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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 integrados ( EPC ), son componentes electrónicos donde se encuentran resistencias (R), condensadores (C), inductores (L)/bobinas/estranguladores, microstriplines , impedancia. Elementos a juego, baluns o cualquier combinación de ellos se integran en el mismo paquete o sobre el mismo sustrato. A veces, los pasivos integrados también pueden denominarse pasivos integrados, [1] [2] y aún así la diferencia entre pasivos integrados e integrados no está técnicamente clara. [3] [4] En ambos casos los pasivos se realizan entre capas dieléctricas o sobre el mismo sustrato.

La forma más antigua de IPD son redes de resistencia, condensador, resistencia-condensador (RC) o resistencia-condensador-bobina/inductor (RCL). Los transformadores pasivos también se pueden realizar como dispositivos pasivos integrados, como colocar 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, específicamente si el sustrato es silicio o algún otro semiconductor como arseniuro de galio (GaAs). [5] [6]

Descripción

IPD (IPC) 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 sustrato de silicio de alta resistividad recubierto por dióxido de silicio espeso
IC activo volteado boca 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 se pueden empaquetar , matrices o chips desnudos o incluso apilarse (ensamblados sobre algún otro troquel o chip desnudo) en una tercera dimensión (3D) con circuitos integrados activos u otros IPD en un conjunto de sistema electrónico. Los paquetes típicos para pasivos integrados son SIL (Standard In Line), SIP o cualquier otro paquete (como DIL, DIP, QFN , paquete de escala de chip /CSP, paquete de nivel de oblea /WLP, etc.) utilizados en paquetes electrónicos. Los pasivos integrados también pueden actuar como sustrato de módulo y, por lo tanto, ser parte de un módulo híbrido , módulo multichip o 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 paquetes (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 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 que el aluminio o el cobre) de ellos. Los pasivos integrados están disponibles como componentes/piezas estándar o como dispositivos diseñados a medida (para una aplicación específica).

Aplicaciones

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

Sin embargo, el desafío de los IPD personalizados en comparación con los pasivos estándar integrados o discretos 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 podría 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. [dieciséis]

Por lo tanto, en la fase de creación de prototipos y de producción de tamaño pequeño y mediano, las piezas estándar/pasivos son en muchos casos el camino más rápido hacia la realización. Se puede considerar el uso de pasivos diseñados a medida después de un cuidadoso análisis técnico y económico en la fabricación en volumen, si se pueden cumplir los objetivos de tiempo de comercialización y costos de los productos. Por lo tanto, los dispositivos pasivos integrados enfrentan continuamente desafíos técnicos y económicos al reducir el tamaño, mejorar las tolerancias, mejorar 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. El desarrollo y la comprensión de nuevos materiales y técnicas de ensamblaje son un factor clave para dispositivos pasivos tanto integrados como discretos.

Fabricación

IPD sobre un sustrato de silicio

Los IPD sobre un sustrato de silicio generalmente se fabrican utilizando tecnologías estándar de fabricación de obleas , como el procesamiento de película delgada y fotolitografía . Para evitar posibles efectos parásitos debidos al silicio semiconductor, se suele utilizar un sustrato de silicio de alta resistencia para pasivos integrados. Los IPD de silicio se pueden diseñar como componentes que se pueden montar en un chip invertido o que se pueden unir mediante cables . Sin embargo, para diferenciarse técnicamente de las tecnologías de circuitos integrados (IC) activos, las tecnologías IPD pueden utilizar metales más gruesos (para un mayor valor Q de los inductores) o diferentes capas resistivas (como SiCr), capas dieléctricas más delgadas o diferentes de mayor K (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 IC típicas.

Los IPD de silicio se pueden rectificar, si es necesario, por debajo de 100 μm de espesor y con muchas opciones de empaque (micro-bumping, unión de cables, almohadillas de cobre) y opciones de modo de entrega (como obleas, troqueles desnudos, cinta y carrete).

Dispositivo pasivo integrado versus dispositivos discretos de montaje en superficie (SMD)

La integración pasiva 3D en silicio es una de las tecnologías utilizadas para fabricar dispositivos pasivos integrados (IPD), que permiten condensadores de trinchera de alta densidad, condensadores de metal-aislante-metal (MIM), resistencias, inductores de alta calidad, PIN, diodos Schottky o Zener. para ser implementado en silicio. 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 los circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC) o los circuitos integrados. Algunos proveedores de IPD ofrecen soporte completo para kits de diseño para que los fabricantes de módulos de sistema en paquete (SiP) o los proveedores de sistemas puedan diseñar sus propios IPD que cumplan con los requisitos de su aplicación específica.

Historia

En los primeros diseños de sistemas de control se descubrió que tener componentes del mismo valor 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.

La primera forma de dispositivos pasivos integrados fueron las redes de resistencias en la década de 1960, cuando Vishay Intertechnology empaquetó de cuatro a ocho resistencias en forma de paquete único en línea (SIP). Muchos otros tipos de paquetes, como DIL, DIP, etc., se utilizan para empaquetar circuitos integrados, incluso se utilizan paquetes personalizados para dispositivos pasivos integrados. Las redes de resistencias, condensadores y condensadores de resistencia todavía se utilizan ampliamente en los sistemas a pesar de que la integración monolítica ha progresado.

Hoy en día, los sistemas electrónicos portátiles incluyen aproximadamente entre 2 y 40 dispositivos pasivos discretos/circuito o módulo integrado. [18] Esto muestra que la integración monolítica o de módulos no es capaz de incluir todas las funciones basadas 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, en número, de los pasivos en los sistemas electrónicos suelen ser condensadores, seguidos por el número de resistencias e inductores/bobinas.

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

Las tendencias hacia aplicaciones de pequeño tamaño, portabilidad y conectividad inalámbrica han ampliado diversas tecnologías de implementación para poder realizar componentes pasivos. En 2021, había entre 25 y 30 empresas que ofrecían dispositivos pasivos integrados (incluidas redes pasivas simples y pasivos sobre diversos sustratos como vidrio, silicio y alúmina) en todo el mundo.

Ver también

Referencias

  1. ^ Lu, D.; Wong, CP (2017). Materiales para embalaje avanzado, 2ª edición . Springer, Capítulo 13, págs. 537–588. ISBN 978-3-319-45098-8.
  2. ^ Ulrich, RK; Scharper, LW (2003). Tecnología integrada de componentes pasivos . John Wiley e hijos. ISBN 978-0-471-24431-8.
  3. ^ Webster, JG (1999). Enciclopedia Wiley sobre ingeniería eléctrica y electrónica . John Wiley e hijos. ISBN 9780471346081.
  4. ^ Ulrich, RK; Scharper, LW (2003). Tecnología integrada de componentes pasivos . John Wiley e hijos. ISBN 978-0-471-24431-8.
  5. ^ Lianjun Liu; Shun-Meen Kuo; Abrokwah, J.; Rayo, M.; Maurer, D.; Molinero, M. (2007). "Diseño y fabricación de filtros armónicos compactos utilizando tecnología IPD". Transacciones IEEE sobre componentes y tecnologías de embalaje . 30 (4): 556–562. doi :10.1109/TCAPT.2007.901672. S2CID  47545933.
  6. ^ Kumar (2019). "Análisis de diseño de dispositivos Balun integrados basados ​​en dispositivos pasivos con alta selectividad para aplicaciones móviles". Acceso IEEE . 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. S2CID  163164689.
  8. ^ Bechtold, F. (2009). "Una descripción completa de las tecnologías actuales de sustratos cerámicos". Conferencia europea de embalaje y microelectrónica IEEE : 1–12.
  9. ^ Qian, Libo; Sang, Jifei; Xia, Yinshui; Wang, Jian; Zhao, Peiyi (2018). "Investigando a través del vidrio mediante pasivos de RF basados ​​en para la integración 3-D". Revista IEEE de la Sociedad de Dispositivos Electrónicos . 6 : 755–759. doi : 10.1109/JEDS.2018.2849393 . S2CID  49652092.
  10. ^ Moreau, Stéphane; Bouchu, David; Balan, Viorel; Berrigo, Anne-Lise Le; Jouve, Amandine; Henrion, Yann; Besset, Carine; Escevola, Daniel; Lhostis, Sandrine; Guyader, Francois; Deloffre, Emilie; Mermoz, Sébastien; Pruvost, Julien (2016). "Fallo inducido por el transporte masivo de la integración basada en enlaces híbridos para aplicaciones avanzadas de sensores de imagen". 2016 IEEE 66ª Conferencia de Tecnología y Componentes Electrónicos (ECTC) . págs. 1958-1963. doi :10.1109/ECTC.2016.27. ISBN 978-1-5090-1204-6. S2CID  9462501.
  11. ^ Lee, Yongtaek; Liu, Kai; freír, Robert; Kim, Hyuntai; Kim, Gwang; Ah, Billy (2010). "Diseño de filtro de paso bajo de alto rechazo que utiliza tecnología de dispositivo pasivo integrado para el paquete de módulo Chip-Scale". Actas de 2010 60.ª Conferencia sobre tecnología y componentes electrónicos (ECTC) . págs. 2025-2030. doi :10.1109/ECTC.2010.5490664. ISBN 978-1-4244-6410-4. S2CID  20275178.
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  13. ^ Díez-Sierra, Javier; Martínez, Alazne; Etxarri, Ion; Quintana, Ibán (2022). "Conductores recubiertos totalmente químicos YBa2Cu3O7- $\delta$ con nanocristales preformados de BaHfO3 y BaZrO3 sobre sustrato técnico de Ni5W a escala industrial". Ciencia de superficies aplicada . 606 : 154844. doi : 10.1016/j.apsusc.2022.154844. hdl :1854/LU-8719549.
  14. ^ Pohjonen, H.; Pienimaa, S. (1999). "Pasivos de película fina en miniaturización de electrónica celular". XIX Simposio de Tecnología de Condensadores y Resistencias (CARTS) . págs. 180-185.
  15. ^ Liu, Kai; Lee, Yongtaek; Kim, Hyuntai; Kim, Gwang; freír, Robert; Pwint, Hlaing Ma Phoo; Ah, Billy (2010). "Efectos del espesor del troquel en conjuntos de troqueles y pilas de módulos frontales de RF". Actas de 2010 60.ª Conferencia sobre tecnología y componentes electrónicos (ECTC) . págs. 1556-1561. doi :10.1109/ECTC.2010.5490785. ISBN 978-1-4244-6410-4. S2CID  31395990.
  16. ^ Bylund, María; Andersson, Rickard; Krause, Sascha; Saleem, Amin M.; Marknas, Víctor; Passalacqua, Elisa; Kabir, M Shafiq; Desmaris, Vicente (2020). "Robustez de los condensadores MIM basados ​​en nanofibras de carbono con densidad de capacitancia ultra alta frente al estrés eléctrico y térmico". 2020 IEEE 70.a Conferencia de Tecnología y Componentes Electrónicos (ECTC) . págs. 2139-2144. doi :10.1109/ECTC32862.2020.00332. ISBN 978-1-7281-6180-8. S2CID  221086087.
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  18. ^ Martín, N.; Pohjonen, H. (2006). "Módulos de sistema en paquete (SiP) para multiradio inalámbrico". 56º Congreso de Tecnología y Componentes Electrónicos 2006 . págs. 1347-1351. doi :10.1109/ECTC.2006.1645831. ISBN 1-4244-0152-6. S2CID  29492116.

enlaces externos