作者：Gina Roos，電子產(chǎn)品總編

小型化是采用集成無源器件 (IPD) 的最大驅(qū)動力，它可以在各種終端產(chǎn)品中替代分立電容器、電阻器和電感器，尤其是智能手機等不斷縮小的消費設(shè)備。它們有多種口味——硅、玻璃、陶瓷，甚至砷化鎵 (GaAs)。由于晶圓工藝的固有優(yōu)勢，包括可重復(fù)性和嚴(yán)格的公差控制，基于硅的 IPD 已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，并且仍然是 IPD 的首選基板材料。

根據(jù) MarketsandMarkets 發(fā)布的一份新報告，IPD 市場正在快速增長，預(yù)計 2023 年將達(dá)到 15 億美元，高于 2018 年的 10 億美元，復(fù)合年增長率為 8.8%。Yole Développement (Yole) 表示，特別是薄膜或硅基 IPD 因其在間距、容差、柔韌性和封裝方面的更高性能而取得進(jìn)展，預(yù)計 IPD 市場將超過 10 億美元到 2022 年。

IPD 的主要應(yīng)用是靜電放電 (ESD) 和電磁干擾 (EMI)，它們具有完善的標(biāo)準(zhǔn)。然而，使用平衡不平衡轉(zhuǎn)換器、雙工器和濾波器的射頻前端模塊的 IPD 集成正在取得進(jìn)展，目標(biāo)是便攜式、無線和射頻應(yīng)用。射頻 IPD 市場中有不少廠商提供標(biāo)準(zhǔn)或定制設(shè)備。其中包括村田 IPDia、安森美半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體和 Qorvo。

RF IPD 的優(yōu)勢IPD 技術(shù)可用于各種 RF 設(shè)計——包括巴倫、耦合器、雙工器、濾波器、分路器和匹配網(wǎng)絡(luò)——將電容器、電阻器和電感器組合在一個封裝中。安森美半導(dǎo)體首席工程師兼 IPD 產(chǎn)品線經(jīng)理 Kim Eilert 表示，最大的需求驅(qū)動因素是尺寸、容差和性能。

安森美半導(dǎo)體在其基于硅的 High-Q 銅平臺上構(gòu)建定制射頻 IPD 。Eilert 的部分工作是幫助客戶設(shè)計 IPD 并確保他們在產(chǎn)品上取得成功，這就是為什么她會告訴您 RF IPD 不推薦用于 <500 MHz 的頻率。“IPD 中沒有足夠的金屬來獲得良好的損耗性能，除非它只是一個電容器或電阻器，”她說。“[在那個頻率下]使用另一種技術(shù)會更好。”

然而，她補充說，有些應(yīng)用程序是定制的。其中包括需要小型化、嚴(yán)格公差和更高性能的應(yīng)用。

Eilert 說，當(dāng)設(shè)計工程師開始設(shè)計系統(tǒng)時，他們通常會考慮多種技術(shù)，并且會考慮成本、尺寸、熱性能和組裝簡易性等因素。他們將考慮幾種技術(shù)并評估他們需要什么。

“當(dāng)人們決定使用 IPD 時——無論是在玻璃、陶瓷、硅還是 GaAs 上——一般來說，他們都受到輪廓高度以及 x 和 y 尺寸的驅(qū)動，”她補充道?！澳軌蚴?IPD 變薄以匹配有源 IC 的確切高度是一個優(yōu)勢，因為您可以縮小整個模塊的 z 高度?！?/p>

IPD 比離散解決方案小得多，x/y 尺寸的節(jié)省可能很大。“通過添加集成，您可以縮小組件所需的 x/y 占用空間，”Eilert 說。“有時，這不僅僅是‘錦上添花’，而是絕對的要求?！?/p>

另一個推動 IPD 設(shè)計的因素是容差?！叭绻鷨为氋徺I過濾器的每個組件，它們都有各自的容差，因此整個系統(tǒng)的容差比將其制造為單獨的芯片時更寬。”

“因為我們在這個 [IPD] 芯片上同時制造所有東西，例如，單個芯片上的所有電容器都將相互匹配。所以有性能優(yōu)勢。在更高的頻率下也有性能優(yōu)勢——同樣，因為它都是在具有良好 [亞微米] 尺寸控制的晶圓上制造的。”

寄生效應(yīng)是設(shè)計師面臨的另一個挑戰(zhàn)。“有時在更高的頻率下，安裝組件的不良寄生效應(yīng)確實會破壞設(shè)計的性能，”Eilert 說。“當(dāng)你將所有東西都集成到一個芯片中時，你就不再需要應(yīng)對安裝寄生效應(yīng)了?！?/p>

Eilert 的建議是始終要求提供示例芯片。在電感器的情況下，Q 或高質(zhì)量因數(shù)通常被認(rèn)為是一個關(guān)鍵指標(biāo)。她建議，獲取一個示例芯片并自己測量它?！巴ǔ＃S擁有這些信息并且可以提供，但設(shè)計人員在進(jìn)行這些比較時需要請求原始數(shù)據(jù)?！?/p>

她還要求設(shè)計人員考慮整體諧振器 Q，而不是查看單個組件并將電感器與電感器以及電容器與電容器進(jìn)行比較。

“當(dāng)我們設(shè)計諧振器時——在大多數(shù)情況下，濾波器設(shè)計人員就是這么做的——IPD 非常棒，因為您可以在電容器 (C) 旁邊集成一個電感器 (L)，”她說。“使用其他技術(shù)，可能會限制你獲得這兩個組件的距離。我建議他們比較整個系統(tǒng)——比較 LC 諧振器和 LC 諧振器。最終，這就是他們想要建立的?！?/p>

像大多數(shù)事情一樣，自定義 IPD 需要權(quán)衡取舍。上市時間和成本是最大的兩個。

“如果可以避免的話，我認(rèn)為人們寧愿不參與單獨的設(shè)計工作，”Eilert 說?！笆褂矛F(xiàn)成的組件有很多優(yōu)勢——它們很容易獲得，設(shè)備非常熟悉，而且從成本的角度來看，與開發(fā)定制芯片相比，它需要更少的時間和資源。因此，需要有規(guī)模驅(qū)動因素或性能驅(qū)動因素來引導(dǎo)人們進(jìn)行 IPD?！?/p>

需要性能的巨大機會由于晶圓工藝的可重復(fù)性和亞微米公差（高頻優(yōu)勢），大多數(shù)商業(yè)頻率（約 1 GHz 至 6 GHz）非常適合硅 IPD。

Eilert 說，許多客戶正在使用 1-GHz 至 2.5-GHz 范圍內(nèi)的射頻 IPD。IPD 也將非常適合 5G，它將達(dá)到 28 GHz——這對設(shè)計人員來說是一個挑戰(zhàn)。

“例如，如果你必須設(shè)計一個 20 GHz 的帶通濾波器，那么在可以非常精確地控制尺寸的晶圓技術(shù)上構(gòu)建它是有利的，”她說。“由于這是一個晶圓工藝，我們使用光刻來定義跡線。您可以擁有 5 微米寬的跡線，并且所有東西都帶有亞微米公差。”

硅的機械性能也是一個好處?！皩τ谀承?yīng)用，希望 IC 的機械膨脹特性與載體封裝相匹配，”Eilert 說。她補充說，對于硅 IPD，載體封裝將由硅制成，有源 IC 由硅制成，因此不存在機械失配。

設(shè)計人員還可以在需要精確的電容或電感值時使用 IPD?！澳憧梢再徺I現(xiàn)成的組件，但它們的價值范圍是固定的，”Eilert 說?！叭绻胍?4.7-pF 的電容，您現(xiàn)在可以購買各種規(guī)格的電容，但如果您想要像 4.85 pF 這樣高度定制的電容，并且需要嚴(yán)格的容差，那么 IPD 就是您的最佳選擇。 ”

安森美半導(dǎo)體提供示例芯片和功能齊全的設(shè)計套件，以幫助快速啟動項目并向客戶展示該技術(shù)可實現(xiàn)的目標(biāo)。

Eilert 說，設(shè)計師很少堅持基線設(shè)計?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)人們不想從目錄中購買；他們想為他們的應(yīng)用程序進(jìn)行定制。一般來說，對于 RF 來說確實如此，您從一個示例開始，然后自定義引腳排列，或者自定義性能或阻抗以匹配您的特定 IC。它具有性能優(yōu)勢，但確實需要設(shè)計努力?！?/p>

設(shè)計師可以使用 IPD 做很多事情。Eilert 說，她甚至讓一位客戶構(gòu)建了一個只有一個組件的 IPD，以獲得精確的電感值，而另一位客戶將整個 8 英寸硅晶片用于一個芯片作為一種中介層。

然而，安森美半導(dǎo)體有幾個設(shè)計示例，其中 IPD 節(jié)省了大量空間。在一個案例中，該公司為新的 5G New Radio n78 頻段構(gòu)建了一個低成本和低插入損耗的帶通濾波器，采用 1608 封裝（1.6 x 0.8 mm），集成了 20 個組件。

但是，還有其他半導(dǎo)體制造商提供現(xiàn)成的射頻 IPD。例如，意法半導(dǎo)體提供了一系列基于非導(dǎo)電玻璃基板技術(shù)的 IPD 的集成巴倫。這些是高度集成的匹配設(shè)備，由于采用 IPD 技術(shù)，可提供低信號損耗和低幅度和相位不平衡。

截至 2017 年底，ST 提供了 16 個集成巴倫，其封裝尺寸低至 0.8 mm 2 和回流后高 0.56 mm。這些器件專為 ST 的 sub-1-GHz 或藍(lán)牙低功耗 2.4-GHz 無線電以及其他制造商的各種收發(fā)器而設(shè)計。

ST 最新推出的 IPD 之一是為其 S2-LP 868-927MHz 低功耗無線電收發(fā)器匹配的巴倫，旨在節(jié)省物聯(lián)網(wǎng)傳感器、智能電表、警報器、遙控器、樓宇自動化和工業(yè)控制等產(chǎn)品的電路板空間.

ST 表示，3.26-mm 2 BALF-SPI2-01D3 集成了將天線連接到 S2-LP 無線電所需的所有阻抗匹配和濾波組件。該集成器件取代了由 16 個分立電容器和電感器組成的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)最多可占用 100 mm 2 的電路板空間，從而將占位面積減少 96% 以上。

“除了節(jié)省空間外，電路設(shè)計也大大簡化，無需選擇元件值或應(yīng)對嚴(yán)格的布局挑戰(zhàn)，”ST 表示?！鞍蛡愥槍?S2-LP 進(jìn)行了全面優(yōu)化，帶有經(jīng)過測試和驗證的放置和連接建議，可以直接復(fù)制以最大限度地提高射頻性能?！?/p>

隨著產(chǎn)品不斷縮小，預(yù)計對所有類型 IPD 的需求都會增長。

“隨著市場的尺寸驅(qū)動，尤其是智能手機，存在縮小尺寸的壓力；這不是可選的，”Eilert 說。“對于傳統(tǒng)解決方案，它們對于下一代產(chǎn)品來說太大了?！?br />
審核編輯 黃昊宇