Los dispositivos pasivos integrados (IPD) o los componentes pasivos integrados (IPC) o los componentes pasivos integrados son componentes electrónicos donde resistencias (R), condensadores (C), inductores (L) / bobinas / estranguladores, microtriplinas , elementos de adaptación de impedancia, baluns o cualquier combinación de ellos están integrados en el mismo paquete o sobre el mismo sustrato. A veces, los pasivos integrados también se pueden denominar pasivos integrados, [1] [2] y, sin embargo, la diferencia entre pasivos integrados y embebidos es técnicamente poco clara. [3] [4] En ambos casos, los pasivos se realizan entre capas dieléctricas o sobre el mismo sustrato.
Las formas más antiguas de IPD son las redes de resistencia, condensador, resistencia-condensador (RC) o resistencia-condensador-bobina / inductor (RCL). Los transformadores pasivos también se pueden realizar como dispositivos pasivos integrados, por ejemplo, colocando 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 el arseniuro de galio (GaAs). [5] [6]
Los dispositivos pasivos integrados se pueden empaquetar, troqueles / chips desnudos o incluso apilados (ensamblados sobre algún otro troquel / 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 (estándar en línea), SIP o cualquier otro paquete (como DIL, DIP, QFN , paquete a escala de chip / CSP, paquete a nivel de oblea / WLP, etc.) que se utilizan en el embalaje electrónico. Los pasivos integrados también pueden actuar como un sustrato de módulo y, por lo tanto, formar parte de un módulo híbrido , módulo de varios chips o módulo / implementación de chiplet. [7]
El sustrato para IPD puede ser rígido como cerámica (óxido de aluminio / alúmina), cerámica estratificada (cerámica cocida a baja temperatura / LTCC, cerámica cocida a alta temperatura / HTCC), [8] vidrio, [9] y silicio [10]. [11] recubierto con una capa dieléctrica como dióxido de silicio. El sustrato también puede ser flexible como un laminado, por ejemplo, un intercalador de paquete (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 los IPD utilizados incluye tecnologías de película gruesa [12] y película fina [13] 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 los mismos. Los pasivos integrados están disponibles como componentes / piezas estándar o como dispositivos diseñados a medida (para una aplicación específica).
Los dispositivos pasivos integrados se utilizan principalmente como piezas estándar o se diseñan a medida debido a
- necesita reducir el número de piezas a ensamblar en un sistema electrónico, lo que reduce al mínimo la necesidad de logística.
- necesita miniaturizar (área y altura) la electrónica como para uso médico (equipo de audífonos), portátil (relojes, anillos inteligentes, monitores de frecuencia cardíaca) y portátil (teléfonos móviles, tabletas, etc.). Las líneas de banda, baluns, etc. se pueden miniaturizar con IPD con tolerancias más pequeñas en partes de radiofrecuencia (RF) [14] del sistema, específicamente si se utiliza tecnología de película delgada. Los chips IPD se pueden apilar con chips activos u otros chips pasivos integrados si el objetivo es la miniaturización final.
- necesita reducir el peso de los conjuntos electrónicos, por ejemplo, en aplicaciones espaciales, aeroespaciales o de vehículos aéreos no tripulados (UAV como drones)
- diseños electrónicos, que requieren numerosos pasivos con el mismo valor que varios condensadores de un nanofaradio (1 nF). Esto puede suceder en implementaciones donde se necesitan / utilizan circuitos integrados (IC) con un alto recuento de entrada / salida. Muchas señales de alta velocidad o líneas de suministro de energía pueden necesitar estabilización mediante condensadores. La aparición de implementaciones digitales lleva al uso de líneas digitales paralelas (4, 8, 16, 32, 64 bits, etc.) y la estabilización de todas las líneas de señal resulta en islas de condensadores en la implementación. La miniaturización de estos puede resultar en el uso de redes de condensadores integrados o conjuntos de condensadores. También pueden implementarse como parte (incrustado) de un paquete de circuito integrado como un sustrato BGA o CSP (paquete a escala de chip) o un intercalador de paquetes.
- Diseños electrónicos que requieren numerosas funciones de supresión de interferencias electromagnéticas (EMI) o descargas electrostáticas (ESD), como diseños con conectores de gran cantidad de pines de entrada / salida en las interfaces. La supresión de EMI o ESD normalmente se realiza con redes de diodos RC o R (C).
- limitaciones de rendimiento (como factores Q de las bobinas) y valores (como valores de capacitancia grandes) de elementos pasivos disponibles en tecnologías de circuitos integrados como CMOS como monolíticamente integrados con elementos activos (transistores, etc.). Si es necesario minimizar el tamaño (área o grosor) y / o el peso del ensamblaje de la electrónica y no hay piezas estándar disponibles, los IPD personalizados pueden ser la única opción para el menor número de piezas, tamaño pequeño o peso de la electrónica.
- confiabilidad mejorada si es necesario minimizar las interfaces entre diferentes tecnologías (monolítica, empaque, electrónica y óptica / fotónica, ensamblajes como tecnología de montaje en superficie y circuitos integrados, etc.).
- sincronización en algunas aplicaciones, si, por ejemplo, existen necesidades críticas para un filtrado rápido y muy preciso (R (L) C, etc.), y la solución basada en piezas discretas SMD no es lo suficientemente rápida o no lo suficientemente predecible.
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 pasivos integrados, la alta capacitancia o los valores de resistencia con una tolerancia requerida pueden ser difíciles de cumplir. El valor Q de bobinas / inductores también puede 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 capa atómica (ALD) y la comprensión de la fabricación y el control de aleaciones de metales gruesos en sustratos grandes mejoran la densidad de capacitancia y el valor Q de bobinas / inductores. [15]
Por lo tanto, en la fase de producción de prototipos y de tamaño pequeño / mediano, las piezas estándar / pasivas son en muchos casos la forma más rápida de realización. Se puede considerar que los pasivos diseñados a medida se utilizan después de un análisis técnico y económico cuidadoso en la fabricación en volumen, si se pueden cumplir los objetivos de tiempo de comercialización y costos del producto (s). Por lo tanto, los dispositivos pasivos integrados son continuamente desafiados técnica y económicamente al disminuir el tamaño, mejorar las tolerancias, mejorar la precisión de las técnicas de ensamblaje (como SMT, tecnología de montaje en superficie ) de las placas base del sistema y el costo de los dispositivos pasivos discretos / separados. Avanzar, 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 los dispositivos pasivos integrados y discretos.
IPD sobre un sustrato de silicio
Los IPD sobre un sustrato de silicio generalmente se fabrican utilizando tecnologías de fabricación de obleas estándar, como película delgada y procesamiento de fotolitografía . Para evitar posibles efectos parásitos debido al silicio semiconductor, se suele utilizar un sustrato de silicio de alta resistencia para pasivos integrados. Los IPD en silicio se pueden diseñar como componentes que se pueden montar en un chip abatible o que se pueden unir con cables . Sin embargo, para diferenciarse técnicamente de las tecnologías de circuitos integrados activos (IC), las tecnologías IPD pueden utilizar capas de metal más grueso (para un valor Q más alto de los inductores) o capas resistivas diferentes (como SiCr), capas dieléctricas de K (constante dieléctrica más alta) más delgadas o diferentes (como PZT) en lugar de dióxido de silicio o nitruro de silicio) para una mayor densidad de capacitancia que con las tecnologías de CI típicas.
Los IPD en silicio se pueden triturar, si es necesario, por debajo de 100 µm de espesor y con muchas opciones de empaque (micro-golpes, unión de cables, almohadillas de cobre) y opciones de modo de entrega (como obleas, troqueles desnudos, cinta y carrete).
La integración pasiva 3D en silicio es una de las tecnologías utilizadas para fabricar dispositivos pasivos integrados (IPD), que permite capacitores de zanja de alta densidad, capacitores de metal-aislante-metal (MIM), resistencias, inductores de alto Q, diodos PIN, 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 específicos de la aplicación (ASIC) o los circuitos integrados. Algunos proveedores de IPD ofrecen soporte de kit de diseño completo para que los fabricantes de módulos System in Package (SiP) o las casas de sistemas puedan diseñar sus propios IPD que cumplan con los requisitos específicos de su aplicación.
Historia y papel de los DPI en el montaje de sistemas electrónicos
En los primeros diseños de sistemas de control se descubrió que tener el mismo valor de componentes hace que el diseño sea más fácil y rápido. [16] Una forma de implementar componentes pasivos con el mismo valor o en la práctica con la menor distribución posible es colocarlos en el mismo sustrato uno cerca del otro.
La forma más temprana de dispositivos pasivos integrados fueron las redes de resistencias en la década de 1960, cuando Vishay Intertechnology empaquetaba de cuatro a ocho resistencias en forma de paquete único en línea (SIP). Muchos otros tipos de paquetes como DIL, DIP, etc., que se utilizan en el empaquetado de circuitos integrados, incluso los paquetes personalizados se utilizan para dispositivos pasivos integrados. Las redes de resistencias, condensadores y condensadores de resistencias todavía se utilizan ampliamente en los sistemas, aunque la integración monolítica ha progresado.
Hoy en día, los sistemas electrónicos portátiles incluyen aproximadamente 2-40 dispositivos pasivos discretos / circuito integrado o módulo. [17] Esto muestra que la integración monolítica o de módulos no es capaz de incluir toda la funcionalidad basada 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, por número, de los pasivos en los sistemas electrónicos suelen ser condensadores seguidos por el número de resistencias e inductores / bobinas.
Muchos bloques funcionales, como circuitos de adaptación de impedancia , filtros de armónicos , acopladores y baluns y combinador / divisor de potencia, se pueden realizar mediante la tecnología IPD. Los IPD se fabrican generalmente utilizando tecnologías de fabricación de obleas y películas delgadas y gruesas, como el procesamiento de fotolitografía o las tecnologías cerámicas típicas (LTCC y HTCC). Los IPD pueden diseñarse como componentes que se pueden montar en un chip abatible o que se pueden unir con cables .
Las tendencias hacia aplicaciones con tamaño pequeño, portabilidad y conectividad inalámbrica han extendido varias tecnologías de implementación para poder realizar componentes pasivos. En el año 2021, había entre 25 y 30 empresas que ofrecían dispositivos pasivos integrados (incluidas redes pasivas simples y pasivas en varios sustratos como vidrio, silicio y alúmina) en todo el mundo.
Referencias
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enlaces externos
- Pasivos integrados en breve 2017
- Tecnologías pasivas integradas
- Pasivos integrados en SIP
- Base de datos de fabricantes pasivos a nivel mundial. Buscar 'red' para redes pasivas
- Integración de componentes pasivos en multicapa de película fina en FhG
- Integración de pasivos con cerámicas estratificadas
- Dispositivos pasivos integrados, conferencia de electrónica, 2012, HITEC
- ST Fundición de dispositivos pasivos integrados
- Dispositivos pasivos integrados para aplicaciones de RF
- Tecnología IPD de STATS chipPAC Ltd.
- Tecnología IPD de ASE Group
- IPD de dispositivos analógicos
- IPD de On Semiconductor
- Pasivos integrados en silicio de Murata, incluido IPDIA
- Condensadores integrados en laminado intercalador por TDK
- Pasivos integrados de Johanson Technology
- Evaluación de la rentabilidad de los pasivos integrados
- Estudios de integración pasiva en Georgia Tech, EE. UU.
- Ejemplo de análisis de costes de pasivos integrados / incrustados
- Ejemplo de fabricación y rendimiento de condensadores integrados 3D
- Tecnología de condensadores de alta densidad de Smoltek