Silizium-IPDs sparen Platz im Board, lösen Design-Herausforderungen

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Aufgrund der inhärenten Vorteile von Wafer-Prozessen, einschließlich der Wiederholbarkeit und engen Toleranzkontrolle, sind Silizium-basierte IPDs stark angewachsen und sind immer noch das Substratmaterial der Wahl für IPDs

Von Gina Roos, Chefredakteurin, Elektronische Produkte

Die Miniaturisierung ist der Hauptgrund für die Einführung von integrierten passiven Bauelementen (IPDs), die diskrete Kondensatoren, Widerstände und Induktivitäten in einer Vielzahl von Endprodukten ersetzen können, insbesondere bei immer kleiner werdenden Verbrauchergeräten wie Smartphones. Sie kommen in einer Vielzahl von Geschmacksrichtungen - auf Silizium, Glas, Keramik und sogar Galliumarsenid (GaAs). Aufgrund der inhärenten Vorteile von Wafer-Prozessen, einschließlich der Wiederholbarkeit und engen Toleranzkontrolle, sind Silizium-basierte IPDs stark angewachsen und sind immer noch das Substratmaterial der Wahl für IPDs.
Der IPD-Markt wächst schnell und wird Prognosen zufolge bis 2023 1, 5 Milliarden US-Dollar erreichen, verglichen mit 1, 0 Milliarden US-Dollar im Jahr 2018. Laut einem neuen Bericht von MarketsandMarkets wächst die jährliche Wachstumsrate bei 8, 8 Prozent. Insbesondere Dünnschicht- oder Silizium-basierte IPDs sind aufgrund ihrer höheren Leistung in den Bereichen Tonhöhe, Toleranz, Flexibilität und Packstücke in den Markt gekommen, so Yole Développement (Yole), die erwartet, dass der IPD-Markt 1 Milliarde US-Dollar übersteigen wird bis 2022.

Die wichtigsten Anwendungen für IPDs waren die elektrostatische Entladung (ESD) und die elektromagnetische Interferenz (EMI), die gut etablierte Standards haben. Die Integration von IPDs für RF-Front-End-Module, die Baluns, Diplexer und Filter verwenden, gewinnt jedoch an Bedeutung und zielt auf portable, drahtlose und HF-Anwendungen ab. Auf dem RF-IPD-Markt gibt es mehr als eine Handvoll Anbieter, die Standard- oder kundenspezifische Geräte anbieten. Dazu gehören Murata IPDia, ON Semiconductor, STMicroelectronics und Qorvo.


RF IPD Vorteile
Die IPD-Technologie kann in einer Vielzahl von HF-Designs verwendet werden - einschließlich Baluns, Kopplern, Diplexern, Filtern, Splittern und Anpassungsnetzwerken - die Kondensatoren, Widerstände und Induktivitäten in einem einzigen Gehäuse kombinieren. Die größten Nachfragetreiber sind Größe, Toleranz und Leistung, sagte Kim Eilert, Principal Engineer und IPD Product Line Manager bei ON Semiconductor.

ON Semiconductor baut kundenspezifische HF-IPDs auf seiner siliziumbasierten High-Q-Kupferplattform . Ein Teil von Eilerts Aufgabe ist es, den Kunden beim Entwurf von IPDs zu helfen und sicherzustellen, dass sie mit dem Produkt erfolgreich sind. Aus diesem Grund wird sie Ihnen sagen, dass RF IPDs nicht für Frequenzen <500 MHz empfohlen werden. "Es gibt einfach nicht genug Metall in einem IPD, um eine gute Verlustleistung zu erhalten, es sei denn, es ist nur ein Kondensator oder ein Widerstand", sagte sie. "Sie sind besser dran mit einer anderen Technologie (bei dieser Frequenz)."

Es gibt jedoch einige Anwendungen, in denen es bestellt wird, fügte sie hinzu. Dazu gehören Anwendungen, die Miniaturisierung, enge Toleranz und höhere Leistung erfordern.

Eilert sagte, dass Designingenieure, wenn sie mit dem Entwurf eines Systems beginnen, oft mehrere Technologien berücksichtigen und dabei auf Kosten, Größe, thermische Leistung und Montagefreundlichkeit achten. Sie werden mehrere Technologien in Betracht ziehen und bewerten, was sie benötigen.

"Wenn Leute sich entscheiden, IPDs zu verwenden - sei es auf Glas, Keramik, Silizium oder GaAs -, werden sie im Allgemeinen von der Profilhöhe und der x- und y-Größe beeinflusst", fügte sie hinzu. "Ein IPD zu verdünnen, um die genaue Höhe Ihrer aktiven ICs zu erreichen, ist ein Vorteil, weil Sie die Z-Höhe Ihres gesamten Moduls verkleinern können."

IPDs sind viel kleiner als diskrete Lösungen, und die Einsparungen bei x- / y-Größe können enorm sein. "Durch die Integration können Sie den von den Komponenten benötigten x / y-Footprint verkleinern", sagte Eilert. "Manchmal ist es nicht nur ein 'nice-to-have', es ist eine absolute Notwendigkeit."

Ein weiterer Faktor, der IPD-Designs beeinflusst, ist die Toleranz. "Wenn Sie jede Komponente Ihres Filters einzeln kaufen, haben sie alle individuelle Toleranzen, so dass das Gesamtsystem eine größere Toleranz hat als wenn Sie es als separaten Chip hergestellt haben."

"Weil wir auf diesem (IPD-) Chip alles zur gleichen Zeit machen, sind alle Kondensatoren auf diesem einzelnen Chip zum Beispiel gut aufeinander abgestimmt. Es gibt also einen Leistungsvorteil. Es gibt auch einen Leistungsvorteil bei höheren Frequenzen - wiederum aufgrund dessen, dass alles auf einem Wafer mit guter (Submikrometer) Dimensionssteuerung hergestellt wird. "

Parasitics ist eine weitere Herausforderung für Designer. "Manchmal können bei höheren Frequenzen die unerwünschten parasitären Eigenschaften der Montagekomponenten die Leistung des Designs beeinträchtigen", sagte Eilert. "Wenn man alles in einen Chip integriert hat, hat man nicht mehr die parasitären Einflüsse."

Eilert empfiehlt, immer einen Beispielchip anzufordern. Im Falle von Induktivitäten wird häufig Q oder ein hoher Qualitätsfaktor als eine Schlüsselmetrik angeführt. Holen Sie sich einen Beispielchip und messen Sie es selbst, rät sie. "Oft haben Gießereien diese Informationen und können sie bereitstellen, aber Designer müssen bei diesen Vergleichen Rohdaten anfordern."

Sie bittet Designer auch, den Gesamtresonator Q zu betrachten, anstatt einzelne Komponenten zu betrachten und Induktoren mit Induktoren und Kondensatoren mit Kondensatoren zu vergleichen.

"Wenn wir Resonatoren entwerfen - und das tun Filterdesigner meistens - ist eine IPD ideal, weil man eine Induktivität (L) direkt neben einem Kondensator (C) integriert haben kann", sagte sie. "Bei anderen Technologien kann es eine Einschränkung geben, wie nah Sie die beiden Komponenten erreichen können. Ich empfehle, dass sie das Gesamtsystem vergleichen - vergleichen Sie den LC-Resonator mit dem LC-Resonator. Letztendlich versuchen sie das zu bauen. "

Wie bei den meisten Dingen gibt es Kompromisse mit benutzerdefinierten IPDs. Time-to-Market und Kosten sind zwei der größten.

"Ich denke, die Leute ziehen es vor, keinen separaten Entwurf zu unternehmen, wenn sie es vermeiden können", sagte Eilert. "Es gibt Vorteile beim Einsatz von Komponenten von der Stange - sie sind leicht verfügbar, die Geräte sind sehr vertraut, und im Vergleich zur Entwicklung eines kundenspezifischen Chips benötigen sie aus Kostengründen weniger Zeit und Ressourcen. Es muss also Größentreiber oder Leistungstreiber geben, die Menschen dazu bringen, IPD zu betreiben. "

Große Möglichkeiten, wo Leistung benötigt wird
Dank der Wiederholbarkeit und der Submikrometertoleranzen - ein Vorteil bei hohen Frequenzen - von Waferprozessen sind die meisten kommerziellen Frequenzen (etwa 1 GHz bis 6 GHz) gut für Silizium-IPDs geeignet.

Viele Kunden nutzen RF-IPDs im 1-GHz- bis 2, 5-GHz-Bereich, sagte Eilert. IPDs werden auch gut für 5G geeignet sein, die bis zu 28 GHz reichen wird - und das ist eine Herausforderung für den Designer.

"Wenn Sie zum Beispiel einen Bandpassfilter bei 20 GHz entwerfen müssen, ist es vorteilhaft, sie auf einer Wafer-Technologie aufzubauen, bei der Sie eine sehr präzise Kontrolle über die Abmessungen haben", sagte sie. "Da es sich um einen Wafer-Prozess handelt, verwenden wir Lithografie, um die Spuren zu definieren. Sie können eine 5-Mikron-breite Spur haben und alles kommt mit Submikrometer-Toleranzen. "

Die mechanischen Eigenschaften des Siliziums sind ebenfalls von Vorteil. "Für einige Anwendungen ist es wünschenswert, dass die mechanischen Expansionseigenschaften der ICs mit dem Trägerpaket übereinstimmen", sagte Eilert. Bei Silizium-IPDs besteht das Trägerpaket aus Silizium und die aktiven ICs bestehen aus Silizium, so dass es keine mechanische Fehlanpassung gibt, fügte sie hinzu.

Entwickler können auch IPDs verwenden, wenn sie einen genauen Kondensator- oder Induktivitätswert benötigen. "Sie können Komponenten von der Stange kaufen, aber sie kommen in einem festen Wertebereich", sagte Eilert. "Wenn Sie eine 4, 7-pF-Kapazität haben möchten, können Sie sie jetzt in einer Vielzahl von Formfaktoren kaufen, aber wenn Sie etwas sehr Individuelles wie 4, 85 pF wollen und eine enge Toleranz benötigen, dann ist ein IPD der Weg dorthin. "

ON Semiconductor bietet Beispiel-Chips und voll ausgestattete Design-Kits, um Projekte zu starten und Kunden zu zeigen, was mit der Technologie möglich ist.

Designer bleiben selten beim Grundlinienentwurf, sagte Eilert. "Was wir finden, ist, dass die Leute nicht aus einem Katalog kaufen wollen; Sie möchten für ihre Anwendung anpassen. Dies gilt im Allgemeinen für RF, wo Sie mit einem Beispiel beginnen und dann die Pinouts anpassen oder die Leistung oder die Impedanz an Ihren spezifischen IC anpassen. Es hat einen Leistungsvorteil, aber es erfordert Designaufwand. "

Es gibt eine Vielzahl von Dingen, die Designer mit IPDs machen können. Eilert sagte, dass sie sogar einen Kunden einen IPD mit nur einer Komponente bauen ließ, um einen genauen Induktivitätswert zu erhalten, und ein anderer Kunde verwendete den gesamten 8-Zoll-Siliziumwafer für einen Chip als eine Art Interposer.

ON Semiconductor verfügt jedoch über mehrere Designbeispiele, in denen die IPDs erheblich Platz gespart haben. In einem Fall baute das Unternehmen einen kostengünstigen und verlustarmen Bandpassfilter für das neue 5G New Radio n78-Band, das in einem 1608-Gehäuse (1, 6 x 0, 8 mm) untergebracht ist, das 20 Komponenten integriert.

Es gibt jedoch andere Halbleiterhersteller, die RF-IPDs von der Stange anbieten. Zum Beispiel bietet STMicroelectronics eine Familie von integrierten Baluns an, die auf seiner IPD auf nichtleitender Glassubstrattechnologie basieren. Hierbei handelt es sich um hochintegrierte Abgleichgeräte, die dank der IPD-Technologie geringe Signalverluste bei geringen Amplituden- und Phasenungleichgewichten bieten.
Ab Ende 2017 bot ST nach dem Reflow 16 integrierte Baluns in Packungsgrößen bis 0, 8 mm 2 und 0, 56 mm Höhe an. Diese Geräte sind für ST-Sub-1-GHz- oder Bluetooth-Low-Energy-2, 4-GHz-Funkgeräte sowie eine Vielzahl von Transceivern anderer Hersteller konzipiert.
Einer der jüngsten IPD-Markteinführungen von ST ist ein passender Balun für seinen Low-Power-Funk-Transceiver S2-LP 868-927 MHz, der Platinenplatz in Produkten wie IoT-Sensoren, Smart Meter, Alarmanlagen, Fernbedienungen, Gebäudeautomation und industriellen Steuerungen spart .
ST sagte, dass die 3, 26-mm 2 BALF-SPI2-01D3 alle Impedanzanpassungs- und Filterkomponenten integriert, die benötigt werden, um eine Antenne mit dem S2-LP-Radio zu verbinden. Das integrierte Bauelement ersetzt ein herkömmliches Netzwerk von 16 diskreten Kondensatoren und Induktivitäten, die bis zu 100 mm 2 Leiterplattenfläche einnehmen können, was zu einer Reduzierung des Platzbedarfs von mehr als 96% führt.
"Neben dem Platzsparen wird das Schaltungsdesign erheblich vereinfacht, ohne dass Komponentenwerte ausgewählt oder anspruchsvolle Layout-Herausforderungen bewältigt werden müssen", sagt ST. "Das Balun wurde vollständig für den S2-LP optimiert und verfügt über Plazierungs- und Verbindungsempfehlungen, die getestet und verifiziert wurden und direkt repliziert werden können, um die HF-Leistung zu maximieren."
Da die Produkte weiter schrumpfen, dürfte die Nachfrage nach allen Arten von IPDs steigen.
"Bei den Größentreibern auf dem Markt, insbesondere bei Smartphones, besteht ein Druck, die Größe zu reduzieren; es ist nicht optional ", sagte Eilert. "Mit herkömmlichen Lösungen sind sie zu groß für Produkte der nächsten Generation."

Von Gina Roos