Table of Contents

Вызов космосу в современной электронике

Поскольку электронные устройства уменьшаются в размерах, требуя большей функциональности, давление на инженеров, чтобы упаковать больше производительности в меньшие следы никогда не было выше. Усилители мощности (УУС), которые необходимы для беспроводной связи, радара и радиочастотных интерфейсов, традиционно занимают значительную площадь платы из-за их больших пассивных компонентов и требований к рассеиванию тепла. Трехмерные интегральные схемы (3D-IC) предлагают убедительный путь вперед, укладывая несколько слоев активных и пассивных схем вертикально, резко уменьшая планарный след. Однако интеграция усилителей мощности в эти слоистые стеки вводит уникальные тепловые, электрические и производственные проблемы, которые требуют преднамеренных стратегий. В этой статье рассматриваются ключевые подходы к встраиванию УУС в 3D-IC, от вертикального укладки и сквозных сущностей (TSV) к передовому управлению тепловой и выбор материала, обеспечивая практическое руководство для инженеров, преследующих оптимизированные для пространства высокопроизводительные системы.

Почему 3D-интеграция для усилителей мощности?

Основным драйвером для 3D-интеграции является неустанный спрос на миниатюризацию в мобильных, IoT, аэрокосмических и медицинских устройствах. Путем укладки слоев общая площадь, занимаемая подсистемой усилителя мощности, может быть уменьшена на 50% или более по сравнению с традиционной 2D-макетой. Помимо экономии пространства вертикальный подход обеспечивает несколько электрических и тепловых преимуществ, которые непосредственно улучшают производительность PA.

Уменьшение паразитов и более короткие межсоединения

В 2D-конструкции расстояние между усилителем мощности и другими критическими блоками схемы (такими как драйверы, соответствующие сети или схемы смещения) может составлять несколько миллиметров, вводя паразитную индуктивность и емкость, которые ухудшают эффективность и пропускную способность. В 3D-IC эти соединения могут быть уменьшены до десятков микрометров с использованием TSV и микрокачелей. Более короткие длины межсоединений снижают паразитные эффекты, обеспечивая более высокие рабочие частоты и лучшую линейность. Например, 10-кратное снижение индуктивности межсоединений может улучшить коэффициент усиления на 1-2 дБ на частотах миллиметровых волн.

Расширенные возможности термоменеджмента

Усилители мощности генерируют значительное тепло из-за их низкой эффективности (обычно 30-60% для линейных классов). В 3D-стеке источники тепла могут быть размещены ближе к теплоотводу, а сам стек может включать тепловые сквозняки, микрофлюидные каналы или теплораспределители непосредственно в слоях. Это позволяет более эффективно распространять тепло по сравнению с планарной компоновкой, где тепло должно проходить боково через подложку. Активные методы охлаждения, такие как интегрированные термоэлектрические охладители или каналы жидкого охлаждения, вытравленные в кремниевый интерпостер, становятся осуществимыми в 3D-IC.

Улучшенная целостность сигнала

Короткие вертикальные межсоединения в 3D-IC уменьшают область петли для обратных путей тока, минимизируя электромагнитные помехи (EMI) и перекрестные помехи. Это особенно важно для усилителей мощности, которые обрабатывают большие колебания напряжения и пики высокого тока. Выделяя слой PA с выделенными наземными плоскостями и защитными структурами, можно смягчить воздействие на соседние цифровые или чувствительные аналоговые схемы.

Основные стратегии интеграции усилителей мощности в 3D-IC

Несколько проверенных методов позволяют успешно интегрировать усилители мощности в 3D-стеке.Эти стратегии должны быть тщательно сбалансированы с учетом сложности процесса, стоимости и целевых показателей производительности.

Вертикальная стекировка и разделение слоев

Наиболее простой подход заключается в размещении усилителя мощности на своем собственном выделенном слое в стеке. Этот слой может быть оптимизирован для конкретных требований PA: более толстые медные следы для высокого тока, диэлектрики с низкими потерями для производительности RF и выделенные тепловые сквозняки. Слой PA может находиться в нижней части стека (ближе к теплоотводу) или в середине, в зависимости от стратегии управления теплом. Другие слои содержат драйвер, логику управления, соответствующие сети и управление мощностью. Это разделение гарантирует, что каждый функциональный блок может быть изготовлен с использованием наиболее подходящей технологической технологии (например, GaAs или GaN для PA, CMOS для логики управления) в гетерогенной схеме интеграции.

Through-Silicon Vias (TSV) для межсетевого соединения

TSV являются краеугольным камнем 3D-интеграции. Для усилителей мощности TSV должны быть спроектированы для обработки высоких токов (часто > 1 А) и высокочастотных сигналов (до десятков ГГц). Ключевые соображения включают в себя диаметр, шаг и материал. Медные заполненные TSVs предлагают низкое сопротивление, но несоответствие теплового расширения между медью и кремнием может вызывать напряжение. Уплотненные TSV или кольцевые TSV могут снижать напряжение при сохранении проводимости. Для радиочастотных сигналов коаксиальные TSV (с внутренним проводником и внешним щитом) обеспечивают превосходную изоляцию и снижение потерь. Число TSV для блока PA обычно колеблется от десятков для смещения и наземных соединений до сотен для распределения сигнала и мощности. Паразитическая индуктивность и емкость TSV должны быть точно смоделированы, чтобы избежать ухудшения производительности PA на высоких частотах.

Микробамп и гибридная связь

Между слоями тонкодисперсные микронасосы (10-40 мкм диаметра) или прямое гибридное сцепление (под 10 мкм шаг) обеспечивают электрическое и механическое соединение. Для мощных ПУ могут использоваться микронасосы для распределения тока и тепла. Гибридное сцепление обеспечивает более низкое сопротивление и более высокую плотность, но требует чрезвычайно плоских и чистых поверхностей. Для ПА-слоев, которые генерируют существенное тепло, сам интерфейс связи становится термическим узким местом. Использование теплопроводящего недостаточного наполнения или металлопроката скрепляющего материала улучшает теплопередачу.

Техника термоменеджмента

Термическое управление является самой большой проблемой при укладке усилителей с высокой теплоемкостью. Без надлежащих решений температура соединения может превышать 150 ° C, что приводит к снижению эффективности, отказу надежности и ухудшению производительности. Для эффективного охлаждения можно комбинировать несколько методов.

Термические виасы и микроканалы

Термические сквозные отверстия представляют собой заполненные металлом отверстия, которые обеспечивают путь с низкой термической устойчивостью от PA-перехода до внешнего теплоотвода. Они могут быть интегрированы в сам слой PA или через интерпостер. Для экстремальных тепловых потоков (> 100 Вт / см2) микроканалы, вытравленные в кремниевый интерпостер или заднюю сторону PA-отверстия, могут использоваться с жидким охлаждением (например, вода или диэлектрические жидкости). Эти микроканалы могут быть изготовлены с использованием глубокого реактивно-ионного травления (DRIE) и покрыты слоем крышки для формирования закрытых каналов. Впуск и выпуск жидкости направляются к краям стека.

Теплораспределители и встроенные тепловые самолеты

Встраивание тонкого слоя высокотеплопроводящего материала (например, алмаза, пиролитического графита или медно-графеновых композитов) в стек может распространять тепло в боковом направлении, прежде чем оно достигнет тепловых сред. Это снижает температуру горячей точки и позволяет более равномерное охлаждение. Распределитель тепла также может служить в качестве наземной плоскости для радиочастотных сигналов, обеспечивая двойную функциональность.

Термоэлектрические охладители (TEC)

Для приложений, требующих активного охлаждения в компактной форме (например, оптические приемопередатчики или спутниковые системы), микро-ТЭС могут быть интегрированы в интерпостер или установлены непосредственно над ПА. Хотя они добавляют потребление энергии, ТЭС могут поддерживать стабильную температуру независимо от условий окружающей среды, улучшая линейность и надежность ПА.

Выбор материала и диэлектрический дизайн

Материалы, используемые для межслойных диэлектриков (ILD), подложки и металлизации, непосредственно влияют на электрические характеристики PA, особенно на микроволновых и миллиметровых частотах.

Низкоубыточные диэлектрики

Стандартный диоксид кремния (SiO2) имеет тангенс потерь около 0,01 на высоких частотах, что может вызвать неприемлемое ослабление на выходном пути PA. В слое PA могут использоваться диэлектрики с более низкими потерями, такие как бензоциклобутен (BCB), полиимид или усовершенствованные полимерные диэлектрики (например, композиты на основе LCP или PTFE). Эти материалы имеют тангенсы потерь ниже 0,005 при 10 ГГц, что значительно снижает потери подложки. Для еще более низких потерь линии передачи с воздушным разрывом или подвесные линии микрополосы могут быть сформированы в 3D-стеке, хотя это увеличивает сложность процесса.

Высокопроводимые металлы

Медь является наиболее распространенным металлом для 3D-IC межсоединений. Однако для усилителей мощности кожный эффект на высоких частотах заставляет ток течь по поверхности. Использование более толстой меди (например, 5-10 мкм) или нанесение серебряной или золотой отделки на критические сигнальные пути может уменьшить омические потери. В некоторых конструкциях медные столбы с золотым колпачком используются для высокочастотных соединений с выходом ПА.

Неоднородные интеграционные соображения

Часто усилитель мощности изготавливается по другой полупроводниковой технологии (GaAs, GaN или SiGe), чем остальная часть стека (которая использует стандартную CMOS). Эта гетерогенная интеграция требует тщательной разработки интерфейса между технологиями. Например, GaN PA работают при высоких напряжениях (20-50 В), в то время как логика CMOS использует 0,9-1,8 В. 3D стек должен включать сдвигатели уровней, структуры изоляции и отдельные области мощности. Высокое напряжение PA также влияет на толщину ILD и требования к напряжению пробоя для TSV и интерфейсов связывания.

Дизайн-соображения и проблемы

Хотя вышеупомянутые стратегии позволяют интегрировать, на этапе проектирования необходимо рассмотреть несколько практических соображений, чтобы избежать дорогостоящих повторных вращений.

Регистрация выравнивания и уровня

3D-укладка требует точности выравнивания субмикрона между слоями. Для схем PA с близко расположенными линиями передачи (например, 50 мкм шага) даже несоответствие 1 мкм может изменить характеристическое сопротивление и вызвать несоответствие. Использование меток выравнивания на каждом слое и глобальной системы координат во время литографии имеет важное значение. Связывание на уровне вафера (против уровня выравнивания) может улучшить согласованность выравнивания.

Тестирование и известная хорошая смерть (KGD)

Испытание усилителя мощности после его встраивания в стек затруднено, поскольку многие внутренние узлы недоступны. Крайне важно убедиться, что каждый смерч в стеке является известным хорошим смерчем (KGD) перед связыванием. Для PA это включает в себя тесты постоянного тока, измерения S-параметра малого сигнала и характеристики мощности и эффективности большого сигнала. Любой неисправный PA-смерть может сделать весь стек непригодным. Разработка встроенных схем самотестирования (BIST), к которым можно получить доступ через внешний интерфейс стека, является активной областью исследований.

Сеть доставки электроэнергии (PDN)

Усилители мощности вытягивают большие импульсные токи (особенно в модулированных сигналах, таких как 5G NR или радар). Сеть подачи мощности в 3D-стеке должна обеспечивать низкое сопротивление в широком диапазоне частот, чтобы избежать падения напряжения и ложных выбросов. Это требует тщательного размещения разъединяющих конденсаторов (возможно, встроенных в интерпостер или в стек), низкоиндуктивных TSV для Vdd и земли и нескольких параллельных TSV для снижения сопротивления. Конструкция PDN должна быть со-симулирована с PA для обеспечения стабильности.

Электромагнитная связь и изоляция

Близость слоев в 3D-стеке может привести к непреднамеренной электромагнитной связи между выходом PA и чувствительными аналоговыми или цифровыми схемами.

  • Выделенные наземные щиты между слоями (например, узорчатая наземная плоскость на задней стороне ПА гибнет).
  • Использование дифференциальной сигнализации для входа и выхода PA (если применимо).
  • Физическое отделение слоя PA от чувствительных к шуму блоков, чему способствуют тепловые сквозняки, которые также действуют как стенки изоляции.
  • Моделирование полной 3D-электромагнитной среды (например, с использованием HFSS или CST) для идентификации путей соединения и соответствующей корректировки конструкции.

Передовые концепции интеграции

Помимо основных стратегий, некоторые новые технологии обещают еще большую экономию пространства и повышение производительности для будущих усилителей мощности 3D-IC.

Монолитная 3D-интеграция

Монолитические 3D-IC (M3D) процессы строят несколько слоев устройства последовательно на одной подложке, избегая необходимости в TSV и склеивании. Для усилителей мощности это позволило бы изготавливать PA в верхнем слое GaN или GaAs-on-Si, с цепями управления CMOS в нижнем слое. Крайне короткие вертикальные межсоединения (нанометровая шкала) могли бы достичь беспрецедентной плотности мощности и пропускной способности. Однако тепловой бюджет последовательной обработки ограничивает выбор материалов, а незрелость монолитной интеграции для составных полупроводников означает, что этот подход остается в значительной степени экспериментальным.

Встроенные пассивные компоненты

Совпадающие сети, дроссельные зажимы и фильтры для усилителей мощности часто используют большие индукторы и конденсаторы, потребляющие значительную площадь. В 3D-IC эти пассивные элементы могут быть интегрированы в интерпостер или выделенные пассивные слои с использованием тонкопленочной технологии. В конденсаторы высокой плотности (например, конденсаторы траншей или металл-инсулятор-металл (MIM) конденсаторы) могут быть встроены значения до 100 нФ/мм2. Индукторы могут быть сформированы с использованием спиральных следов в толстых медных слоях, с магнитным материалом сердечника (например, ферритом или магнитными наночастицами) для увеличения индуктивности на область. Это дополнительно уменьшает общий след подсистемы PA.

Со-дизайн Антенны и PA

Для беспроводных приложений усилитель мощности часто приводит в действие антенну. В 3D-IC антенна может быть интегрирована на верхнем слое стека, непосредственно над PA. Это устраняет необходимость в отдельной линии передачи и разъеме, экономя пространство и уменьшая потери. Выход PA может быть сопоставлен с сопротивлением антенны через короткую TSV или через структуру соединения (например, апертурное соединение). Близкая близость также позволяет создавать новые топологии, такие как активные интегрированные антенны, где PA и антенна совместно разработаны для оптимальной эффективности и пропускной способности. Этот подход особенно привлекателен для систем с фазированной антенной решеткой, где десятки или сотни PA-антенны должны помещаться на небольшой площади.

Пример: 28 ГГц PA в 3D-IC для 5G

Для иллюстрации этих стратегий рассмотрим усилитель мощности 28 ГГц, предназначенный для модуля фазированной антенной панели базовой станции 5G. Модуль должен выдавать 1 Вт (30 дБм) на элемент при установке в область 5x5 мм на элемент (включая антенну). Используя подход 3D-IC:

  • Стек слоя: Нижний слой (CMOS драйвер и управление смещениями), средний слой (GaN PA гибнет, скрепляется с помощью флип-чипа), верхний слой (антенна на субстрате с низкими потерями). GaN PA представляет собой четырехступенчатую конструкцию, оптимизированную для 28 ГГц.
  • TSV: 100 TSV (20 мкм диаметра, 50 мкм шага) для мощности и земли, с выделенным коаксиальным TSV для вывода RF на антенну. Каждый TSV моделируется с индуктивностью 0,1 нН и емкостью 0,05 пФ.
  • Тепло: Алмазный теплораспределитель толщиной 100 мкм встроен в интерпостер непосредственно под кристаллом GaN. 200 тепловых сквозняков (10 мкм диаметра) соединяют теплораспределитель с микроканальным охладителем в кремниевом интерпозиторе. Охлаждающая жидкость представляет собой водяной гликол, протекающий при 0,5 л/мин.
  • Матчирование: Сеть согласования выходов частично интегрирована в саму ПА-диру, а оставшийся шунтирующий индуктивный элемент реализован в виде спирали на интерпостере с использованием меди толщиной 10 мкм. Конденсатор MIM (50 пФ) для блокировки постоянного тока встроен в интерпостер.
  • Результат: Общий след на элемент уменьшается на 40% по сравнению с 2D-проектом, при моделируемой PAE 40% и выходной мощности 30 дБм. Температура перехода остается ниже 120°С при температуре окружающей среды 50°С.

Заключение

Интеграция усилителей мощности в 3D-ICs является мощной стратегией для достижения значительной экономии пространства в современных электронных системах. Используя вертикальное стекирование, сквозные силиконовые сквозные пути, передовое управление тепловыми потоками и тщательный выбор материала, инженеры могут создавать компактные высокопроизводительные подсистемы PA, которые отвечают строгим требованиям 5G, аэрокосмической промышленности и IoT. Проблемы - тепловое рассеивание, тестирование, выравнивание и изоляция - требуют преднамеренного проектирования и моделирования, но отдача от снижения площади и улучшенных электрических характеристик делает усилия целесообразными. По мере созревания монолитной интеграции и встроенных пассивных устройств подход 3D-IC станет еще более важным для беспроводных и радиолокационных систем следующего поколения. Для дальнейшего чтения обратитесь к статье 3D-IC по термоуправлению , статье в журнале микроэлектроники о дизайне TSV для RF и практическому руководству по 3D-IC PAs .