系統(tǒng)集成中的高阻硅IPD技術

劉勇

摘 要： 集成無源器件（IPD）技術可以將分立的無源器件集成在襯底內部，提高器件Q值及系統(tǒng)集成度。由于高阻硅襯底具有良好的射頻特性，高阻硅IPD技術可以制備出Q值高達70以上的電感。高阻硅IPD基于薄膜技術具有高精度、高集成度等特點，可將無源器件特征尺寸縮小一個數(shù)量級。同時可利用成熟的硅工藝平臺，便于批量生產(chǎn)降低成本。此外，高阻硅IPD技術可與硅通孔（TSV）技術兼容，可實現(xiàn)三維疊層封裝。分析表明，高阻硅IPD技術在系統(tǒng)集成中具有廣泛應用前景。

關鍵詞： IPD； 系統(tǒng)集成； 高阻硅； 無源器件； 濾波器

中圖分類號： TN43?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）14?0128?04

High resistance silicon integrated passive device technology for system integration

LIU Yong

（No. 38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China）

Abstract： 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 magnitude. 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.

Keywords： IPD； system integration； high resistance silicon； passive device； filter

0 引 言

系統(tǒng)集成分為同種工藝集成和混合工藝集成。典型的同種工藝集成是采用單一工藝，如CMOS，形成的單片系統(tǒng)；混合工藝集成是將基于不同工藝的功能模塊集成在一個封裝之中，可形成包含模擬、數(shù)字等功能更為復雜的系統(tǒng)。后者可發(fā)揮各功能模塊不同工藝的優(yōu)勢，綜合提升系統(tǒng)性能，且適合三維集成技術，有利于提高模塊集成度[1?2]。

混合工藝系統(tǒng)集成中往往有很多分立無源器件，占用襯底面積，影響集成度。傳統(tǒng)的襯底只起到電互連作用，集成無源器件（Integrated Passive Device，IPD）技術則可以將無源器件集成到襯底內部，形成功能化襯底[3?4]。典型的電子產(chǎn)品中，PCB上30%～50%的焊點屬于無源器件，不僅占用面積，且降低了系統(tǒng)的可靠性。IPD可替代襯底上表貼分立元件，減小分立元件占用的面積、簡化表貼步驟、提高集成度，并避免表面焊接在射頻段帶來的寄生效應。以4.9～5.9 GHz頻率范圍為例，典型的CMOS IC芯片中電感Q值一般不超過10，利用高阻硅IPD技術能獲得Q值高達70以上的電感，可替代CMOS IC芯片中的低Q值電感，提高系統(tǒng)整體性能[5?6]。將IPD功能化襯底與有源器件封裝在一起，可進一步形成功能復雜的專用電子產(chǎn)品。

1 厚膜技術與薄膜技術

目前可用的IPD技術分為厚膜技術與薄膜技術。低溫共燒陶瓷（LTCC）是典型的厚膜IPD技術，廣泛運用在民用通信、軍用電子中，然而：陶瓷基板燒結時收縮嚴重，難以形成高精度埋置元件；厚膜印刷典型線寬在幾十μm，而且公差情況不佳，集成度有待提高；需要900 ℃左右的燒結溫度，有源器件如IC芯片無法埋置在基板內，難以實現(xiàn)有源元件和無源元件的混合集成[7]。

薄膜IPD技術，基于光刻、CVD沉積、磁控濺射等工藝，膜厚一般在1 μm以下，能提供優(yōu)良的器件精度和功能密度[8]?；诖?，可將無源器件尺寸縮小一個數(shù)量級。常用的襯底材料有硅、玻璃、神化嫁和藍寶石等。由于硅具有價格低、良好的熱導率、與IC制作工藝相兼容等優(yōu)點而被人們所喜愛，因此大量應用于IPD技術中[9]。硅常規(guī)工藝采用的襯底材料電阻率較低（1～10 Ω·cm），在微波頻段存在較大的介質損耗。近年來，隨著單晶硅制備工藝的進步，可以通過區(qū)熔法或外延工藝獲得高阻硅晶圓[10]。電阻率高于2 500 Ω·cm的高阻硅就可以滿足高頻微波信號的傳輸[11]。

2 高阻硅IPD技術

高阻硅IPD技術以高阻硅為襯底，采用薄膜技術制備嵌入式無源器件，使得襯底功能化。新加坡STATS ChipPAC公司提出的典型工藝流程如圖1所示：高阻硅襯底上熱氧化生成一層SiO2；沉積金屬層MCAP作為MIM電容的底電極，通?？梢赃x用Al金屬材料；沉積TaSi作為電阻材料；沉積Si3N4層作為MIM電容介質層；在M1金屬層上可以制備MIM電容的上電極、電阻兩端的引出觸點，以及平面螺旋電感；M1與M2之間采用聚酰亞胺無機材料作為絕緣隔離；M2金屬層通過鍍銅工藝實現(xiàn)，可用來形成高Q值電感；由M2引出UBM焊盤層。采用此種工藝加工出來的電阻、電容、電感集中在襯底上層10%部分。目前，基于高阻硅IPD技術，TaSi薄膜電阻可以達到100 kΩ，MIM電容值為0.2～100 pF，電感值[12]為0.1～10 nH。采用特殊設計時，如在M1和M2上制作雙層電感，可以增大電感值。

圖1 高阻硅IPD剖面圖

由電阻、電容、電感（RCL）構成的無源模塊包括功分器、巴倫、濾波器、耦合器、雙工器等。設計過程中，首先設計出以上無源模塊的集總參數(shù)模型，如將[λ4]Wilkinson微帶功分器通過式（1）、式（2）轉化成集總參數(shù)模型：

[ωC=1Z0tanθ2] （1）

[ωL=Z0sinθ] （2）

式中：Z0是功分支路特征阻抗；θ為[π2]，對應[π4]；ω為工作頻率。計算出對應集總L、C數(shù)值后，功分器等效LC原理圖如圖2所示[6]。

原理圖設計完成之后，根據(jù)原理圖中的RCL數(shù)值設計各自獨立的版圖，借助ADS、HFSS等微波軟件對版圖仿真分析，計算提取版圖模型的RCL值。RCL參數(shù)提取與LTCC版圖提取方式一樣，如采用經(jīng)典二端口網(wǎng)絡利用Y矩陣計算方法[13?14]。比較提取參數(shù)與原理圖參數(shù)的差別，修改版圖重新進行仿真計算，使得版圖提取參數(shù)逼近原理圖參數(shù)。RCL元件版圖設計過程中，需要結合工藝設計規(guī)則，如M1厚度一般為1 μm左右、MIM介質層Si3N4厚度一般為0.3 μm左右等。

圖2 Wilkinson功分器等效集總參數(shù)模型

完成RCL各自元件版圖設計之后，組合元件形成功分器、巴倫、濾波器等模塊版圖，進一步進行組合后模塊版圖三維仿真，分析仿真指標參數(shù)與設計參數(shù)的吻合度。由于RCL各元件之間存在電磁耦合效應，因此需要通過優(yōu)化設計得到最終符合指標要求的模塊版圖[15]。整個IPD模塊設計流程可表示為圖3。

圖3 IPD模塊設計流程

利用高阻硅IPD技術及上述設計方法，新加坡STATS ChipPAC公司設計了一系列無源模塊。包括802.11a頻段（4.9～5.9 GHz）功分器，信號輸入/輸出端采用金絲鍵合方式。功分器尺寸1.2 mm×1.0 mm，插入損耗0.61～0.74 dB，回波損耗約-17 dB，隔離度大于20 dB，如圖4所示[6]。該頻段內的Wilkinson微帶功分器特征尺寸[λ4]=14 mm，比高阻硅IPD功分器大一個數(shù)量級。由此可見，高阻硅IPD在滿足器件性能同時，能大大縮小器件尺寸。STATS ChipPAC公司還設計了基于高阻硅IPD技術的倒裝焊形式巴倫等集成無源器件[16]。

圖4 高阻硅IPD功分器

Intel公司設計的高阻硅基IPD濾波器，尺寸為1.55 mm×1.55 mm×0.25 mm，用來與基于LTCC和玻璃襯底的IPD技術進行比較，如圖5所示。LTCC模塊厚度大于500 μm，由于燒結收縮效應，往往需要二次修正；高阻硅IPD模塊厚度可薄至100 μm，且RCL精度可控制在5%以內。與玻璃襯底相比，高阻硅具有晶圓優(yōu)勢，便于利用現(xiàn)有硅工藝進行流水生產(chǎn)，具有良好應用前景[17]。

圖5 高阻硅IPD濾波器

3 基于高阻硅IPD的系統(tǒng)集成

IPD技術通過將無源器件潛入到襯底當中，以達到減小模塊封裝尺寸、提高集成度的目的。一方面，設計出的濾波器、巴倫等無源模塊可作為一個單獨器件使用，通過flip?chip或wire bond焊接到PCB上[18]；另一方面，可結合功能化襯底與有源器件以形成高集成度專用電子產(chǎn)品。

Sychip、APM等公司基于高阻硅IPD技術，設計制作出WiFi射頻模塊。模塊包括功能化硅襯底及襯底上的功率放大器、存儲器、WiFi芯片等，以APM產(chǎn)品為例，如圖6所示。模塊尺寸為5.7 mm×9 mm×0.925 mm，大部分無源器件嵌入在硅襯底內部，功放及其他有源器件以裸片或CSP形式通過金絲鍵合或球焊方式焊接在硅襯底上。

圖6 WiFi射頻前端模塊

整個WiFi射頻模塊以BGA方式通過28個直徑600 μm、間距900 μm的焊球，可與PCB板焊接[19]。一般地，IPD封裝模塊也可以通過QFN或金絲鍵合焊接到PCB基板上。典型的球焊寄生電感為0.02 nH，金絲鍵合寄生電感[6]為0.36 nH。該WiFi射頻模塊是典型的基于高阻硅IPD技術的集成系統(tǒng)。由于采用硅片作為襯底，高阻硅IPD技術與硅通孔（TSV）技術兼容，可以應用于三維集成系統(tǒng)封裝。

4 結 論

IPD技術可以將無源器件集成到襯底內部，提高系統(tǒng)集成度。同時，可以制作高Q值電感，適合替代CMOS芯片中低Q值電感。IPD無源器件既可以作為獨立器件使用，也可以在襯底上集成有源器件形成更為復雜功能模塊，滿足專用電子產(chǎn)品設計需求。與LTCC、玻璃及砷化鎵襯底IPD等技術相比，高阻硅IPD在具備高集成度的優(yōu)點同時，還具有晶圓平臺優(yōu)勢，便于利用現(xiàn)有工藝線進行大批量流片生產(chǎn)。高阻硅IPD技術采用硅襯底，可以結合硅通孔（TSV）技術，在三維集成封裝中具有重要應用前景。

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