессирует.
Сегодня портативные электронные системы включают примерно 2-40 дискретных пассивных устройств / интегральных схем или модулей. [17] Это показывает, что монолитная или модульная интеграция не способна включать в себя все функции, основанные на пассивных компонентах, в реализации системы, и для минимизации логистики и размера системы требуется множество технологий. Это область применения IPD. Большинство (по количеству) пассивных элементов в электронных системах, как правило, представляют собой конденсаторы, за которыми следует количество резисторов и катушек индуктивности.
Многие функциональные блоки, такие как схемы согласования импеданса , фильтры гармоник , ответвители и симметрирующие устройства, а также сумматор / делитель мощности, могут быть реализованы с помощью технологии IPD. IPD обычно изготавливаются с использованием технологий изготовления тонких, толстых пленок и пластин, таких как фотолитография или типичные керамические технологии (LTCC и HTCC). IPD могут быть выполнены в виде компонентов, устанавливаемых на перевернутом кристалле или соединяемых проводами .
Тенденции к приложениям с небольшими размерами, портативностью и возможностью беспроводного подключения расширили различные технологии реализации, чтобы можно было реализовать пассивные компоненты. В 2021 году по всему миру насчитывалось 25-30 компаний, поставляющих интегрированные пассивные (включая простые пассивные сети и пассивные устройства на различных подложках, таких как стекло, кремний и оксид алюминия).
Рекомендации
- ^ Lu, D .; Вонг, КП (2017). Материалы для Advanced Packaging, 2-е издание . Springer, Глава 13. С. 537–588. ISBN 978-3-319-45098-8.
- ^ Ульрих, РК; Шарпер, LW (2003). Интегрированная технология пассивных компонентов . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-24431-8.
- ^ Вебстер, Дж. Г. (1999). Энциклопедия Wiley по электротехнике и электронике . Джон Вили и сыновья. ISBN 9780471346081.
- ^ Ульрих, РК; Шарпер, LW (2003). Интегрированная технология пассивных компонентов . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-24431-8.
- ^ Ляньцзюнь Лю; Шун-Мин Куо; Abrokwah, J .; Ray, M .; Maurer, D .; Миллер, М. (2007). «Компактный дизайн и изготовление фильтра гармоник с использованием технологии IPD». IEEE Transactions 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 балунговых устройств с высокой избирательностью для мобильных приложений» . Доступ IEEE . 7 : 23169–23176. DOI : 10,1109 / ACCESS.2019.2898513 . S2CID 71150524 .
- ^ Ким, Джину; 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). «Процесс совместного проектирования архитектуры, микросхем и корпусов для проектирования ИС 2.5D, обеспечивающий повторное использование гетерогенных IP-адресов». Материалы 56-й ежегодной конференции по автоматизации проектирования 2019 . С. 1–6. DOI : 10.1145 / 3316781.3317775 . ISBN 9781450367257. S2CID 163164689 .
- ^ Бехтольд, Ф. (2009). «Всеобъемлющий обзор современных технологий керамических подложек» . IEEE European Microelectronics and Packaging Conference : 1–12.
- ^ Цянь, Либо; Пел, Дзифэй; Ся, Иньшуй; Ван, Цзянь; Чжао, Пэйи (2018). "Исследование пассивных ВЧ-устройств на основе сквозных отверстий для трехмерной интеграции". Журнал IEEE Общества электронных устройств . 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; Шевола, Даниэль; Лхостис, Сандрин; Гюядер, Франсуа; Делофр, Эмили; Мермоз, Себастьян; Пруво, Жюльен (2016). «Вызванный массовым переносом отказ интеграции на основе гибридного склеивания для передовых приложений датчика изображения». 66-я Конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC), IEEE, 2016 . С. 1958–1963. DOI : 10.1109 / ECTC.2016.27 . ISBN 978-1-5090-1204-6. S2CID 9462501 .
- ^ Ли, Йонгтэк; Лю, Кай; Фрай, Роберт; Ким, Хюнтай; Ким, Гван; Ан, Билли (2010). «Конструкция фильтра нижних частот с высоким коэффициентом подавления с использованием интегрированной технологии пассивных устройств для Chip-Scale Module Package». 2010 Труды 60-й конференции по электронным компонентам и технологиям (ECTC) . С. 2025–2030. DOI : 10.1109 / ECTC.2010.5490664 . ISBN 978-1-4244-6410-4. S2CID 20275178 .
- ^ Дзедзич, А .; Новак, Д. (2013). «Толстопленочные и LTCC-пассивные компоненты для высокотемпературной электроники» (PDF) . Радиотехника . 2 (1): 218–226.
- ^ Pohjonen, H .; Пиенимаа, С. (1999). «Тонкопленочные пассивы в миниатюризации сотовой электроники». 19-й симпозиум по технологии конденсаторов и резисторов (CARTS) . С. 180–185.
- ^ Лю, Кай; Ли, Йонгтэк; Ким, Хюнтай; Ким, Гван; Фрай, Роберт; Пвинт, Хлаинг Ма Пху; Ан, Билли (2010). «Влияние толщины кристалла в сборках пакет-матрица входного модуля RF». 2010 Труды 60-й конференции по электронным компонентам и технологиям (ECTC) . С. 1556–1561. DOI : 10.1109 / ECTC.2010.5490785 . ISBN 978-1-4244-6410-4. S2CID 31395990 .
- ^ Bylund, Мария; Андерссон, Рикард; Краузе, Саша; Салим, Амин М .; Маркнас, Виктор; Пассалаква, Элиза; Кабир, М. Шафик; Десмарис, Винсент (2020). «Устойчивость MIM-конденсаторов на основе углеродного нановолокна со сверхвысокой удельной емкостью к электрическим и тепловым нагрузкам». 2020 IEEE 70-я конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC) . С. 2139–2144. DOI : 10.1109 / ECTC32862.2020.00332 . ISBN 978-1-7281-6180-8. S2CID 221086087 .
- ^ Беннетт А.С. (1993). История контрольной техники 1930-1955 гг . Питер Перегринус Лтд. От имени IEE. п. 77. ISBN 0863412807.
- ^ Martin, N .; Похйонен, Х. (2006). "Системные модули (SiP) для беспроводного мультирадио". Пятьдесят шестые Электронные компоненты и технология Конференция 2006 . п. 1347-1351. DOI : 10.1109 / ECTC.2006.1645831 . ISBN 1-4244-0152-6. S2CID 29492116 .
Внешние ссылки
- Интегрированные пассивы вкратце 2017
- Интегрированные пассивные технологии
- Интегрированные пассивы в SIP
- База данных пассивных производителей по всему миру. Найдите в слове "сеть" пассивные сети.
- Интеграция пассивных компонентов в тонкопленочные многослойные материалы в FhG
- Интеграция пассивов со слоистой керамикой
- Интегрированные пассивные устройства, конференция по электронике, 2012, HITEC
- ST Интегрированное производство пассивных устройств
- 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 пассивы на кремнии от Murata, включая IPDIA
- Конденсаторы, встроенные в промежуточный ламинат от TDK
- Интегрированные пассивы от Johanson Technology
- Оценка экономической эффективности интегрированных пассивных компонентов
- Пассивная интеграция в Технологическом университете Джорджии, США
- Пример анализа стоимости интегрированных / встраиваемых пассивных компонентов
- Пример изготовления и работы трехмерных интегрированных конденсаторов
- Конденсаторы высокой плотности от Smoltek