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作者：Gina Roos，電子產(chǎn)品總編
小型化是采用集成無(wú)源器件 (IPD) 的最大驅(qū)動(dòng)力，它可以在各種終端產(chǎn)品中替代分立電容器、電阻器和電感器，尤其是智能手機(jī)等不斷縮小的消費(fèi)設(shè)備。它們有多種口味——硅、玻璃、陶瓷，甚至砷化鎵 (GaAs)。由于晶圓工藝的固有優(yōu)勢(shì)，包括可重復(fù)性和嚴(yán)格的公差控制，基于硅的 IPD 已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且仍然是 IPD 的首選基板材料。
根據(jù) MarketsandMarkets 發(fā)布的一份新報(bào)告，IPD 市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì) 2023 年將達(dá)到 15 億美元，高于 2018 年的 10 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 8.8%。Yole Développement (Yole) 表示，特別是薄膜或硅基 IPD 因其在間距、容差、柔韌性和封裝方面的更高性能而取得進(jìn)展，預(yù)計(jì) IPD 市場(chǎng)將超過(guò) 10 億美元到 2022 年。
IPD 的主要應(yīng)用是靜電放電 (ESD) 和電磁干擾 (EMI)，它們具有完善的標(biāo)準(zhǔn)。然而，使用平衡不平衡轉(zhuǎn)換器、雙工器和濾波器的射頻前端模塊的 IPD 集成正在取得進(jìn)展，目標(biāo)是便攜式、無(wú)線和射頻應(yīng)用。射頻 IPD 市場(chǎng)中有不少廠商提供標(biāo)準(zhǔn)或定制設(shè)備。其中包括村田 IPDia、安森美半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體和 Qorvo。
RF IPD 的優(yōu)勢(shì)IPD 技術(shù)可用于各種 RF 設(shè)計(jì)——包括巴倫、耦合器、雙工器、濾波器、分路器和匹配網(wǎng)絡(luò)——將電容器、電阻器和電感器組合在一個(gè)封裝中。安森美半導(dǎo)體首席工程師兼 IPD 產(chǎn)品線經(jīng)理 Kim Eilert 表示，最大的需求驅(qū)動(dòng)因素是尺寸、容差和性能。
安森美半導(dǎo)體在其基于硅的 High-Q 銅平臺(tái)上構(gòu)建定制射頻 IPD 。Eilert 的部分工作是幫助客戶設(shè)計(jì) IPD 并確保他們?cè)诋a(chǎn)品上取得成功，這就是為什么她會(huì)告訴您 RF IPD 不推薦用于 <500 MHz 的頻率?！癐PD 中沒有足夠的金屬來(lái)獲得良好的損耗性能，除非它只是一個(gè)電容器或電阻器，”她說(shuō)?！癧在那個(gè)頻率下]使用另一種技術(shù)會(huì)更好?！?/p>
然而，她補(bǔ)充說(shuō)，有些應(yīng)用程序是定制的。其中包括需要小型化、嚴(yán)格公差和更高性能的應(yīng)用。
Eilert 說(shuō)，當(dāng)設(shè)計(jì)工程師開始設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，他們通常會(huì)考慮多種技術(shù)，并且會(huì)考慮成本、尺寸、熱性能和組裝簡(jiǎn)易性等因素。他們將考慮幾種技術(shù)并評(píng)估他們需要什么。
“當(dāng)人們決定使用 IPD 時(shí)——無(wú)論是在玻璃、陶瓷、硅還是 GaAs 上——一般來(lái)說(shuō)，他們都受到輪廓高度以及 x 和 y 尺寸的驅(qū)動(dòng)，”她補(bǔ)充道。“能夠使 IPD 變薄以匹配有源 IC 的確切高度是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟梢钥s小整個(gè)模塊的 z 高度?！?/p>
IPD 比離散解決方案小得多，x/y 尺寸的節(jié)省可能很大?！巴ㄟ^(guò)添加集成，您可以縮小組件所需的 x/y 占用空間，”Eilert 說(shuō)。“有時(shí)，這不僅僅是‘錦上添花’，而是絕對(duì)的要求?！?/p>
另一個(gè)推動(dòng) IPD 設(shè)計(jì)的因素是容差?！叭绻鷨为?dú)購(gòu)買過(guò)濾器的每個(gè)組件，它們都有各自的容差，因此整個(gè)系統(tǒng)的容差比將其制造為單獨(dú)的芯片時(shí)更寬?！?/p>
“因?yàn)槲覀冊(cè)谶@個(gè) [IPD] 芯片上同時(shí)制造所有東西，例如，單個(gè)芯片上的所有電容器都將相互匹配。所以有性能優(yōu)勢(shì)。在更高的頻率下也有性能優(yōu)勢(shì)——同樣，因?yàn)樗际窃诰哂辛己?[亞微米] 尺寸控制的晶圓上制造的?！?/p>
寄生效應(yīng)是設(shè)計(jì)師面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)?！坝袝r(shí)在更高的頻率下，安裝組件的不良寄生效應(yīng)確實(shí)會(huì)破壞設(shè)計(jì)的性能，”Eilert 說(shuō)?！爱?dāng)你將所有東西都集成到一個(gè)芯片中時(shí)，你就不再需要應(yīng)對(duì)安裝寄生效應(yīng)了?！?/p>
Eilert 的建議是始終要求提供示例芯片。在電感器的情況下，Q 或高質(zhì)量因數(shù)通常被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。她建議，獲取一個(gè)示例芯片并自己測(cè)量它?！巴ǔ＃S擁有這些信息并且可以提供，但設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行這些比較時(shí)需要請(qǐng)求原始數(shù)據(jù)?！?/p>
她還要求設(shè)計(jì)人員考慮整體諧振器 Q，而不是查看單個(gè)組件并將電感器與電感器以及電容器與電容器進(jìn)行比較。
“當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)諧振器時(shí)——在大多數(shù)情況下，濾波器設(shè)計(jì)人員就是這么做的——IPD 非常棒，因?yàn)槟梢栽陔娙萜?(C) 旁邊集成一個(gè)電感器 (L)，”她說(shuō)?！笆褂闷渌夹g(shù)，可能會(huì)限制你獲得這兩個(gè)組件的距離。我建議他們比較整個(gè)系統(tǒng)——比較 LC 諧振器和 LC 諧振器。最終，這就是他們想要建立的?！?/p>
像大多數(shù)事情一樣，自定義 IPD 需要權(quán)衡取舍。上市時(shí)間和成本是最大的兩個(gè)。
“如果可以避免的話，我認(rèn)為人們寧愿不參與單獨(dú)的設(shè)計(jì)工作，”Eilert 說(shuō)?！笆褂矛F(xiàn)成的組件有很多優(yōu)勢(shì)——它們很容易獲得，設(shè)備非常熟悉，而且從成本的角度來(lái)看，與開發(fā)定制芯片相比，它需要更少的時(shí)間和資源。因此，需要有規(guī)模驅(qū)動(dòng)因素或性能驅(qū)動(dòng)因素來(lái)引導(dǎo)人們進(jìn)行 IPD?！?/p>
需要性能的巨大機(jī)會(huì)由于晶圓工藝的可重復(fù)性和亞微米公差（高頻優(yōu)勢(shì)），大多數(shù)商業(yè)頻率（約 1 GHz 至 6 GHz）非常適合硅 IPD。
Eilert 說(shuō)，許多客戶正在使用 1-GHz 至 2.5-GHz 范圍內(nèi)的射頻 IPD。IPD 也將非常適合 5G，它將達(dá)到 28 GHz——這對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。
“例如，如果你必須設(shè)計(jì)一個(gè) 20 GHz 的帶通濾波器，那么在可以非常精確地控制尺寸的晶圓技術(shù)上構(gòu)建它是有利的，”她說(shuō)。“由于這是一個(gè)晶圓工藝，我們使用光刻來(lái)定義跡線。您可以擁有 5 微米寬的跡線，并且所有東西都帶有亞微米公差?！?/p>
硅的機(jī)械性能也是一個(gè)好處?！皩?duì)于某些應(yīng)用，希望 IC 的機(jī)械膨脹特性與載體封裝相匹配，”Eilert 說(shuō)。她補(bǔ)充說(shuō)，對(duì)于硅 IPD，載體封裝將由硅制成，有源 IC 由硅制成，因此不存在機(jī)械失配。
設(shè)計(jì)人員還可以在需要精確的電容或電感值時(shí)使用 IPD?！澳憧梢再?gòu)買現(xiàn)成的組件，但它們的價(jià)值范圍是固定的，”Eilert 說(shuō)?！叭绻胍?4.7-pF 的電容，您現(xiàn)在可以購(gòu)買各種規(guī)格的電容，但如果您想要像 4.85 pF 這樣高度定制的電容，并且需要嚴(yán)格的容差，那么 IPD 就是您的最佳選擇。 ”
安森美半導(dǎo)體提供示例芯片和功能齊全的設(shè)計(jì)套件，以幫助快速啟動(dòng)項(xiàng)目并向客戶展示該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
Eilert 說(shuō)，設(shè)計(jì)師很少堅(jiān)持基線設(shè)計(jì)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)人們不想從目錄中購(gòu)買；他們想為他們的應(yīng)用程序進(jìn)行定制。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于 RF 來(lái)說(shuō)確實(shí)如此，您從一個(gè)示例開始，然后自定義引腳排列，或者自定義性能或阻抗以匹配您的特定 IC。它具有性能優(yōu)勢(shì)，但確實(shí)需要設(shè)計(jì)努力?！?/p>
設(shè)計(jì)師可以使用 IPD 做很多事情。Eilert 說(shuō)，她甚至讓一位客戶構(gòu)建了一個(gè)只有一個(gè)組件的 IPD，以獲得精確的電感值，而另一位客戶將整個(gè) 8 英寸硅晶片用于一個(gè)芯片作為一種中介層。
然而，安森美半導(dǎo)體有幾個(gè)設(shè)計(jì)示例，其中 IPD 節(jié)省了大量空間。在一個(gè)案例中，該公司為新的 5G New Radio n78 頻段構(gòu)建了一個(gè)低成本和低插入損耗的帶通濾波器，采用 1608 封裝（1.6 x 0.8 mm），集成了 20 個(gè)組件。
但是，還有其他半導(dǎo)體制造商提供現(xiàn)成的射頻 IPD。例如，意法半導(dǎo)體提供了一系列基于非導(dǎo)電玻璃基板技術(shù)的 IPD 的集成巴倫。這些是高度集成的匹配設(shè)備，由于采用 IPD 技術(shù)，可提供低信號(hào)損耗和低幅度和相位不平衡。
截至 2017 年底，ST 提供了 16 個(gè)集成巴倫，其封裝尺寸低至 0.8 mm 2 和回流后高 0.56 mm。這些器件專為 ST 的 sub-1-GHz 或藍(lán)牙低功耗 2.4-GHz 無(wú)線電以及其他制造商的各種收發(fā)器而設(shè)計(jì)。
ST 最新推出的 IPD 之一是為其 S2-LP 868-927MHz 低功耗無(wú)線電收發(fā)器匹配的巴倫，旨在節(jié)省物聯(lián)網(wǎng)傳感器、智能電表、警報(bào)器、遙控器、樓宇自動(dòng)化和工業(yè)控制等產(chǎn)品的電路板空間.
ST 表示，3.26-mm 2 BALF-SPI2-01D3 集成了將天線連接到 S2-LP 無(wú)線電所需的所有阻抗匹配和濾波組件。該集成器件取代了由 16 個(gè)分立電容器和電感器組成的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)最多可占用 100 mm 2 的電路板空間，從而將占位面積減少 96% 以上。
“除了節(jié)省空間外，電路設(shè)計(jì)也大大簡(jiǎn)化，無(wú)需選擇元件值或應(yīng)對(duì)嚴(yán)格的布局挑戰(zhàn)，”ST 表示。“巴倫針對(duì) S2-LP 進(jìn)行了全面優(yōu)化，帶有經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證的放置和連接建議，可以直接復(fù)制以最大限度地提高射頻性能。”
隨著產(chǎn)品不斷縮小，預(yù)計(jì)對(duì)所有類型 IPD 的需求都會(huì)增長(zhǎng)。
“隨著市場(chǎng)的尺寸驅(qū)動(dòng)，尤其是智能手機(jī)，存在縮小尺寸的壓力；這不是可選的，”Eilert 說(shuō)?！皩?duì)于傳統(tǒng)解決方案，它們對(duì)于下一代產(chǎn)品來(lái)說(shuō)太大了?！?br />
審核編輯 黃昊宇
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論