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用于集成無源器件的工藝技術

日期:2020/8/13 10:33:29
摘要:當今便攜式無線產品里使用的大多數器件是無源元件。如果把這些無源元件集成到一個襯底或一個獨立的器件上將能明顯地提高產品性能、降低成本和減小尺寸。制造集成無源元件的材料和工藝有許多種,在這里對它們進行了比較。

最新的便攜式移動電話、計算機和Internet應用要求產品有更強的功能、更好的性能和更低的價錢,同時要求體積小、重量輕。到目前為止,硅和 GaAs 集成電路技術發展迅速,加上采用更小的封裝形式、更小的分立無源元件和高密度互連印制電路技術,已經能滿足上述要求。這些產品的基帶部分可用硅單片集成電路實現,而射頻部分仍需要有源器件與高性能的無源元件多種方式的結合。因為對于射頻功能來說,完全單片集成的方法會導致產品性能大幅降低。

隨著有源器件集成度不斷提高,越來越多的功能被集成到單片上,這對集成無源元件形成很大的壓力,無線產品的射頻部分尤其是這樣。一個典型的移動電話產品可以包含400 個元器件,而有源器件數不到 20個,其余 380 個無源元件占電話電路板80%左右的面積和70%的產品組裝成本。因此,無論是減小整個產品的尺寸與重量,還是在現有的產品體積內增加功能,集成無源元件技術都能發揮很大的作用。

使用集成無源元件技術能得到的其它好處,是增加生產能力、減少庫存、提高產品可靠性和降低功能塊乃至系統級成本。集成無源元件技術能提供緊湊的集成無源器件( IPD )網絡產品,或作為一個功能密集的平臺,以集成射頻功能所需的最佳有源器件組合。

集成無源技術

目前可用的集成無源元件技術有3大類,分別是薄膜技術、低溫燒制陶瓷 ( LTCC )技術、基于高密度互連 ( HDI ) 的延伸技術和其它印制電路板(PCB)技術。HDI 和PCB技術通常用于數字系統。 在這種系統里,分布裝焊的電容與中等精度的上拉電阻成本低,成品率高。在適于射頻集成的多種技術中,薄膜集成無源技術通常能提供最優良的元件精度和功能密度,以及最高集成度、最小體積和最輕重量。

一個有代表性的薄膜集成無源工藝的剖面示意圖如圖1所示。這個工藝能制作各種電阻、電容和電感元件,以及低電感接地板和連接無源元件的傳輸線走線。薄膜結構在合適的載體襯底材料上制造。很重要的一點是工藝要既能滿足所要求的元件性能和精度指標,工藝還不復雜,需要掩模數最少 (一般為 6~10張 )。每個無源元件通常占據不到 1mm2的面積 以便能在面積和成本方面與表面貼裝技術的分立元件競爭。在圖2中示出了一個加工好的薄膜集成無源襯底的一個部分,來說明3種主要的集成無源元件。

電阻器

絕大多數移動電話要求薄膜電阻的阻值范圍在10~100 KΩ之間。采用100Ω/單位的單層薄膜電阻材料,用簡單幾何圖形可以制作10~1kΩ的高性能射頻電阻。而蛇形圖案可以用來制作更高阻值的電阻。薄膜電阻材料主要是根據它們的電阻率、工藝的兼容性和電阻的溫度系數(TCR)來選定的。通常還要求在加負載情況下性能穩定性優于0.5%。在溫度變化時,相鄰電阻器的跟蹤精度與匹配精度均優于0.5%。表1示出了有代表性的集成無源薄膜電阻材料的特性。

氮化鉭也許是薄膜集成無源技術中使用最廣泛的電阻材料,因為它為100Ω/單位的薄膜電阻提供了合理的厚度和很低的溫度系數。

這種材料還可用干法工藝刻蝕,能制備高精度的幾何圖形。這些薄膜電阻一般在整個工藝流程前期制作,通常直接制作在基本襯底表面,以求達到最優的圖形制作精度,并有利于加負載情況下的散熱。

金屬層的一致性和物理圖形的控制精度對最終的元件精度是很關鍵的?,F有的金屬化生產設備能為圓片工藝和大面積板材(LAP)工藝制作高度一致的電阻和淀積導電金屬層。

電容器

 要滿足一個典型的移動電話產品中射頻和基帶的需要,就要能制作1pF~100nF范圍的電容。集成無源技術雖然只能提供 0.25pF~500pF范圍的電容值,但仍能滿足典型的射頻 IPD、單功能射頻模塊和完整的射頻模塊子系統的所有要求。典型的集成無源電容器工藝采用兩種或一種非鐵電體電容材料,以傳統的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結構實現所要求的電容值和性能。聚合物電介質材料可以用于制作很低值的電容,其典型的層厚對應5pF/mm2 左右的單位電容值。中間值電容(單位電容值在 50~200pF/mm2之間)可以用具有良好射頻性能的等離子淀積氮化硅膜作層間介質,它具有很低的電容溫度系數( TCC )。電容密度在 500pF/mm2 以上的高值電容主要用于射頻去耦,可以用陽極氧化鋁或氧化鉭膜作層間介質。

必須特別注意的是,在設計這些集成無源 MIM 結構電容時,要確保極低的電極串聯電阻和最小的對地寄生電容。這些電容元件具有很小的固有寄生電感。這些元件的結構和工藝都須經過專門設計,以確保達到規定的擊穿電壓(通常保證最低50V的直流電壓)。

電感器

在通常的移動電話產品中,電感元件只占元件總數的不到10%,電感值在1~100nH范圍里,但是它們對總的射頻性能有很重要的影響。高品質因數的電感對于在振蕩器振蕩回路和低損耗的無源濾波和匹配電路中達到必要的低相位噪聲是極為重要的。通過使用多種襯底和導電材料,集成無源工藝能制造很緊湊的、具有高品質因數和高固有諧振頻率的電感元件,使得它們在尺寸、成本和性能等方面能與表面貼裝技術(SMT)使用的分立元件相抗衡。這些電感的性能也超過了用單片集成電路工藝制作的片上電感,因為半導體硅襯底的損耗限制了片上電感的性能。

集成無源工藝所達到的電感性能在很大程度上與導電材料在人們感興趣的頻率上的特性和這些元件的設計水平緊密相關。像銅或銀這樣的導電性極好的金屬損耗最低,但最終頻率性能受到趨膚深度效應的制約。為在給定的頻率上損耗最低,最佳的金屬厚度是趨膚深度的3~5 倍。這個經驗公式可以用來估計在一個集成無源電感工藝中達到低損耗的金屬層厚度。

典型的集成無源工藝可以制作單層和疊層螺旋線電感元件。疊層螺旋線電感元件具有更高的單位面積電感值,其倍數接近 n2, n 在這里是疊層螺旋線的層數。因此一個典型的2層金屬化工藝能集成電感值從 1nH到超過100nH的電感器,每個元件占用的面積不超過1.5mm2。通過仔細地優化電感設計和謹慎地選擇材料, 也能使電感值為1~20nH、固有諧振頻率為2.5~15GHz 的電感的品質因數達到40~70。

還應該注意到,表面貼裝技術中用的電感元件比他們的同伴——電阻和電容元件要昂貴得多。這促使在基于SMT的設計中盡可能少使用電感。在集成無源環境中不再存在這種情況,相反,采用電感器多的設計方案,其電路性能常常會更好。

多層金屬化

多層金屬化結構將集成無源電阻、電容和電感互相連接起來。金屬層的典型厚度是現在通常用在集成電路工藝中的金屬厚度的5~10 倍。因此, 通常使用5~15μm厚的層間聚合物電介質材料, 2~7μm厚的鋁或銅金屬層。這樣的層厚能制作低損耗電感器,而低介電常數的聚合物能用來制作30~80Ω阻抗的共平面或微帶傳輸線元件,其可以接受的線損耗與通常的10μm及其以上線寬的金屬條的情況相當。

一個典型的多層金屬化工藝能制作 2 或 3 層金屬,其底金屬層( M1 )通常充當接地層和MIM 電容器元件的下極板。上金屬層( M2 與 M3 )則用作傳輸線、互連線、電感器螺旋線和電容器上極板連線。

選擇聚合物電介質對集成無源工藝的工藝體系結構是關鍵的,對整個工藝的費用和性能也有著明顯的影響。在選擇夾層材料時,還要考慮聚合物電介質材料的其他特性,包括熱穩定性、吸潮性和彈性系數。表2是有代表性的制造商的已出版的數據。

襯底

襯底是制作集成薄膜無源元件的基礎。它對產品的成本、成品率和性能有很大的影響。集成無源工藝的襯底通常采用標準的氧化物隔離硅圓片、高電阻率硅圓片、玻璃圓片和原來為薄膜顯示器行業研制的LAP玻璃材料。圓片和LAP都利用了現有工藝設備能力和批量生產基礎設施的優點。

工藝集成

從選擇材料到把無源元件制作方法集成進一個工藝流程的過程與集成電路工藝開發的過程相類似。首先需要開發各個單項工藝,然后把它們集成起來,以驗證整套工藝與材料的兼容性,并且建立工藝設計規則。必須注意在確定工藝體系和選擇材料時要確保加負載時的穩定性、合適的電遷移和靜電放電性能、抗潮濕和腐蝕的能力、以及長期的微觀結構穩定性。

在一個集成無源工藝中,電阻和電容的精度是與層厚控制精度和特征尺寸精度密切相關的,它們隨著元件的絕對尺寸而變化。電感值實質上是由電感螺旋線的間距和匝數決定的。由于電感螺旋線的間距由光刻掩模決定,電感值會有小于1%的偏差。

集成無源模塊組裝

IPD網絡產品以芯片規模封裝( CSP )的形式組裝。單功能模塊和完整的射頻收發器子系統也可以通過將有源器件安裝并互連到集成無源襯底之上的方式來實現。在集成無源襯底上的粘片、壓焊和焊接壓點需要一個額外的可焊接和壓焊的涂層。有多種鎳金涂層通常用于這個目的。

人們可以使用導電膠粘片工藝將有源器件裝配到集成無源襯底上,然后使用壓焊或芯片倒裝焊工藝將它們互相連接。某些分離的有源器件(例如變容二極管)要求背面接觸,就只能采用壓焊組裝。

射頻 IC和其它的射頻器件大量采用芯片倒裝焊組裝技術,極好地利用了其重復性好和壓焊電感非常低的優點。

圓片級IPD的焊球粘附、測試、卷帶封裝,以及圓片級全模塊組裝和測試,也提高了集成無源技術的成本效益 (圖3)。

設計方法論和實例

穩健的設計流程對于保證IPD設計和模塊設計一次成功和將產品上市的時間減到最小都是極為重要的。對集成無源元件盡管能進行激光微調,但要做到像表面貼裝技術(SMT)那樣在板級更換元件、迭代設計卻是不可能的。幸運的是,人們一直在努力建立高精度的“ 參數化” 元件模型,以充分描述元件最重要的特性和有關的寄生參數。這樣的模型可以作為庫單元嵌入到工業標準射頻設計工具中,這些設計工具可以進行電路設計和電路圖的輸入、電路模擬、優化、物理設計以及布局和設計迭代。設計時還考慮到工藝容差。使用這種設計方法保證了很高的第一次成功率。

集成無源技術目前正被用于許多頻率在 900MHz 和 5.8GHz 之間的無線通信產品里的IPD器件和模塊的制作(圖4)。有人已經設計和演示了頻率高達50GHz的集成無源工藝。

結論

集成無源元件技術為射頻無源網絡、單功能模塊和收發器提供了一種成本效益高的功能密集的集成手段。多種多樣的電阻、電容和電感元件材料和設計方法為射頻子系統的模塊化和封裝內系統集成提供了實現的途徑。

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