האתגר של החלל באלקטרוניקה המודרנית

ככל שהמכשירים האלקטרוניים מתכווץ בגודלם תוך כדי דרישה לפונקציונליות גדולה יותר, הלחץ על מהנדסים לארוז ביצועים נוספים לטביעות רגל קטנות יותר מעולם לא היה גבוה יותר. Power amplifiers (PAs), אשר חיוניים לתקשורת אלחוטית, מכ"ם וראשי חזית RF, באופן מסורתי לכבוש אזור לוח משמעותי בשל רכיבי ניהול פסיביים גדולים שלהם ודרישות של עצירות חום.

למה שילוב 3D עבור Power Amplifiers?

הנהג העיקרי לאינטגרציה 3D הוא הדרישה הבלתי פוסקת לצמצום בנייד, IoT, אווירוקל, ומכשירים רפואיים.על ידי ערימה של שכבות, האזור הכולל הנכבש על ידי תת-מערכת מגבר כוח יכול להיות מופחת על ידי 50% או יותר בהשוואה לפריסת 2D המסורתית. Beyond space Saving, הגישה האנכית מספקת מספר יתרונות חשמליים ותרמיים שמשפרים ישירות את ביצועי הרש"פ.

Parasitics ו- Shorter Interconnects

בעיצוב 2D, המרחק בין המגבר כוח לבין בלוקים מעגליים קריטיים אחרים (כגון נהגים, התאמת רשתות או מעגלים הטיה) יכול להיות כמה מ"מ, המציג אינדוקציונים parasitic ו capacitance כי degrad יעילות ו רוחב פס.ב- 3D-IC, קשרים אלה יכולים להיות מופחתים לעשרות מיקרומטרים באמצעות TSVs ו microbus microcys.

אפשרויות ניהול ארסיות

מגברי חשמל מייצרים חום משמעותי בשל היעילות הנמוכה שלהם (בדרך כלל 30-60% לשיעורים ליניאריים) בערימה 3D, מקורות חום יכולים להיות ממוקמים קרוב יותר לכיור החום, ואת הערימה עצמה יכול לשלב דרך תרמית, ערוצים מיקרו-קלידיים, או התפשטות חום ישירות בתוך השכבות.זה מאפשר התפשטות חום יעילה יותר בהשוואה לפריסת תכנות שבה חום חייב לנוע מאוחר יותר דרך תת-קרקעית, כגון טכניקות קירור משולבות, או קירור לתוך ערוצית.

שיפור אותות

הקשרים האנכיים הקצרים ב-3D-ICs להפחית את אזור הלולאה של נתיבי החזרה הנוכחיים, צמצום ההתערבות האלקטרומגנטית (EMI) וקרוסטור.זה חשוב במיוחד למגברי כוח המטפלים בתנודות מתח גדולות ובפסגות גבוהות יותר הנוכחיות.על ידי בידוד שכבת הרש"פ עם מטוסים קרקעיים ייעודיים ומגנים, ההשפעה על מעגלים דיגיטליים או רגישים ניתן לצמצם.

אסטרטגיות הליבה של Integrating Power Amplifiers ל 3D-ICs

מספר טכניקות מוכחות מאפשרות שילוב מוצלח של מגברי חשמל בערימות 3D. אסטרטגיות אלה חייבות להיות מאוזנות בקפידה כנגד מורכבות תהליכים, עלויות ומטרות ביצועים.

פשטות ושכבות

הגישה הפשוטה ביותר היא להציב את המגבר על שכבתו המסורה בתוך הערימה.שכבת זו יכולה להיות אופטימיזציה לדרישות הספציפיות של הרש"פ: עקבות נחושת עבות יותר עבור ביצועים גבוהים, נמוכים-הפסדים עבור ביצועי RF, וניתן לייעל דרך תרמית ייעודית.השכבה הפלסטינית עשויה לשבת בתחתית הערימה (בקרוב לשקוע החום) או באמצע, בהתאם לאסטרטגיה תרמית של בית אחר, כמו גם חסימת הבקרה של המערכת).

באמצעות Silicon Vias (TSVs) עבור אינטרקוק

TSVs הם אבן הפינה של אינטגרציה 3D. עבור מגברי חשמל, TSVs חייב להיות מיועד להתמודד עם זרמים גבוהים (לעתים קרובות > 1 A) ואת אותות קידוד גבוה (עד עשרות GHz) שיקולים מרכזיים כוללים באמצעות קוטר, המגרש, חומר. Copper מלא TSVs מציעים התנגדות נמוכה, אבל ההתרחבות התרמית בין נחושת וסיליקון יכול לגרום ללחץ חטוף או ירידה של מספר העליון של TS) באופן מדויק.

מיקרובוקפט ו-Bellowing

בין שכבות, מיקרובומפs דק (10-40 מיקרומטר) או חיבור היברידי ישיר (sub-10 μm המגרש) לספק את החיבור החשמלי והמכני.עבור הרש"פ בעוצמה גבוהה, ניתן להשתמש במערך microbump כדי להפיץ את האג"ח הנוכחי והחום.חיבור ההיברידי מציע התנגדות נמוכה יותר וצפיפות גבוהות יותר, אך דורש משטחים שטוחים נקיים מאוד.

טכניקות ניהול נמרץ

ניהול תרמי הוא האתגר הגדול ביותר כאשר מחסנית כוח עמיד חום מגבירים.ללא פתרונות מתאימים, טמפרטורות צומת יכולות לעלות על 150 מעלות צלזיוס, מה שמוביל לירידה ביעילות, באמינות ובהשפלה בביצועים.

Thermal Vias ו- Microchannels

דרך תרמית הם חורים מלאים מתכת המספקים נתיב בעל קצב נמוך-עשר מטרים מן הצומת הרש"פ לשקע חום חיצוני.הם יכולים להשתלב בשכבה הרש"פ עצמה או דרך ה- interposer.עבור פלוקסים חום קיצוני (>100 W/cm2), מיקרו ערוצים דחוסים לתוך הסיליקון או האחורי של הרש"פ מתים ניתן להשתמש עם שכבת קירור (למשל, מים נוזליים, או נוזל) עם נוזל (מסוגים) ונוזלים).

מפיץ חום ו Embedded Thermal Planes

סוללת שכבה דקה של חומר מולי-תרמי גבוה (למשל, יהלום, גרפיטי גרפיט pyrolytic, או מקרפלקסים נחושת-גרף) בתוך הערימה יכול להפיץ חום מאוחר יותר לפני שהוא מגיע לתרמית דרך.זה מקטין את הטמפרטורה של נקודה חמה ומאפשר קירור אחיד יותר.המפיץ החום יכול לשמש גם כקרקע עבור אותות RF, מתן פונקציונליות כפולה.

Coolers (TECs)

עבור יישומים הדורשים קירור פעיל בצורה קומפקטית (למשל, טרנזבולים אופטיים או מערכות לווייניות), ניתן לשלב מיקרו-TECs בתוך ה- interposer או רכוב ישירות מעל הרש"פ, למרות שהם מוסיפים צריכת חשמל, TECs יכולים לשמור על טמפרטורה יציבה ללא קשר לתנאי הסביבה, שיפור לינאריות ואמינות הרש"פ.

עיצוב דיאלקטרי ו- Dielectric Design

החומרים המשמשים ל dielectrics בין-שכבות (ILD), תת-קרקעית, ומתכת משפיעה ישירות על הביצועים החשמליים של הרש"פ, במיוחד בתדרי מיקרוגל ומילימטר.

נמוך-Loss Dielectrics

סיליקון סטנדרטי דו חמצני (SiO2) יש אובדן של כ 0.01 בתדרים גבוהים, אשר יכול לגרום לעצירה בלתי מקובלת במסלול פלט הרש"פ. דיאלקטרי נמוך כגון benzocyclobutene (BCB), פולימניד, או דיאלקטריות פולימריות מתקדמות מושעה (למשל, LCP או FE מבוסס מורכב) ניתן להשתמש בשכבה PAB, אפילו ירידה של 10D2, אם כיבוד נמוך יותר של תאים אלה.

מתכת גבוהה

Copper הוא המתכת הנפוצה ביותר עבור מערכות תלת-ממדיות. עם זאת, עבור מגברי חשמל, אפקט העור בתדרים גבוהים הנוכחי לזרום על פני השטח.שימוש נחושת עבה יותר (למשל, 5-10 מיקרומטר) או יישום כסף או זהב על נתיבי אותות קריטי יכול להפחית הפסדי אומי.

המונחים: heterogeneous אינטגרציה

לעתים קרובות מגבר הכוח מוקרן בטכנולוגיית מוליכים למחצה שונה (GaAs, GaN, או SiGe) משאר הערימה (שמשתמשים CMOS סטנדרטית) שילוב הטרוגניים דורש עיצוב זהיר של ממשק בין טכנולוגיות.לדוגמה, GaN PAs לפעול במתחים גבוהים (20-50 V) בעוד CMOS משתמשת לוגיקה 0.9-1.8 V. ערימה D חייב לכלול מבנים ודרישות מתחים נפרדים.

שיקולים ואתגרים

בעוד אסטרטגיות לעיל מאפשרות שילוב, יש לטפל כמה שיקולים מעשיים במהלך שלב העיצוב כדי למנוע ספין-פינים יקרים.

המונחים: Layer

ערימה 3D דורש דיוק תת-מיקרונית בין שכבות.עבור מעגלים PA עם קווי שידור מעוקלים הדוק (למשל, 50 מיקרומטר מגרש), אפילו 1 μm מטעה יכול לשנות את האימפולס האופייני ולגרום לאות התאמה.שימוש סימני היבואה על כל שכבה ומערכת תיאום גלובלית במהלך ליתוגרפיה הוא חיוני.

בדיקה וידועה של Good Die (KGD)

בדיקת מגבר כוח לאחר שהוא מוטבע בערימה קשה כי רבים מהצבים הפנימיים אינם נגישים.זה קריטי להבטיח שכל ימות בערימה הוא מוות ידוע (KGD) לפני החיבור.עבור הרש"פ, זה כולל בדיקות DC, מדדי S-paraal S-meter קטנים, ועוצמה רבה והתאמה.כל פגם יכול להפוך את כל ערימה בלתי אפשרית של מעגל חיצוני (Btested) הוא מעגל חיצוני יכול להיות פעיל.

Power Delivery Network (PDN)

מגברי חשמל שואבים זרמים גדולים, מותקפים (במיוחד בסימנים מודולים כמו 5G NR או מכ"ם) רשת משלוח החשמל בתוך ערימה 3D חייב לספק תנופה נמוכה על טווח תדר רחב כדי להימנע מנפיחות מתח ופליטות מעוררות.זה דורש מיקום זהה של capacitors decoupling (כנראה מוטבע בתוך הערימה או בתוך הערימה), duct נמוך להבטיח מקבילה עבור PTVTS.

אלקטרומגנטי קופלינג ושיקום

הקרבה של שכבות בערימה 3D יכולה להוביל להפיכה אלקטרומגנטית בלתי מאוישת בין הפלט הרש"פ לבין מעגלים אנלוגיים רגישים או דיגיטליים.טכניקות הקטנת משותפת כוללות:

  • מגן קרקע ייעודי בין שכבות (למשל, מטוס קרקע מעוצב על גבו של מת הרש"פ).
  • שימוש בסימן שונה לקלט ולפלט של הרש"פ (אם רלוונטי).
  • הפרדה פיזית של שכבת הרש"פ מאבני רגישות לרעש, בסיוע באמצעות דרך תרמית שפועלת גם כקירות בידוד.
  • סימול את הסביבה האלקטרומגנטית המלאה 3D (למשל, באמצעות HFSS או CST) כדי לזהות נתיבים הפיכה ולהתאים את העיצוב בהתאם.

אינטגרציה מתקדמת

מעבר לאסטרטגיות הבסיסיות, מספר טכניקות מתפתחות מבטיחות אפילו חיסכון גדול יותר של חלל ושיפורים ביצועים בעתיד של מגברי כוח 3D-IC.

שילוב 3D

תהליכים מונוליטיים 3D-IC (M3D) בונים שכבות מרובות של מכשירים באופן משמעותי על אותה תת-קרקעית, הימנעות מהצורך ב-TSVs וחיבור. עבור מגברי חשמל, זה יאפשר לרשות להיות מרוקנים בשכבה העליונה של GaN או GaAs-on-Si, עם מעגלים שליטה CMOS בשכבה התחתונה.

עקבו אחרי Passive Components

התאמת רשתות, חנק ופילטרים עבור מגברי חשמל לעתים קרובות להשתמש בתלמידים גדולים ו capacitors כי לצרוך שטח משמעותי. ב 3D-ICs, אלה פסיביים ניתן לשלב בתוך ה- interposer או שכבות פסיביות ייעודיות באמצעות טכנולוגיית פילים דקים (כלומר, קפיציפיות גבוהה או עקבות מתכת-מתכת (m) עם קיבולת גבוהה יותר של חלקיקים (n-F) עם טבולית) עם טבולית (p) לתוך חלקיקים מגנטיים) עם טבוליתים (החומרים) מגנטיים) יכול להיות מ- 100.

עיצוב משותף של אנטנה ורש"פ

עבור יישומים אלחוטיים, מגבר הכוח מניע לעתים קרובות אנטנה.ב 3D-IC, האנטנה יכולה להשתלב על השכבה העליונה של הערימה, ישירות מעל הרשות.זה מבטל את הצורך קו שידור נפרד ומחבר, לחסוך חלל וצמצום אובדן.התפוקה של הרש"פ יכולה להיות תואמת לאימפולס האנטנה באמצעות TSV קצר או באמצעות מבנה מתפתל (למשל, גישה גמישה עבור נוסחאות פתוחות במיוחד עבור גלקסיות).

מחקר מקרה: 28 GHz PA ב 3D-IC עבור 5G

כדי להמחיש אסטרטגיות אלה, לשקול מגבר כוח 28 GHz המיועד למודול בסיס 5G בשלב-array.המודול חייב פלט 1 W (30 dBm) עבור אלמנט תוך התאמה לאזור 5x5 מ"מ לכל רכיב (כולל אנטנה).

  • (FLT:0)Layerערימה: FLT:1 שכבה תחתונה (נהג CMOS ושליטה בהטיה), שכבת ביניים (GaN PA Die, ספין-צ'יפ מחובר), שכבת העליון (האנטנה על תת-קרקעית נמוכה).
  • (FLT:0TSVs:FLT:1 100 TSVs (20 מיקרומטר, 50 μm המגרש) עבור כוח וקרקע, עם קואקסיאלי ייעודי TSV עבור הפלט RF לאנטנה.כל TSV הוא מודל עם 0.1H inductance ו 0.05 pF capacitance.
  • (FLT:0) Thermal:FLT:1 ; A 100 μm עבה חום התפשטות מוטבע בתוך ה-Acroposer ישירות מתחת למות GaN. 200 תרמי באמצעות (10 מיקרומטר) לחבר את התפשטות החום למיקרו-ערוצי קריר יותר ב- סיליקון interposer.נוזל הקירור הוא גליקול מים, זורם 0.5 L /min.
  • (FLT:0) הטמעת:0 (Matching:FLT:1) רשת הפלט משולבת חלקית ברש"פ למות עצמה, עם המחנך הנותרים הבין כספירלה על המתווך באמצעות 10 מיקרומטר נחושת עבה. A MIM capacitor (50 pF) עבור בלוק DC הוא מוטבע בתוך התווך.
  • (FLT:0)Result:FLT:1; טביעת הרגל הכוללת של אלמנט מופחתת על ידי 40% בהשוואה לתכנון 2D, עם סימולציה של PAE של 40% וכוח התפוקה של 30 dBm. הטמפרטורה של הצומת נשאר מתחת 120 מעלות צלזיוס ב 50 מעלות צלזיוס.

מסקנה

(הדגשה על כוח) ל-3D-ICs היא אסטרטגיה עוצמתית להשגת חיסכון דרמטי בחלל במערכות אלקטרוניות מודרניות.על ידי מינוף ערימה אנכית, באמצעות silicon באמצעות, ניהול תרמי מתקדם ובחירת חומרים זהירים, מהנדסים יכולים ליצור קומפקטיים, ביצועים גבוהים של מערכת ניהול מערכת מכ"ם אשר עונה על הדרישות המחמירות של 5G, חלל ו-IoT.