集成无源器件

集成无源器件（，IPD）或整合式被動元件，也称为集成无源组件（，IPC）或嵌入式无源组件（，EPC），是指将電阻器（R）、电容器（C）、电感/线圈/扼流器（L）、微帶線、阻抗匹配元件、平衡／不平衡转换器（balun）或其任意组合集成在同一封装或同一基板上的电子元件。有时IPD也称为嵌入式无源元件，但“集成”与“嵌入式”两者的技术差异并不十分明确。

特点
示例]]
集成无源器件可为封装件、裸芯片/裸片，或在三维方向上与有源集成电路或其它IPD叠装（组装在某一裸片/裸芯片之上）以构成电子系统组件。典型封装形式包括SIL（标准直插式）、SIP或其它封装（如 DIL、DIP、QFN、晶片尺寸封裝/CSP、晶圆级封装/WLP 等）。集成无源元件也可以作为模块基板，因此可成为混合集成模块、多芯片模块或芯粒模块/实现的一部分。

IPD的基板可以是刚性的，如陶瓷（氧化铝/氧化铝基体）、层叠陶瓷（低温LTCC、高温共烧陶瓷HTCC）、玻璃和硅，并可以覆盖某些介电层如二氧化硅。基板也可以是柔性的，如层压板（例如作为封装互连的插入层，称为有源插层）、FR4 或类似材料、Kapton或其它合适的聚酰亚胺。若系统设计中基板及可能的封装对IPD性能的影响可忽略或已知，则有利于电子系统设计。

IPD的制造技术包括和薄膜工艺，以及各种集成电路加工步骤或其修改（如使用比铝或铜更厚或不同的金属）。集成无源器件既可作为标准元件供应，也可按特定应用定制设计。

应用
集成无源器件主要作为标准件或定制件使用，原因包括：

减少电子系统中需装配的零件数量，从而简化后勤与供应链。
需要实现电子设备的小型化（面积与高度），如医疗（助听器）、可穿戴设备（手表、智能戒指、可穿戴心率监测器）与便携设备（手机、平板等）。在射頻系统中，采用IPD可更小公差地微型化微带线、換衡器等，尤其在使用薄膜技术时。若目标是极致小型化，IPD芯片可以与有源或其他集成无源芯片叠装。
减轻电子组件重量，适用于航天、航空或無人航空載具等场景。
电子设计中需要大量相同数值的无源件（例如多个1 nF电容）。在需要高引脚数的集成电路中常见。许多高速信号或电源线需要电容稳压。数字实现倾向于并行数据线（4、8、16、32、64 位等），需要为所有信号线稳定化，从而产生电容岛。小型化这些电容岛可能采用集成电容网络或电容阵列。它们也可嵌入为集成电路封装（如球柵陣列封裝或CSP基板）或封装的中介層的一部分。
需要大量EMI（電磁干擾）或ESD（静电放电）抑制功能的电子设计，例如高引脚数连接器接口。EMI或ESD抑制通常以RC或R(C)-二极管网络实现。
集成电路技术（如与有源元件单片集成的CMOS）中无源元件的性能限制（例如线圈的Q值）与数值范围（如大电容值）可能不足。在必须最小化尺寸或重量且标准件不可用时，定制IPD 可能是实现最少零件数、最小体积或最小重量的唯一选择。
如果需要减少不同技术之间的接口（单片、封装、电子与光子、装配如表面安装技术与集成电路等），则可提高可靠性。
某些应用中在时序或滤波（R(L)C等）方面存在严格要求时，基于表面贴装离散元件的方案可能不够快速或不可预测，此时IPD可提供优势。

相对于标准集成或离散无源件，定制IPD的挑战在于交付周期与有时的性能限制。根据所用制造技术，较高电容或电阻值并满足所需容差可能较难实现；线圈/电感的Q值也可能受限于可用金属厚度。不过，新材料与改进的制造技术（如原子层沉积）以及对大基板上厚金属合金制程的控制，有助于提高电容密度与线圈/电感的Q值。

因此在原型与中小批量生产阶段，标准元件在许多情况下仍是最快的实现方式。若能在技术与经济上满足量产的时间与成本目标，则可考虑定制无源件。集成无源器件在技术与经济上不断面临由离散元件尺寸减小、装配公差改善（如表面安装技术）与单件成本变化带来的挑战。未来离散无源件与集成无源件将在技术上互为补充。新材料与装配技术的发展与理解，是二者的关键推动力。

制造
硅基的IPD
硅基IPD通常使用标准晶圓制造技术制造，如薄膜与光刻工艺。为避免半导体硅引起的寄生效应，集成无源器件通常采用高电阻硅基板。硅基IPD可设计为覆晶技術装配或打線接合连接。然而为在技术上与有源集成电路区分，IPD技术可能采用更厚的金属（以提高线圈的Q值）、或不同的电阻层（如 SiCr）、或比典型IC更薄或更高介电常数的介电层（如用PZT代替二氧化硅或氮化硅）以获得更高的电容密度。

硅基IPD在需要时可研磨至低于100微米的厚度，并提供多种封装选项（微凸点、线焊、铜焊盘）与交付形式（晶圆、裸片、卷带等）。
对比]]
硅中的三维无源集成是制造IPD的一种技术，使高密度沟槽电容、金属-绝缘体-金属（MIM）电容、电阻、高Q值电感、PIN、肖特基或齐纳二极管等能在硅中实现。硅基IPD的设计时间取决于设计复杂度，但可以使用与特定應用積體電路（ASIC）或集成电路相同的设计工具与环境。有些IPD供应商提供完整的设计套件支持，方便系统级封装（System-in-Package）模块制造商或系统厂商按特定需求设计自己的IPD。

历史
在早期控制系统设计中，人们发现使用相同数值的元件能使设计更简单、更快速。实现相同元件数值或尽可能减小分布的一种方式是将这些元件放在同一基板上并相互靠近。

集成无源器件最早的形式是1960年代的电阻网络，当时Vishay Intertechnology将四到八个电阻封装在单列直插封装（SIP）中。许多其它用于封装集成电路的封装类型（如DIL、DIP等）也被用于集成无源器件，甚至可使用定制封装。电阻、电容和电阻-电容网络至今仍在系统中广泛使用，尽管单片集成技术已有进展。

如今便携电子系统中每个集成电路或模块大约包含2到40个离散无源元件。这表明单片或模块化集成并不能涵盖系统实现中所有基于无源元件的功能，因此需要多种技术来最小化物流与系统尺寸，这也就是IPD的应用领域。电子系统中数量最多的无源件通常是电容器，其次为电阻和电感/线圈。

许多功能块，如阻抗匹配电路、諧波滤波器、耦合器、換衡器、功率合分器等，都可以通过IPD技术实现。

面向小型化、便携性与无线连接的趋势推动多种实现技术去实现无源元件。到2021年，全球约有25到30家公司提供集成无源器件（包括简单的无源网络以及在玻璃、硅和氧化铝等各类基板上的无源器件）。

评论 (0)