作者：Gina Roos，電子產品總編

小型化是采用集成無源器件 (IPD) 的最大驅動力，它可以在各種終端產品中替代分立電容器、電阻器和電感器，尤其是智能手機等不斷縮小的消費設備。它們有多種口味——硅、玻璃、陶瓷，甚至砷化鎵 (GaAs)。由于晶圓工藝的固有優勢，包括可重復性和嚴格的公差控制，基于硅的 IPD 已經取得了長足的進步，并且仍然是 IPD 的首選基板材料。

根據 MarketsandMarkets 發布的一份新報告，IPD 市場正在快速增長，預計 2023 年將達到 15 億美元，高于 2018 年的 10 億美元，復合年增長率為 8.8%。Yole Développement (Yole) 表示，特別是薄膜或硅基 IPD 因其在間距、容差、柔韌性和封裝方面的更高性能而取得進展，預計 IPD 市場將超過 10 億美元到 2022 年。

IPD 的主要應用是靜電放電 (ESD) 和電磁干擾 (EMI)，它們具有完善的標準。然而，使用平衡不平衡轉換器、雙工器和濾波器的射頻前端模塊的 IPD 集成正在取得進展，目標是便攜式、無線和射頻應用。射頻 IPD 市場中有不少廠商提供標準或定制設備。其中包括村田 IPDia、安森美半導體、意法半導體和 Qorvo。

RF IPD 的優勢IPD 技術可用于各種 RF 設計——包括巴倫、耦合器、雙工器、濾波器、分路器和匹配網絡——將電容器、電阻器和電感器組合在一個封裝中。安森美半導體首席工程師兼 IPD 產品線經理 Kim Eilert 表示，最大的需求驅動因素是尺寸、容差和性能。

安森美半導體在其基于硅的 High-Q 銅平臺上構建定制射頻 IPD 。Eilert 的部分工作是幫助客戶設計 IPD 并確保他們在產品上取得成功，這就是為什么她會告訴您 RF IPD 不推薦用于 <500 MHz 的頻率。“IPD 中沒有足夠的金屬來獲得良好的損耗性能，除非它只是一個電容器或電阻器，”她說。“[在那個頻率下]使用另一種技術會更好。”

然而，她補充說，有些應用程序是定制的。其中包括需要小型化、嚴格公差和更高性能的應用。

Eilert 說，當設計工程師開始設計系統時，他們通常會考慮多種技術，并且會考慮成本、尺寸、熱性能和組裝簡易性等因素。他們將考慮幾種技術并評估他們需要什么。

“當人們決定使用 IPD 時——無論是在玻璃、陶瓷、硅還是 GaAs 上——一般來說，他們都受到輪廓高度以及 x 和 y 尺寸的驅動，”她補充道。“能夠使 IPD 變薄以匹配有源 IC 的確切高度是一個優勢，因為您可以縮小整個模塊的 z 高度。”

IPD 比離散解決方案小得多，x/y 尺寸的節省可能很大。“通過添加集成，您可以縮小組件所需的 x/y 占用空間，”Eilert 說。“有時，這不僅僅是‘錦上添花’，而是絕對的要求。”

另一個推動 IPD 設計的因素是容差。“如果您單獨購買過濾器的每個組件，它們都有各自的容差，因此整個系統的容差比將其制造為單獨的芯片時更寬。”

“因為我們在這個 [IPD] 芯片上同時制造所有東西，例如，單個芯片上的所有電容器都將相互匹配。所以有性能優勢。在更高的頻率下也有性能優勢——同樣，因為它都是在具有良好 [亞微米] 尺寸控制的晶圓上制造的。”

寄生效應是設計師面臨的另一個挑戰。“有時在更高的頻率下，安裝組件的不良寄生效應確實會破壞設計的性能，”Eilert 說。“當你將所有東西都集成到一個芯片中時，你就不再需要應對安裝寄生效應了。”

Eilert 的建議是始終要求提供示例芯片。在電感器的情況下，Q 或高質量因數通常被認為是一個關鍵指標。她建議，獲取一個示例芯片并自己測量它。“通常，代工廠擁有這些信息并且可以提供，但設計人員在進行這些比較時需要請求原始數據。”

她還要求設計人員考慮整體諧振器 Q，而不是查看單個組件并將電感器與電感器以及電容器與電容器進行比較。

“當我們設計諧振器時——在大多數情況下，濾波器設計人員就是這么做的——IPD 非常棒，因為您可以在電容器 (C) 旁邊集成一個電感器 (L)，”她說。“使用其他技術，可能會限制你獲得這兩個組件的距離。我建議他們比較整個系統——比較 LC 諧振器和 LC 諧振器。最終，這就是他們想要建立的。”

像大多數事情一樣，自定義 IPD 需要權衡取舍。上市時間和成本是最大的兩個。

“如果可以避免的話，我認為人們寧愿不參與單獨的設計工作，”Eilert 說。“使用現成的組件有很多優勢——它們很容易獲得，設備非常熟悉，而且從成本的角度來看，與開發定制芯片相比，它需要更少的時間和資源。因此，需要有規模驅動因素或性能驅動因素來引導人們進行 IPD。”

需要性能的巨大機會由于晶圓工藝的可重復性和亞微米公差（高頻優勢），大多數商業頻率（約 1 GHz 至 6 GHz）非常適合硅 IPD。

Eilert 說，許多客戶正在使用 1-GHz 至 2.5-GHz 范圍內的射頻 IPD。IPD 也將非常適合 5G，它將達到 28 GHz——這對設計人員來說是一個挑戰。

“例如，如果你必須設計一個 20 GHz 的帶通濾波器，那么在可以非常精確地控制尺寸的晶圓技術上構建它是有利的，”她說。“由于這是一個晶圓工藝，我們使用光刻來定義跡線。您可以擁有 5 微米寬的跡線，并且所有東西都帶有亞微米公差。”

硅的機械性能也是一個好處。“對于某些應用，希望 IC 的機械膨脹特性與載體封裝相匹配，”Eilert 說。她補充說，對于硅 IPD，載體封裝將由硅制成，有源 IC 由硅制成，因此不存在機械失配。

設計人員還可以在需要精確的電容或電感值時使用 IPD。“你可以購買現成的組件，但它們的價值范圍是固定的，”Eilert 說。“如果您想要 4.7-pF 的電容，您現在可以購買各種規格的電容，但如果您想要像 4.85 pF 這樣高度定制的電容，并且需要嚴格的容差，那么 IPD 就是您的最佳選擇。 ”

安森美半導體提供示例芯片和功能齊全的設計套件，以幫助快速啟動項目并向客戶展示該技術可實現的目標。

Eilert 說，設計師很少堅持基線設計。“我們發現人們不想從目錄中購買；他們想為他們的應用程序進行定制。一般來說，對于 RF 來說確實如此，您從一個示例開始，然后自定義引腳排列，或者自定義性能或阻抗以匹配您的特定 IC。它具有性能優勢，但確實需要設計努力。”

設計師可以使用 IPD 做很多事情。Eilert 說，她甚至讓一位客戶構建了一個只有一個組件的 IPD，以獲得精確的電感值，而另一位客戶將整個 8 英寸硅晶片用于一個芯片作為一種中介層。

然而，安森美半導體有幾個設計示例，其中 IPD 節省了大量空間。在一個案例中，該公司為新的 5G New Radio n78 頻段構建了一個低成本和低插入損耗的帶通濾波器，采用 1608 封裝（1.6 x 0.8 mm），集成了 20 個組件。

但是，還有其他半導體制造商提供現成的射頻 IPD。例如，意法半導體提供了一系列基于非導電玻璃基板技術的 IPD 的集成巴倫。這些是高度集成的匹配設備，由于采用 IPD 技術，可提供低信號損耗和低幅度和相位不平衡。

截至 2017 年底，ST 提供了 16 個集成巴倫，其封裝尺寸低至 0.8 mm 2 和回流后高 0.56 mm。這些器件專為 ST 的 sub-1-GHz 或藍牙低功耗 2.4-GHz 無線電以及其他制造商的各種收發器而設計。

ST 最新推出的 IPD 之一是為其 S2-LP 868-927MHz 低功耗無線電收發器匹配的巴倫，旨在節省物聯網傳感器、智能電表、警報器、遙控器、樓宇自動化和工業控制等產品的電路板空間.

ST 表示，3.26-mm 2 BALF-SPI2-01D3 集成了將天線連接到 S2-LP 無線電所需的所有阻抗匹配和濾波組件。該集成器件取代了由 16 個分立電容器和電感器組成的傳統網絡，該網絡最多可占用 100 mm 2 的電路板空間，從而將占位面積減少 96% 以上。

“除了節省空間外，電路設計也大大簡化，無需選擇元件值或應對嚴格的布局挑戰，”ST 表示。“巴倫針對 S2-LP 進行了全面優化，帶有經過測試和驗證的放置和連接建議，可以直接復制以最大限度地提高射頻性能。”

隨著產品不斷縮小，預計對所有類型 IPD 的需求都會增長。

“隨著市場的尺寸驅動，尤其是智能手機，存在縮小尺寸的壓力；這不是可選的，”Eilert 說。“對于傳統解決方案，它們對于下一代產品來說太大了。”

審核編輯 黃昊宇