用于集成無源器件的工藝技術(shù)

    當(dāng)今便攜式無線產(chǎn)品里使用的大多數(shù)器件是無源元件。如果把這些無源元件集成到一個襯底或一個獨(dú)立的器件上將能明顯地提高產(chǎn)品性能、降低成本和減小尺寸。制造集成無源元件的材料和工藝有許多種，在這里對它們進(jìn)行了比較。

    最新的便攜式移動電話、計算機(jī)和Internet應(yīng)用要求產(chǎn)品有更強(qiáng)的功能、更好的性能和更低的價錢，同時要求體積小、重量輕。到目前為止，硅和 GaAs 集成電路技術(shù)發(fā)展迅速，加上采用更小的封裝形式、更小的分立無源元件和高密度互連印制電路技術(shù)，已經(jīng)能滿足上述要求。這些產(chǎn)品的基帶部分可用硅單片集成電路實(shí)現(xiàn),而射頻部分仍需要有源器件與高性能的無源元件多種方式的結(jié)合。因?yàn)閷τ谏漕l功能來說，完全單片集成的方法會導(dǎo)致產(chǎn)品性能大幅降低。

    隨著有源器件集成度不斷提高，越來越多的功能被集成到單片上，這對集成無源元件形成很大的壓力,無線產(chǎn)品的射頻部分尤其是這樣。一個典型的移動電話產(chǎn)品可以包含400 個元器件,而有源器件數(shù)不到 20個，其余 380 個無源元件占電話電路板80%左右的面積和70%的產(chǎn)品組裝成本。因此,無論是減小整個產(chǎn)品的尺寸與重量,還是在現(xiàn)有的產(chǎn)品體積內(nèi)增加功能，集成無源元件技術(shù)都能發(fā)揮很大的作用。

    使用集成無源元件技術(shù)能得到的其它好處，是增加生產(chǎn)能力、減少庫存、提高產(chǎn)品可靠性和降低功能塊乃至系統(tǒng)級成本。集成無源元件技術(shù)能提供緊湊的集成無源器件( IPD )網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，或作為一個功能密集的平臺，以集成射頻功能所需的最佳有源器件組合。

集成無源技術(shù)

    目前可用的集成無源元件技術(shù)有3大類，分別是薄膜技術(shù)、低溫?zé)铺沾?( LTCC )技術(shù)、基于高密度互連 ( HDI ) 的延伸技術(shù)和其它印制電路板(PCB)技術(shù)。HDI 和PCB技術(shù)通常用于數(shù)字系統(tǒng)。 在這種系統(tǒng)里，分布裝焊的電容與中等精度的上拉電阻成本低，成品率高。在適于射頻集成的多種技術(shù)中，薄膜集成無源技術(shù)通常能提供最優(yōu)良的元件精度和功能密度，以及最高集成度、最小體積和最輕重量。

    一個有代表性的薄膜集成無源工藝的剖面示意圖如圖1所示。這個工藝能制作各種電阻、電容和電感元件,以及低電感接地板和連接無源元件的傳輸線走線。薄膜結(jié)構(gòu)在合適的載體襯底材料上制造。很重要的一點(diǎn)是工藝要既能滿足所要求的元件性能和精度指標(biāo)，工藝還不復(fù)雜，需要掩模數(shù)最少 (一般為 6～10張 )。每個無源元件通常占據(jù)不到 1mm2的面積 以便能在面積和成本方面與表面貼裝技術(shù)的分立元件競爭。在圖2中示出了一個加工好的薄膜集成無源襯底的一個部分，來說明3種主要的集成無源元件。

電阻器

    絕大多數(shù)移動電話要求薄膜電阻的阻值范圍在10～100 KΩ之間。采用100Ω/單位的單層薄膜電阻材料，用簡單幾何圖形可以制作10～1kΩ的高性能射頻電阻。而蛇形圖案可以用來制作更高阻值的電阻。薄膜電阻材料主要是根據(jù)它們的電阻率、工藝的兼容性和電阻的溫度系數(shù)(TCR)來選定的。通常還要求在加負(fù)載情況下性能穩(wěn)定性優(yōu)于0.5%。在溫度變化時，相鄰電阻器的跟蹤精度與匹配精度均優(yōu)于0.5%。表1示出了有代表性的集成無源薄膜電阻材料的特性。

    氮化鉭也許是薄膜集成無源技術(shù)中使用最廣泛的電阻材料，因?yàn)樗鼮?span lang="EN-US">100Ω/單位的薄膜電阻提供了合理的厚度和很低的溫度系數(shù)。

    這種材料還可用干法工藝刻蝕，能制備高精度的幾何圖形。這些薄膜電阻一般在整個工藝流程前期制作，通常直接制作在基本襯底表面，以求達(dá)到最優(yōu)的圖形制作精度，并有利于加負(fù)載情況下的散熱。

      金屬層的一致性和物理圖形的控制精度對最終的元件精度是很關(guān)鍵的。現(xiàn)有的金屬化生產(chǎn)設(shè)備能為圓片工藝和大面積板材(LAP)工藝制作高度一致的電阻和淀積導(dǎo)電金屬層。

電容器

   　要滿足一個典型的移動電話產(chǎn)品中射頻和基帶的需要，就要能制作1pF～100nF范圍的電容。集成無源技術(shù)雖然只能提供 0.25pF～500pF范圍的電容值，但仍能滿足典型的射頻 IPD、單功能射頻模塊和完整的射頻模塊子系統(tǒng)的所有要求。典型的集成無源電容器工藝采用兩種或一種非鐵電體電容材料,以傳統(tǒng)的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所要求的電容值和性能。聚合物電介質(zhì)材料可以用于制作很低值的電容,其典型的層厚對應(yīng)5pF/mm2 左右的單位電容值。中間值電容（單位電容值在 50～200pF/mm2之間）可以用具有良好射頻性能的等離子淀積氮化硅膜作層間介質(zhì),它具有很低的電容溫度系數(shù)( TCC )。電容密度在 500pF/mm2 以上的高值電容主要用于射頻去耦，可以用陽極氧化鋁或氧化鉭膜作層間介質(zhì)。

    必須特別注意的是，在設(shè)計這些集成無源 MIM 結(jié)構(gòu)電容時，要確保極低的電極串聯(lián)電阻和最小的對地寄生電容。這些電容元件具有很小的固有寄生電感。這些元件的結(jié)構(gòu)和工藝都須經(jīng)過專門設(shè)計，以確保達(dá)到規(guī)定的擊穿電壓（通常保證最低50V的直流電壓）。

電感器

    在通常的移動電話產(chǎn)品中，電感元件只占元件總數(shù)的不到10%，電感值在1～100nH范圍里，但是它們對總的射頻性能有很重要的影響。高品質(zhì)因數(shù)的電感對于在振蕩器振蕩回路和低損耗的無源濾波和匹配電路中達(dá)到必要的低相位噪聲是極為重要的。通過使用多種襯底和導(dǎo)電材料，集成無源工藝能制造很緊湊的、具有高品質(zhì)因數(shù)和高固有諧振頻率的電感元件，使得它們在尺寸、成本和性能等方面能與表面貼裝技術(shù)（SMT）使用的分立元件相抗衡。這些電感的性能也超過了用單片集成電路工藝制作的片上電感，因?yàn)榘雽?dǎo)體硅襯底的損耗限制了片上電感的性能。

    集成無源工藝所達(dá)到的電感性能在很大程度上與導(dǎo)電材料在人們感興趣的頻率上的特性和這些元件的設(shè)計水平緊密相關(guān)。像銅或銀這樣的導(dǎo)電性極好的金屬損耗最低，但最終頻率性能受到趨膚深度效應(yīng)的制約。為在給定的頻率上損耗最低，最佳的金屬厚度是趨膚深度的3～5 倍。這個經(jīng)驗(yàn)公式可以用來估計在一個集成無源電感工藝中達(dá)到低損耗的金屬層厚度。

    典型的集成無源工藝可以制作單層和疊層螺旋線電感元件。疊層螺旋線電感元件具有更高的單位面積電感值，其倍數(shù)接近 n2, n 在這里是疊層螺旋線的層數(shù)。因此一個典型的2層金屬化工藝能集成電感值從 1nH到超過100nH的電感器，每個元件占用的面積不超過1.5mm2。通過仔細(xì)地優(yōu)化電感設(shè)計和謹(jǐn)慎地選擇材料, 也能使電感值為1～20nH、固有諧振頻率為2.5～15GHz 的電感的品質(zhì)因數(shù)達(dá)到40～70。

    還應(yīng)該注意到，表面貼裝技術(shù)中用的電感元件比他們的同伴——電阻和電容元件要昂貴得多。這促使在基于SMT的設(shè)計中盡可能少使用電感。在集成無源環(huán)境中不再存在這種情況，相反，采用電感器多的設(shè)計方案,其電路性能常常會更好。

多層金屬化

    多層金屬化結(jié)構(gòu)將集成無源電阻、電容和電感互相連接起來。金屬層的典型厚度是現(xiàn)在通常用在集成電路工藝中的金屬厚度的5～10 倍。因此, 通常使用5～15μm厚的層間聚合物電介質(zhì)材料, 2～7μm厚的鋁或銅金屬層。這樣的層厚能制作低損耗電感器，而低介電常數(shù)的聚合物能用來制作30～80Ω阻抗的共平面或微帶傳輸線元件，其可以接受的線損耗與通常的10μm及其以上線寬的金屬條的情況相當(dāng)。

    一個典型的多層金屬化工藝能制作 2 或 3 層金屬,其底金屬層( M1 )通常充當(dāng)接地層和MIM 電容器元件的下極板。上金屬層( M2 與 M3 )則用作傳輸線、互連線、電感器螺旋線和電容器上極板連線。

    選擇聚合物電介質(zhì)對集成無源工藝的工藝體系結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵的，對整個工藝的費(fèi)用和性能也有著明顯的影響。在選擇夾層材料時，還要考慮聚合物電介質(zhì)材料的其他特性,包括熱穩(wěn)定性、吸潮性和彈性系數(shù)。表2是有代表性的制造商的已出版的數(shù)據(jù)。

襯底

    襯底是制作集成薄膜無源元件的基礎(chǔ)。它對產(chǎn)品的成本、成品率和性能有很大的影響。集成無源工藝的襯底通常采用標(biāo)準(zhǔn)的氧化物隔離硅圓片、高電阻率硅圓片、玻璃圓片和原來為薄膜顯示器行業(yè)研制的LAP玻璃材料。圓片和LAP都利用了現(xiàn)有工藝設(shè)備能力和批量生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)點(diǎn)。

工藝集成 

    從選擇材料到把無源元件制作方法集成進(jìn)一個工藝流程的過程與集成電路工藝開發(fā)的過程相類似。首先需要開發(fā)各個單項(xiàng)工藝，然后把它們集成起來，以驗(yàn)證整套工藝與材料的兼容性，并且建立工藝設(shè)計規(guī)則。必須注意在確定工藝體系和選擇材料時要確保加負(fù)載時的穩(wěn)定性、合適的電遷移和靜電放電性能、抗潮濕和腐蝕的能力、以及長期的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

    在一個集成無源工藝中，電阻和電容的精度是與層厚控制精度和特征尺寸精度密切相關(guān)的，它們隨著元件的絕對尺寸而變化。電感值實(shí)質(zhì)上是由電感螺旋線的間距和匝數(shù)決定的。由于電感螺旋線的間距由光刻掩模決定，電感值會有小于1%的偏差。

集成無源模塊組裝

        IPD網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品以芯片規(guī)模封裝( CSP )的形式組裝。單功能模塊和完整的射頻收發(fā)器子系統(tǒng)也可以通過將有源器件安裝并互連到集成無源襯底之上的方式來實(shí)現(xiàn)。在集成無源襯底上的粘片、壓焊和焊接壓點(diǎn)需要一個額外的可焊接和壓焊的涂層。有多種鎳金涂層通常用于這個目的。

    人們可以使用導(dǎo)電膠粘片工藝將有源器件裝配到集成無源襯底上，然后使用壓焊或芯片倒裝焊工藝將它們互相連接。某些分離的有源器件（例如變?nèi)荻O管）要求背面接觸，就只能采用壓焊組裝。

    射頻 IC和其它的射頻器件大量采用芯片倒裝焊組裝技術(shù)，極好地利用了其重復(fù)性好和壓焊電感非常低的優(yōu)點(diǎn)。

    圓片級IPD的焊球粘附、測試、卷帶封裝,以及圓片級全模塊組裝和測試，也提高了集成無源技術(shù)的成本效益 (圖3)。

設(shè)計方法論和實(shí)例

    穩(wěn)健的設(shè)計流程對于保證IPD設(shè)計和模塊設(shè)計一次成功和將產(chǎn)品上市的時間減到最小都是極為重要的。對集成無源元件盡管能進(jìn)行激光微調(diào)，但要做到像表面貼裝技術(shù)（SMT）那樣在板級更換元件、迭代設(shè)計卻是不可能的。幸運(yùn)的是,人們一直在努力建立高精度的“ 參數(shù)化” 元件模型，以充分描述元件最重要的特性和有關(guān)的寄生參數(shù)。這樣的模型可以作為庫單元嵌入到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)射頻設(shè)計工具中，這些設(shè)計工具可以進(jìn)行電路設(shè)計和電路圖的輸入、電路模擬、優(yōu)化、物理設(shè)計以及布局和設(shè)計迭代。設(shè)計時還考慮到工藝容差。使用這種設(shè)計方法保證了很高的第一次成功率。

    集成無源技術(shù)目前正被用于許多頻率在 900MHz 和 5.8GHz 之間的無線通信產(chǎn)品里的IPD器件和模塊的制作（圖4）。有人已經(jīng)設(shè)計和演示了頻率高達(dá)50GHz的集成無源工藝。

結(jié)論

    集成無源元件技術(shù)為射頻無源網(wǎng)絡(luò)、單功能模塊和收發(fā)器提供了一種成本效益高的功能密集的集成手段。多種多樣的電阻、電容和電感元件材料和設(shè)計方法為射頻子系統(tǒng)的模塊化和封裝內(nèi)系統(tǒng)集成提供了實(shí)現(xiàn)的途徑。