系统集成中的高阻硅IPD技术

系统集成中的高阻硅IPD技术

刘勇

【摘 要】Integrated passive device(IPD)technology can integrate discrete

passive devices into a substrate,and improve the Q factor and system

integration level. The inductor whose Q factor is up to 70 can be prepared

by high resistance silicon IPD (HRS-IPD) technology because the HRS

substrate has a good RF property. HRS-IPD based on thin film technology

has the characteristics of high precision and high integration;meanwhile,by

which the feature size can be reduced by one order of mag-nitude. Batch

fabrication with lower cost can be realized with the mature silicon

technology. Furthermore,HRS-IPD technology can be combined with

through silicon via(TSV)technology to realize 3D system packaging. The

analyses indicate that the HRS-IPD technology has a good application

prospect in system integration.%集成无源器件（IPD）技术可以将分立的无源

器件集成在衬底内部，提高器件Q值及系统集成度。由于高阻硅衬底具有良好的

射频特性，高阻硅IPD技术可以制备出Q值高达70以上的电感。高阻硅IPD基

于薄膜技术具有高精度、高集成度等特点，可将无源器件特征尺寸缩小一个数量级。

同时可利用成熟的硅工艺平台，便于批量生产降低成本。此外，高阻硅IPD技术

可与硅通孔（TSV）技术兼容，可实现三维叠层封装。分析表明，高阻硅IPD技术

在系统集成中具有广泛应用前景。

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2014(000)014

【总页数】4页(P128-131)

【关键词】IPD;系统集成;高阻硅;无源器件;滤波器

【作 者】刘勇

【作者单位】中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088

【正文语种】中 文

【中图分类】TN43-34

0 引言

系统集成分为同种工艺集成和混合工艺集成。典型的同种工艺集成是采用单一工艺，

如CMOS，形成的单片系统；混合工艺集成是将基于不同工艺的功能模块集成在

一个封装之中，可形成包含模拟、数字等功能更为复杂的系统。后者可发挥各功能

模块不同工艺的优势，综合提升系统性能，且适合三维集成技术，有利于提高模块

集成度[1⁃2]。

混合工艺系统集成中往往有很多分立无源器件，占用衬底面积，影响集成度。传统

的衬底只起到电互连作用，集成无源器件（Integrated Passive Device，IPD）技

术则可以将无源器件集成到衬底内部，形成功能化衬底[3⁃4]。典型的电子产品中，

PCB上30%～50%的焊点属于无源器件，不仅占用面积，且降低了系统的可靠性。

IPD可替代衬底上表贴分立元件，减小分立元件占用的面积、简化表贴步骤、提高

集成度，并避免表面焊接在射频段带来的寄生效应。以4.9～5.9 GHz频率范围为

例，典型的CMOS IC芯片中电感Q值一般不超过10，利用高阻硅IPD技术能获

得Q值高达70以上的电感，可替代CMOS IC芯片中的低Q值电感，提高系统

整体性能[5⁃6]。将IPD功能化衬底与有源器件封装在一起，可进一步形成功能复

杂的专用电子产品。

1 厚膜技术与薄膜技术

目前可用的IPD技术分为厚膜技术与薄膜技术。低温共烧陶瓷（LTCC）是典型的

厚膜IPD技术，广泛运用在民用通信、军用电子中，然而：陶瓷基板烧结时收缩

严重，难以形成高精度埋置元件；厚膜印刷典型线宽在几十μm，而且公差情况不

佳，集成度有待提高；需要900℃左右的烧结温度，有源器件如IC芯片无法埋置

在基板内，难以实现有源元件和无源元件的混合集成[7]。

薄膜IPD技术，基于光刻、CVD沉积、磁控溅射等工艺，膜厚一般在1 μm以下，

能提供优良的器件精度和功能密度[8]。基于此，可将无源器件尺寸缩小一个数量

级。常用的衬底材料有硅、玻璃、神化嫁和蓝宝石等。由于硅具有价格低、良好的

热导率、与IC制作工艺相兼容等优点而被人们所喜爱，因此大量应用于IPD技术

中[9]。硅常规工艺采用的衬底材料电阻率较低（1～10 Ω·cm），在微波频段存在

较大的介质损耗。近年来，随着单晶硅制备工艺的进步，可以通过区熔法或外延工

艺获得高阻硅晶圆[10]。电阻率高于2 500 Ω·cm的高阻硅就可以满足高频微波信

号的传输[11]。

2 高阻硅IPD技术

高阻硅IPD技术以高阻硅为衬底，采用薄膜技术制备嵌入式无源器件，使得衬底

功能化。新加坡STATS ChipPAC公司提出的典型工艺流程如图1所示：高阻硅

衬底上热氧化生成一层SiO2；沉积金属层MCAP作为MIM电容的底电极，通常

可以选用Al金属材料；沉积TaSi作为电阻材料；沉积Si3N4层作为MIM电容

介质层；在M1金属层上可以制备MIM电容的上电极、电阻两端的引出触点，以

及平面螺旋电感；M1与M2之间采用聚酰亚胺无机材料作为绝缘隔离；M2金属

层通过镀铜工艺实现，可用来形成高Q值电感；由M2引出UBM焊盘层。采用

此种工艺加工出来的电阻、电容、电感集中在衬底上层10%部分。目前，基于高

阻硅IPD技术，TaSi薄膜电阻可以达到100 kΩ，MIM电容值为0.2～100 pF，

电感值[12]为0.1～10 nH。采用特殊设计时，如在M1和M2上制作双层电感，

可以增大电感值。

图1 高阻硅IPD剖面图

由电阻、电容、电感（RCL）构成的无源模块包括功分器、巴伦、滤波器、耦合器、

双工器等。设计过程中，首先设计出以上无源模块的集总参数模型，如将

Wilkinson微带功分器通过式（1）、式（2）转化成集总参数模型：

式中：Z0是功分支路特征阻抗；θ为，对应；ω为工作频率。计算出对应集总L、

C数值后，功分器等效LC原理图如图2所示[6]。

原理图设计完成之后，根据原理图中的RCL数值设计各自独立的版图，借助ADS、

HFSS等微波软件对版图仿真分析，计算提取版图模型的RCL值。RCL参数提取

与LTCC版图提取方式一样，如采用经典二端口网络利用Y矩阵计算方法[13⁃14]。

比较提取参数与原理图参数的差别，修改版图重新进行仿真计算，使得版图提取参

数逼近原理图参数。RCL元件版图设计过程中，需要结合工艺设计规则，如M1

厚度一般为1 μm左右、MIM介质层Si3N4厚度一般为0.3 μm左右等。

图2 Wilkinson功分器等效集总参数模型

完成RCL各自元件版图设计之后，组合元件形成功分器、巴伦、滤波器等模块版

图，进一步进行组合后模块版图三维仿真，分析仿真指标参数与设计参数的吻合度。

由于RCL各元件之间存在电磁耦合效应，因此需要通过优化设计得到最终符合指

标要求的模块版图[15]。整个IPD模块设计流程可表示为图3。

图3 IPD模块设计流程

利用高阻硅IPD技术及上述设计方法，新加坡STATS ChipPAC公司设计了一系

列无源模块。包括802.11a频段（4.9～5.9 GHz）功分器，信号输入/输出端采用

金丝键合方式。功分器尺寸1.2 mm×1.0 mm，插入损耗0.61～0.74 dB，回波损

耗约-17 dB，隔离度大于20 dB，如图4所示[6]。该频段内的Wilkinson微带功

分器特征尺寸=14 mm，比高阻硅IPD功分器大一个数量级。由此可见，高阻硅

IPD在满足器件性能同时，能大大缩小器件尺寸。STATS ChipPAC公司还设计了

基于高阻硅IPD技术的倒装焊形式巴伦等集成无源器件[16]。

图4 高阻硅IPD功分器

Intel公司设计的高阻硅基IPD滤波器，尺寸为1.55 mm×1.55 mm×0.25 mm，

用来与基于LTCC和玻璃衬底的IPD技术进行比较，如图5所示。LTCC模块厚度

大于500 μm，由于烧结收缩效应，往往需要二次修正；高阻硅IPD模块厚度可

薄至100 μm，且RCL精度可控制在5%以内。与玻璃衬底相比，高阻硅具有晶圆

优势，便于利用现有硅工艺进行流水生产，具有良好应用前景[17]。

图5 高阻硅IPD滤波器

3 基于高阻硅IPD的系统集成

IPD技术通过将无源器件潜入到衬底当中，以达到减小模块封装尺寸、提高集成度

的目的。一方面，设计出的滤波器、巴伦等无源模块可作为一个单独器件使用，通

过flip⁃chip或wire bond焊接到PCB上[18]；另一方面，可结合功能化衬底与

有源器件以形成高集成度专用电子产品。

Sychip、APM等公司基于高阻硅IPD技术，设计制作出WiFi射频模块。模块包

括功能化硅衬底及衬底上的功率放大器、存储器、WiFi芯片等，以APM产品为

例，如图6所示。模块尺寸为5.7 mm×9 mm×0.925 mm，大部分无源器件嵌入

在硅衬底内部，功放及其他有源器件以裸片或CSP形式通过金丝键合或球焊方式

焊接在硅衬底上。

图6 WiFi射频前端模块

整个WiFi射频模块以BGA方式通过28个直径600 μm、间距900 μm的焊球，

可与PCB板焊接[19]。一般地，IPD封装模块也可以通过QFN或金丝键合焊接到

PCB基板上。典型的球焊寄生电感为0.02 nH，金丝键合寄生电感[6]为0.36 nH。

该WiFi射频模块是典型的基于高阻硅IPD技术的集成系统。由于采用硅片作为衬

底，高阻硅IPD技术与硅通孔（TSV）技术兼容，可以应用于三维集成系统封装。

4 结论

IPD技术可以将无源器件集成到衬底内部，提高系统集成度。同时，可以制作高Q

值电感，适合替代CMOS芯片中低Q值电感。IPD无源器件既可以作为独立器件

使用，也可以在衬底上集成有源器件形成更为复杂功能模块，满足专用电子产品设

计需求。与LTCC、玻璃及砷化镓衬底IPD等技术相比，高阻硅IPD在具备高集

成度的优点同时，还具有晶圆平台优势，便于利用现有工艺线进行大批量流片生产。

高阻硅IPD技术采用硅衬底，可以结合硅通孔（TSV）技术，在三维集成封装中具

有重要应用前景。

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