Интегрированные пассивные устройства - Integrated passive devices

Интегрированные пассивные устройства (IPD) «или интегрированные пассивные компоненты (IPC) или встроенные пассивные компоненты» электронные компоненты, где резисторы (Р), конденсаторы (С), индукторы (L) / катушки / дроссели, микрополосковые линии элементы согласования импеданса, симметрирующие устройства или любые их комбинации интегрированы в один корпус или на одну подложку. Иногда интегрированные пассивы также можно назвать встроенными пассивными. [1][2] И все же разница между интегрированными и встроенными пассивными модулями технически неясна.[3][4] В обоих случаях пассивные элементы 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 (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]

Решения IPD (IPC) с одним чипом SMT для Bandpass, Lowpass, HighPass и других комбинаций на основе интегрированных сетей LC, RC и т. Д. На керамической подложке
Пример балуна RF IPD на стеклянной подложке

Интегрированные пассивные устройства могут быть упакованы, голые кристаллы / микросхемы или даже сложены (собраны поверх какого-либо другого голого кристалла / кристалла) в третьем измерении (3D) с активными интегральными схемами или другими IPD в сборке электронной системы. пассивными являются SIL (Standard In Line), SIP или любые другие пакеты (например, DIL, DIP, QFN, пакет в масштабе чипа, пакет уровня пластины и т. д.) используется в электронной упаковке. Интегрированные пассивные элементы также могут выступать в качестве подложки модуля и, следовательно, быть частью гибридный модуль.

Подложка для IPD может быть жесткой, например керамической (оксид алюминия / оксид алюминия), слоистой керамикой (низкотемпературная обожженная керамика / LTCC, высокотемпературная обожженная керамика / HTCC), [6] стекло и кремний [7][8] покрытый каким-то диэлектрическим слоем, например диоксидом кремния. Подложка также может быть гибкой, как ламинат e. грамм. промежуточный преобразователь пакетов (называемый активными промежуточными вставками), FR4 или аналогичный, Каптон или любой другой подходящий полиимид. Для проектирования электронной системы выгодно, если влияние подложки и возможной упаковки на характеристики IPD можно не учитывать или знать.

Изготовление используемых IPD включает толстые и тонкая пленка технологии и различные этапы обработки или модификации интегральных схем (например, более толстые или отличающиеся от алюминия или меди металлы) из них. Интегрированные пассивные элементы доступны как стандартные компоненты / части или как устройства, разработанные специально (для конкретного приложения).

Интегрированные пассивные устройства в основном используются как стандартные детали или разрабатываются по индивидуальному заказу из-за

  • необходимо уменьшить количество деталей, собираемых в электронную систему, 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. д.). Полосковые линии, балуны и т. Д. Могут быть уменьшены с помощью IPD с меньшими допусками в радиочастота (РФ) [9] части системы, особенно если используется тонкопленочная технология.
  • 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 интегральные схемы (ИС) с большим количеством входов / выходов необходимы / используются. Для многих высокоскоростных сигналов или линий питания может потребоваться стабилизация 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.
  • электронные конструкции, требующие множества электромагнитная интерференция (EMI) или электростатический разряд (ESD) функции подавления, 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, добротность 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 минимизировать интерфейсы между различными технологиями (монолитными, упаковочными, сборочными, например технология поверхностного монтажа и т. д.)

Однако сложность индивидуальных IPD по сравнению со стандартными интегрированными или дискретными пассивными устройствами заключается в времени готовности для сборки. 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 продукт (ы). 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 плат и стоимость 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 тонкая пленка и фотолитография обработка. IPD могут быть выполнены с возможностью монтажа на перевернутом кристалле или соединяемый проволокой составные части. Однако, чтобы технически отличаться от технологий ИС, технологии IPD могут использовать более толстый металл (для более высокого значения добротности 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 нитрид кремния) для более высокой плотности емкости по сравнению с типичными технологиями IC.

IPD на кремнии можно шлифовать - при необходимости - толщиной менее 100 мкм и с множеством вариантов упаковки (микровыступы, проволочное соединение, медные контактные площадки) и вариантами режима доставки (в виде пластин, ленты и катушки).

Интегрированное пассивное устройство по сравнению с дискретными устройствами для поверхностного монтажа (SMD)

Пассивная трехмерная интеграция в кремнии - одна из технологий, используемых для производства интегрированных пассивных устройств (IPD), позволяющая реализовать в кремнии конденсаторы с высокой плотностью, конденсаторы MIM, резисторы, индукторы с высокой добротностью, PIN-диоды или стабилитроны. Время разработки IPD на кремнии зависит от сложности конструкции, но может быть выполнено с использованием тех же средств проектирования и среды, которые используются для специализированных интегральных схем (ASIC). 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, отвечающие их конкретным требованиям приложений.

История и роль IPD в сборке электронных систем

На ранних этапах проектирования систем управления было обнаружено, что одинаковая ценность компонентов делает проектирование проще и быстрее.[10] 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 резистивные 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 корпусных интегральных схемах, 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. Это показывает, что монолитная или модульная интеграция не способна включать в себя всю функциональность, основанную на пассивных компонентах, в реализации системы, и для минимизации логистики и размера системы требуется множество технологий. Это область применения IPD. Большинство (по количеству) пассивных компонентов в электронных системах, как правило, представляют собой конденсаторы, за которыми следует количество резисторов и катушек индуктивности.

Многие функциональные блоки, такие как согласование импеданса схемы, фильтры гармоник, муфты и балуны Сумматор / делитель мощности может быть реализован с помощью технологии IPD. IPD обычно изготавливаются с использованием технологий изготовления тонких, толстых пленок и пластин, таких как фотолитография обработка. IPD могут быть выполнены с возможностью установки на флип-чип или соединяемый проволокой составные части.

Тенденции к приложениям с небольшими размерами, портативностью и возможностью беспроводного подключения привели к расширению различных технологий реализации, позволяющих реализовать пассивные компоненты. В настоящее время 25–30 компаний по всему миру поставляют интегрированные пассивные (включая простые сети и пассивные элементы на различных подложках, таких как стекло, кремний и оксид алюминия).

Рекомендации

  1. ^ Лу, Д .; Вонг, К. (2017). Материалы для Advanced Packaging, 2-е издание. Springer, Глава 13. с. 537-588. ISBN  978-3-319-45098-8.
  2. ^ Ульрих, Р.К .; Шарпер, Л. (2003). Интегрированная технология пассивных компонентов. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-24431-8.
  3. ^ Вебстер, Дж. (1999). Энциклопедия Wiley по электротехнике и электронике. Джон Вили и сыновья. ISBN  9780471346081.
  4. ^ Ульрих, Р.К .; Шарпер, Л. (2003). Интегрированная технология пассивных компонентов. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-24431-8.
  5. ^ Liu, L .; и другие. (2007). «Компактная конструкция и изготовление фильтра гармоник с использованием технологии IPD». 57-я конференция IEEE по электронным компонентам и технологиям (ECTC): 556–562. Дои:10.1109 / TCAPT.2007.901672.
  6. ^ Бехтольд, Ф. (2009). «Исчерпывающий обзор современных технологий керамических подложек». IEEE Европейская конференция по микроэлектронике и упаковке: 1–12.
  7. ^ Chakraborti, P .; и другие. (2016). «Изготовление и интеграция ультратонких, высокоплотных, высокочастотных Ta-конденсаторов на кремнии для силовых модулей». IEEE 66-я конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC): 1958–1963. Дои:10.1109 / ECTC.2016.27.
  8. ^ Lee, Y.T .; и другие. (2010). «Конструкция фильтра нижних частот с высоким коэффициентом подавления с использованием интегрированной технологии пассивных устройств для модуля чип-масштаба». IEEE 60-я конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC): 2025–2030.
  9. ^ Лю, К .; и другие. (2010). «Влияние толщины штампа в сборках пакетного модуля входного модуля RF IPD». IEEE 60-я конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC): 1557–1561.
  10. ^ Беннетт, А.С. (1993). История контрольной техники 1930-1955 гг.. Питер Перегринус Лтд. От имени IEE. п. 77. ISBN  0863412807.

Внешняя ссылка