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
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
necesita reducir el número de piezas a ensamblar en un sistema electrónico, minimizando así la logística necesaria.
Es necesario miniaturizar (área y altura) la electrónica, por ejemplo, para uso médico (equipos de audífonos), wearables (relojes, anillos inteligentes, monitores de frecuencia cardíaca wearables) y portátiles (teléfonos móviles, tabletas, etc.). Las líneas de banda, los baluns, etc. se pueden miniaturizar con IPD con tolerancias más pequeñas en las partes de radiofrecuencia (RF) [15] del sistema, especialmente si se utiliza tecnología de película delgada. Los chips IPD se pueden apilar con chips pasivos integrados activos u otros si el objetivo es la miniaturización máxima.
diseños electrónicos que requieren numerosos pasivos con el mismo valor, como varios condensadores de un nanofaradio (1 nF). Esto puede suceder en implementaciones en las que se necesitan o utilizan circuitos integrados (CI) con un alto recuento de entrada/salida. Muchas señales de alta velocidad o líneas de suministro de energía pueden necesitar estabilización mediante condensadores. La aparición de implementaciones digitales conduce al uso de líneas paralelas digitales (4, 8, 16, 32, 64 bits, etc.) y la estabilización de todas las líneas de señal, lo que da como resultado islas de condensadores en la implementación. La miniaturización de estas puede dar como resultado el uso de redes de condensadores integrados o matrices de condensadores. También se pueden implementar como parte (integrados) de un paquete de circuito integrado como sustrato BGA o CSP (paquete a escala de chip) o intercalador de paquetes.
Diseños electrónicos que requieren numerosas funciones de supresión de interferencias electromagnéticas (EMI) o descargas electrostáticas (ESD), como diseños con conectores con un elevado número de pines de entrada/salida en las interfaces. La supresión de EMI o ESD normalmente se realiza con redes de diodos RC o R(C).
Limitaciones de rendimiento (como los factores Q de las bobinas) y valores (como valores de capacitancia elevados) de los elementos pasivos disponibles en tecnologías de circuitos integrados como CMOS integrados monolíticamente con elementos activos (transistores, etc.). Si es necesario minimizar el tamaño (área o espesor) o el peso del conjunto electrónico y no hay piezas estándar disponibles, los IPD personalizados pueden ser la única opción para lograr la menor cantidad de piezas y un tamaño o peso pequeños de los componentes electrónicos.
fiabilidad mejorada si es necesario minimizar las interfaces entre diferentes tecnologías (monolítica, empaquetado, electrónica y óptica/fotónica, conjuntos como tecnología de montaje superficial y circuitos integrados, etc.).
sincronización en algunas aplicaciones, si por ejemplo hay necesidades críticas de filtrado rápido y muy preciso (R(L)C, etc.) y la solución basada en piezas discretas SMD no es lo suficientemente rápida o no es lo suficientemente predecible.
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.
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).
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.
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.
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Enlaces externos
Pasivos Integrados en breve 2017
Tecnologías pasivas integradas
Pasivos integrados en SIP
Base de datos de fabricantes de pasivos de todo el mundo. Busque "red" para redes pasivas
Integración de componentes pasivos en multicapas de película delgada en FhG
Integración de Pasivos con Cerámica Laminar
Conferencia sobre dispositivos pasivos integrados y electrónica, 2012, HITEC
Fundición de dispositivos pasivos integrados ST
Dispositivos pasivos integrados para aplicaciones de RF
Tecnología IPD de STATS chipPAC Ltd.
Tecnología IPD del Grupo ASE
IPD de Analog Devices
IPD de On Semiconductor
Pasivos integrados en silicio de Murata, incluido IPDIA
Condensadores integrados en laminado intercalador de TDK
Pasivos integrados de Johanson Technology
Evaluación de la relación coste-eficacia de los pasivos integrados
Estudios de integración pasiva en Georgia Tech, EE.UU.
Ejemplo de análisis de costes de pasivos integrados/empotrados
Ejemplo de fabricación y rendimiento de condensadores integrados 3D
Tecnología de condensadores de alta densidad de Smoltek