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Dispositivos pasivos integrados

Este paquete de una sola línea contiene cuatro resistencias. Cada resistencia está conectada a los primeros cuatro pines respectivos, mientras que el último pin es común a todos ellos.

Los dispositivos pasivos integrados ( IPD ), también conocidos como componentes pasivos integrados ( IPC ) o componentes pasivos embebidos ( EPC ), son componentes electrónicos donde resistencias (R), capacitores (C), inductores (L)/bobinas/choques, microstriplines , elementos de adaptación de impedancia, baluns o cualquier combinación de ellos están integrados en el mismo paquete o en el mismo sustrato. A veces, los pasivos integrados también pueden denominarse pasivos embebidos, [1] [2] y aún así la diferencia entre pasivos integrados e embebidos no está clara técnicamente. [3] [4] En ambos casos, los pasivos se realizan entre capas dieléctricas o en el mismo sustrato.

Las primeras formas de dispositivos pasivos integrados son las redes de resistencias, condensadores, resistencias-condensadores (RC) o resistencia-condensador-bobina/inductor (RCL). Los transformadores pasivos también se pueden realizar como dispositivos pasivos integrados, por ejemplo, colocando dos bobinas una encima de la otra separadas por una fina capa dieléctrica. A veces, los diodos (PN, PIN, Zener, etc.) se pueden integrar en el mismo sustrato con pasivos integrados, especialmente si el sustrato es silicio o algún otro semiconductor como el arseniuro de galio (GaAs). [5] [6]

Descripción

Soluciones de chip SMT único para paso de banda, paso bajo, paso alto y otras combinaciones basadas en redes integradas LC, RC, etc. sobre un sustrato cerámico.
Pasivos integrados (resistencias y condensadores) sobre un sustrato de silicio de alta resistencia recubierto por una capa gruesa de dióxido de silicio.
CI activo volteado hacia abajo sobre el sustrato pasivo integrado, lo que permite la integración 2D
Ejemplo de balun IPD RF sobre sustrato de vidrio

Los dispositivos pasivos integrados pueden encapsularse en chips o matrices desnudas o incluso apilarse (ensamblarse sobre otra matriz desnuda o chip) en una tercera dimensión (3D) con circuitos integrados activos u otros dispositivos de protección integrados (IPD) en un conjunto de sistema electrónico. Los encapsulados típicos para los dispositivos pasivos integrados son SIL (Standard In Line), SIP o cualquier otro encapsulado (como DIL, DIP, QFN , encapsulado a escala de chip /CSP, encapsulado a nivel de oblea /WLP, etc.) utilizado en encapsulados electrónicos. Los dispositivos pasivos integrados también pueden actuar como sustrato de módulo y, por lo tanto, ser parte de un módulo híbrido , un módulo multichip o un módulo/implementación de chiplet. [7]

El sustrato para los IPD puede ser rígido, como cerámica (óxido de aluminio/alúmina), cerámica en capas ( cerámica cocida a baja temperatura /LTCC, cerámica cocida a alta temperatura/HTCC), [8] vidrio, [9] y silicio [10] [11] recubierto con alguna capa dieléctrica como dióxido de silicio. El sustrato también puede ser flexible, como un laminado, por ejemplo, un intercalador de paquete (llamado intercalador activo), FR4 o similar, Kapton o cualquier otra poliimida adecuada. Es beneficioso para el diseño del sistema electrónico si se puede ignorar o conocer el efecto del sustrato y el posible paquete en el rendimiento de los IPD.

La fabricación de los IPD utilizados incluye tecnologías de película gruesa [12] y delgada [13] [14] y una variedad de pasos de procesamiento de circuitos integrados o modificaciones (como metales más gruesos o diferentes al aluminio o al cobre) de ellos. Los pasivos integrados están disponibles como componentes/partes estándar o como dispositivos diseñados a medida (para una aplicación específica).

Aplicaciones

Los dispositivos pasivos integrados se utilizan principalmente como piezas estándar o se diseñan a medida debido a

Sin embargo, el desafío de los IPD personalizados en comparación con los pasivos integrados o discretos estándar es el tiempo de disponibilidad para el ensamblaje y, a veces, también el rendimiento. Dependiendo de la tecnología de fabricación de los pasivos integrados, puede resultar difícil cumplir con valores altos de capacitancia o resistencia con una tolerancia requerida. El valor Q de las bobinas/inductores también puede estar limitado por el espesor de los metales disponibles en la implementación. Sin embargo, los nuevos materiales y las técnicas de fabricación mejoradas, como la deposición de capas atómicas (ALD), y la comprensión de la fabricación y el control de aleaciones metálicas gruesas en sustratos grandes, mejoran la densidad de capacitancia y el valor Q de las bobinas/inductores. [16]

Por lo tanto, en la fase de creación de prototipos y producción de tamaño pequeño/mediano, las piezas/componentes pasivos estándar son en muchos casos la forma más rápida de realización. Se puede considerar el uso de componentes pasivos diseñados a medida después de un cuidadoso análisis técnico y económico en la fabricación en serie, si se pueden cumplir los objetivos de tiempo de comercialización y costo del producto o productos. Por lo tanto, los dispositivos pasivos integrados se enfrentan continuamente a desafíos técnicos y económicos debido a la disminución del tamaño, la mejora de las tolerancias, la mejora de la precisión de las técnicas de ensamblaje (como SMT, tecnología de montaje superficial ) de las placas base del sistema y el costo de los dispositivos pasivos discretos/separados. En el futuro, los pasivos discretos e integrados se complementarán técnicamente entre sí. El desarrollo y la comprensión de nuevos materiales y técnicas de ensamblaje son un facilitador clave para los dispositivos pasivos integrados y discretos.

Fabricación

IPD sobre un sustrato de silicio

Los IPD sobre un sustrato de silicio generalmente se fabrican utilizando tecnologías de fabricación de obleas estándar , como el procesamiento de película delgada y fotolitografía . Para evitar posibles efectos parásitos debido al silicio semiconductor, se suele utilizar un sustrato de silicio de alta resistividad para pasivos integrados. Los IPD sobre silicio se pueden diseñar como componentes montables en chip invertido o con conexión por cable . Sin embargo, para diferenciarse técnicamente de las tecnologías de circuitos integrados (CI) activos, las tecnologías IPD pueden utilizar un metal más grueso (para un valor Q más alto de los inductores) o capas resistivas diferentes (como SiCr), capas dieléctricas más delgadas o diferentes con una K más alta (constante dieléctrica más alta) (como PZT en lugar de dióxido de silicio o nitruro de silicio) para una mayor densidad de capacitancia que con las tecnologías de CI típicas.

Los IPD sobre silicio se pueden moler (si es necesario) a un espesor inferior a 100 μm y con muchas opciones de empaquetado (microgolpes, unión por cable, almohadillas de cobre) y opciones de modo de suministro (como obleas, matrices desnudas, cinta y carrete).

Dispositivo pasivo integrado versus dispositivos de montaje superficial discretos (SMD)

La integración pasiva 3D en silicio es una de las tecnologías utilizadas para fabricar dispositivos pasivos integrados (IPD), lo que permite implementar en silicio condensadores de trinchera de alta densidad, condensadores metal-aislante-metal (MIM), resistencias, inductores de alta Q, PIN, diodos Schottky o Zener. El tiempo de diseño de los IPD en silicio depende de la complejidad del diseño, pero se puede realizar utilizando las mismas herramientas de diseño y el mismo entorno que se utiliza para circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC) o circuitos integrados. Algunos proveedores de IPD ofrecen soporte completo para kits de diseño, de modo que los fabricantes de módulos de sistema en paquete (SiP) o las casas de sistemas puedan diseñar sus propios IPD que cumplan con los requisitos específicos de su aplicación.

Historia

En el diseño inicial de sistemas de control se descubrió que tener el mismo valor de componentes hace que el diseño sea más fácil y rápido. [17] Una forma de implementar componentes pasivos con el mismo valor o en la práctica con la distribución más pequeña posible es colocarlos en el mismo sustrato cerca uno del otro.

Las primeras formas de dispositivos pasivos integrados fueron las redes de resistencias en la década de 1960, cuando Vishay Intertechnology empaquetaba de cuatro a ocho resistencias en forma de paquete de una sola línea (SIP). Muchos otros tipos de paquetes, como DIL, DIP, etc., se utilizan para encapsular circuitos integrados; incluso se utilizan paquetes personalizados para dispositivos pasivos integrados. Las redes de resistencias, condensadores y resistencias-condensadores aún se utilizan ampliamente en los sistemas, a pesar de que la integración monolítica ha avanzado.

En la actualidad, los sistemas electrónicos portátiles incluyen aproximadamente entre 2 y 40 dispositivos pasivos discretos, circuitos integrados o módulos. [18] Esto demuestra que la integración monolítica o modular no es capaz de incluir toda la funcionalidad basada en componentes pasivos en las realizaciones del sistema, y ​​se necesita una variedad de tecnologías para minimizar la logística y el tamaño del sistema. Esta es el área de aplicación de los IPD. La mayoría de los pasivos en los sistemas electrónicos son, por número, condensadores, seguidos de una serie de resistencias e inductores/bobinas.

La tecnología de IPD permite realizar muchos bloques funcionales, como circuitos de adaptación de impedancia , filtros armónicos , acopladores y baluns , y divisores/combinadores de potencia. Los IPD se fabrican generalmente utilizando tecnologías de fabricación de películas y obleas delgadas y gruesas, como el procesamiento de fotolitografía o tecnologías cerámicas típicas (LTCC y HTCC). Los IPD se pueden diseñar como componentes montables en chip invertido o que se pueden unir por cable .

Las tendencias hacia aplicaciones de tamaño pequeño, portabilidad y conectividad inalámbrica han hecho que varias tecnologías de implementación puedan crear componentes pasivos. En 2021, había entre 25 y 30 empresas que ofrecían dispositivos pasivos integrados (incluidas redes pasivas simples y dispositivos pasivos en varios sustratos como vidrio, silicio y alúmina) en todo el mundo.

Véase también

Referencias

  1. ^ Lu, D.; Wong, CP (2017). Materials for Advanced Packaging, 2.ª edición . Springer, Capítulo 13. Págs. 537–588. ISBN 978-3-319-45098-8.
  2. ^ Ulrich, RK; Scharper, LW (2003). Tecnología de componentes pasivos integrados . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-24431-8.
  3. ^ Webster, JG (1999). Enciclopedia Wiley sobre ingeniería eléctrica y electrónica . John Wiley & Sons. ISBN 9780471346081.
  4. ^ Ulrich, RK; Scharper, LW (2003). Tecnología de componentes pasivos integrados . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-24431-8.
  5. ^ Lianjun Liu; Shun-Meen Kuo; Abrokwah, J.; Ray, M.; Maurer, D.; Miller, M. (2007). "Diseño y fabricación de filtros armónicos compactos utilizando tecnología IPD". IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies . 30 (4): 556–562. doi :10.1109/TCAPT.2007.901672. S2CID  47545933.
  6. ^ Kumar (2019). "Análisis de diseño de dispositivos balun integrados pasivos basados ​​en dispositivos con alta selectividad para aplicaciones móviles". IEEE Access . 7 : 23169–23176. doi : 10.1109/ACCESS.2019.2898513 . S2CID  71150524.
  7. ^ Kim, Jinwoo; Murali, Gauthaman; Parque, Heechun; Qin, Eric; Kwon, Hyoukjun; Caitanya, Venkata; Chekuri, Krishna; Dasari, Nihar; Singh, Arvind; Lee, Minah; Torun, Hakki Mert; Roy, Kallol; Swaminathan, Madhavan; Mukhopadhyay, Saibal; Krishna, Tushar; Lim, Sung Kyu (2019). "Flujo de codiseño de arquitectura, chips y paquetes para el diseño de circuitos integrados 2,5D que permite la reutilización de IP heterogénea". Actas de la 56.a Conferencia Anual de Automatización del Diseño 2019 . págs. 1–6. doi :10.1145/3316781.3317775. ISBN 9781450367257. Número de identificación del S2C:  163164689.
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