Modern Elektronik Uzaydaki Zorluk

Elektronik cihazlar daha büyük işlevsellik talep ederken boyut küçültmek için mühendislere daha küçük ayak izi daha fazla performans sağlamak için baskı asla daha yüksek olmamıştı. Güç yükselteçleri (PAs), kablosuz iletişim için gerekli olan radar ve RF ön uçları, geleneksel olarak büyük pasif bileşenler ve ısı dağılımı gereksinimleri nedeniyle önemli yönetim alanları entegre etmek. Üç boyutlu entegre devreler (3D-IC) Bu efekt stratejileri kullanarak, dinamik bir şekilde kontrol noktalarına yönelik birçok kılavuzluk yaklaşımları incelemek için zorlu bir yol sunar.

Güç amplifatörler için 3D Entegrasyonu Neden?

3D entegrasyonu için birincil sürücü, mobil, IoT, havacılık ve tıbbi cihazlardaki miniaturizasyon için sürekli bir taleptir.In stacking katmanları, bir güç yükselteçli alt sistem tarafından işgal edilen genel alan, geleneksel 2D düzenine kıyasla% 50 veya daha fazla azaltılabilir.

Az önce Parasitics ve Kısa Bağlantılar

2D tasarımda, güç yükselticisi ve diğer kritik devre blokları arasındaki mesafe (örneğin sürücüler, eşleştirme ağları veya önyargı devreleri gibi) birkaç milimetre olabilir, parasitik giriş ve daha iyi doğrusallık sağlar. Örneğin, bağlantı içinde 10x azaltılabilir, bu bağlantılar TSV'leri ve mikrometers kullanarak 1-2 miller için azaltılabilir.

Geliştirilmiş Termal Yönetim Fırsatları

Güç yükselteçleri düşük verimlilikleri nedeniyle önemli ısı yaratır (tipik olarak 30-60 lineer sınıflar için% 30-60). 3D bir yığında ısı kaynakları ısı lavaboya daha yakın olabilir ve yığın kendi ısı parçaları, mikrofluidik kanallar veya ısı yayarlar doğrudan tabakalarda kullanılabilir.Bu, daha etkili bir ısının daha geç turda seyahat etmesi gereken bir plansal düzenle kıyasla daha etkili ısıya doğru yayılabilir. Aktif soğutma teknikleri, entegre termoelektrik soğutucular veya sıvı soğutma kanalları ve silikon iç içe geçmiş 3D-IC'lerde mümkün olabilir.

Geliştirilmiş Signal Integrity

3D-IC'lerde kısa dikey bağlantı, mevcut geri dönüş yolları için döngü alanını azaltır, minimiz elektromanyetik müdahale (EMI) ve çapraz sap. Bu, büyük gerilim hızlarını ve yüksek akım zirvelerini ele alan güç yükselteçleri için özellikle önemlidir.

Güç Ampiriklerini 3D-ICs'e entegre etmek için Zorunlu Stratejiler

Bazı kanıtlanmış teknikler, 3D yığınlarında güç yükselteçlerinin başarılı entegrasyonuna olanak sağlar. Bu stratejiler karmaşıklık, maliyet ve performans hedeflerine karşı dikkatli bir şekilde dengelenmelidir.

Dikey aksesuar ve Katmanı

En basit yaklaşım, yüksek mevcut, düşük ahşap betonlar için güçlendiricisi yerleştirmektir. PA tabakasının en uygun işlemden (ortaya ısı batabilir) veya ortadaki ısı yönetimi stratejisine bağlı olarak, yüksek çözünürlükte, düşük ahşap betonlar için kontrol mantığı, eşleştirme ağları ve güç yönetimi sağlar.

Interconnect için -Silicon Vias (TSVs)

TSV'ler 3D entegrasyonun temel taşıdır. Güç yükselticileri için TSV'ler yüksek akımları (örneğin >1 A) ve yüksek frekanslı sinyalleri (On GHz'in temel göz önünde bulundurmak için), Cücüğün (küphesiz bir iletken ve dışlanmış TSV’ler arasındaki ısıtımı) yüksek çözünürlükte yüzlerce yüksek çözünürlükte olan TSV'ye veya yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan basıncı azaltmalıdır.

Microbump ve Hybrid Bonding

Katmanlar arasında, ince-pitch mikrobumps (10-40 μm çapında) veya doğrudan hibrit bağ (sub-10 μm alanı) elektrik ve mekanik bağlantı sağlar. Yüksek enerjili PA'lar için, mikrobumps mevcut ve ısıyı dağıtmak için kullanılabilir. Hybrid bağ daha düşük direnç ve daha yüksek yoğunluk sunar, ancak önemli ısı üreten PA tabakaları için, bağ arayüzünün kendisi ısıtılır.

Termal Yönetim Teknikleri

Termal yönetim, ısı yoğun güç yükselteçleri yığınında en büyük meydan okumadır. Doğru çözümler olmadan, eklem sıcaklıkları 150 °C'yi aşabilir, verimliliği, güvenilirlik başarısızlıklarını ve performans bozulmasını azaltabilir. Birden çok teknik etkili soğutma için birleştirilebilir.

Termal Vias ve Microchannels

Termal vias, düşük çözünürlükte bir ısı geçişi için, yüksek ısı akışları (>100 W /cm2), mikro kanalları ve PA'nun arka tarafında sıvı soğutma ile (örneğin, su veya dielektrik sıvıları ile) kullanılabilir.

Heat spreaders ve Gömülü Termal Planlar

Yüksek-termal-kondüktör materyalinin ince bir katmanı (örneğin, elmas, pirolytic grafiği veya bakır-grafen kompozitler) içinde, ısının ısıya ulaşmasından önce ısıyı yayabilir ve daha üniformalı soğutma sağlar.

Termoelektrik Soğutmaları (TECs)

Kompakt bir formda aktif soğutma gerektiren uygulamalar için (örneğin, optik transceivers veya uydu sistemleri), mikro-TECs doğrudan PA'nın üzerinde monte edilebilir veya doğrudan monte edilebilir.

Malzeme Seçimi ve Dielektrik Tasarımı

Interkatal dielektrikler (ILD), substratlar ve metalizasyon için kullanılan malzemeler, özellikle mikrodalga ve milimetre dalga frekanslarında, PA'nın elektrik performansını doğrudan etkiler.

Low-Los Dielektrikler

Standart silikon dioksit (SiO2) yüksek frekanslarda yaklaşık 0.01'lik bir kaybı vardır, bu da PA çıkışında kabul edilemez hale gelebilir.Bu malzemelerde 20,5'in altında kaybolabilir, hatta daha düşük kayıp, hava-gap iletim hatları veya mikrobüçlü paketler için, bu işlem karmaşıklığında kullanılabilir.

Yüksek yoğunluklu Metaller

Bakır, 3D-IC interconnects için en yaygın metaldir. Ancak, güç yükselteçleri için, yüksek frekanslarda bulunan cilt etkisi yüzeye akış için kullanılabilir.Lüzer bakır (örneğin, 5-10 μm) kullanarak veya kritik sinyal yolları üzerinde bir gümüş veya altın bitirmek ohmik kayıplar azaltabilir. Bazı tasarımları, yüksek frekanslı bağlantıların yüksek frekanslı bağlantıların PA çıkışına kadar kullanılır.

Heterojen entegrasyonlar

Çoğu zaman güç amplifikü farklı yarı iletken bir teknolojide (GaAs, GaN veya SiGe) yığınlarının geri kalanının (bu standart CMOS kullanan) bu heterojen entegrasyon, teknoloji arasındaki arayüzlerin dikkatli bir şekilde tasarımını gerektirir. Örneğin, GaN PA'lar yüksek gerilimlerde çalışırken, CMOS mantığı 0.9-1.8 V'yi kullanır.

TasarımDüşündürmeler ve Zorluklar

Yukarıdaki stratejiler entegrasyona olanak sağlarken, birkaç pratik değerlendirme, pahalı re-spinlerden kaçınmak için tasarım aşamasında ele alınmalıdır.

Adaptasyon ve Katman Kaydı

3D yığınlama, katmanlar arasında alt-mikron hizalama doğruluğunu gerektirir. For PA devreleri yakından uzaylı iletim hatları (örneğin, 50 μm ak), 1 μm yanlışlık bile karakteristik uyum işaretlerini her katmanda ve küresel koordinat sistemi kullanarak uyumsuzluğu artırabilir.

Test ve Bilinen Good Die (KGD)

Bir yığınta gömülü olduğundan sonra bir güçlendirici test etmek zordur, çünkü birçok iç düğümler ulaşılamaz.Her bir hatalı PA, her bir kişinin kendini test etmeden önce bilinen iyi bir ölüdür (KGD). PA'lar için, bu DC testleri, küçük imzalı S-parametre ölçümleri ve büyük ölçekli bir araştırma alanı içerir.

Power Delivery Network (PDN)

Güç yükselteçleri büyük, pullanmış akımlar çizer (özellikle 5G NR veya radar gibi modlanmış sinyalleri). 3D yığın içindeki güç teslimat ağı Vdd ve zemin için düşük bir frekans aralığı sağlamalıdır ve çok yönlü emisyonlar.PDN tasarımı, stabilite sağlamak için PA'nun dikkatli bir şekilde yerleştirilmesi gerekir.

Elektromanyetik Coupling ve Isolation

3D bir yığındaki katmanların yakınlığı, PA çıkışı ve hassas analog veya dijital devreler arasında istenmeyen elektromanyetik darbeye yol açabilir. Common mitigation teknikleri şunları içerir:

  • Katmanlar arasındaki özel zemin koruyucuları (örneğin, PA'nun arka tarafında bir pateni uçak).
  • PA girişi ve çıkışı için diferansiyel sinyal kullanmak (eğer uygulanabilirse).
  • PA tabakasının gürültüye duyarlı bloklardan fiziksel ayrılması, aynı zamanda izolasyon duvarları olarak hareket eden termal vias tarafından yardımcı oldu.
  • Tam 3D elektromanyetik ortamı (örneğin, HFSS veya CST) kullanarak darbe yolları tespit etmek ve tasarıma uygun olarak ayarlamak.

Gelişmiş Entegrasyon Kavramları

Temel stratejilerin ötesinde, birkaç ortaya çıkan teknik gelecekteki 3D-IC güç yükselteçleri için daha büyük uzay tasarrufları ve performans iyileştirmeleri vaat ediyor.

Monolithic 3D Entegrasyon

Monolithic 3D-IC (M3D) süreçleri, alt katmandaki CMOS kontrol devreleri ile aynı substratta, TSV ve bağ için ihtiyaçtan kaçınır. Güç yükselteçleri için, bu, PA'nun en iyi durumdaki bir GaN veya GaAs-on-Si katmanında kumaşlanmasına izin verir ve bu, yarı iletkenlik için son derece kısa dikey bağlantılar için bu büyük ölçüde etkili bir şekilde yaklaşabilir.

Gömülü Pasif Bileşenleri

Ağları, kolkes ve güç yükselteçleri için filtreler genellikle önemli alanı kullanan büyük indüktörler ve kapasitörler kullanabilir.In 3D-ICs, bu pasifler, altmış veya özel pasif tabakalar kullanılarak ince film teknolojisi kullanılarak entegre edilebilir. Yüksek kapasiteli bakır tabakalar, manyetik bir temel materyal (örneğin, nanoparçacık) ile bu pasif zemindeki toplamı 100 nF /mm2 olarak azaltılabilir.Inductors, yüksek çözünürlükte spiral izlerini kullanarak oluşturulabilir.

Anten ve PA'nun Co-Design

Kablosuz uygulamalar için, güç yükselteçleri genellikle bir anteni yönlendirir. 3D-IC'de, anten kısa bir TSV veya bir darbe yapısı aracılığıyla entegre edilebilir (örneğin, PA.'nın hemen üstündeki) Bu, aktif entegre antenler gibi yeni yaklaşımlara ihtiyaç duyar ve tasarruf eder. PA ve antenin optimal ve bant genişliğine uygun şekilde eş zamanlı olarak tasarlanabilir.

Vaka Çalışması: 5G için 3D-IC'de 28 GHz PA

Bu stratejileri göstermek için, 5G temel istasyonu fazd-array modülü için tasarlanmış 28 GHz güç amplifikatörü düşünün. modülün başına 1 W (30 dBm) 5x5 mm alana uygun bir şekilde 3D-IC yaklaşımı kullanarak:

  • [FONT=0)Layer çöp: [Dönetici: [Dönetici: 0,4] Alt tabaka (CMOS sürücüsü ve önyargı kontrolü), orta tabaka (GaN PA öldü, spiralli ağlandı), üst tabaka (orta büyüklükteki substrat).
  • [FONT:0]TSVs:[Dönetici:[Dönetici: 0,3) 100 TSV (Çocuğa) [s.4, 50 μm atış) güç ve zemin için, RF çıktı için özel bir co aksiyel TSV ile antene modellenir.
  • [FONT:0] ⁇ :[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ:0)[[[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ) Isı kanallarını silikon iç içe geçer. Soğutma sıvısı, 0,5 L /min altında akır.
  • [FONT:0)Matching:[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ: 0)DÜye uygun bağlantı ağı, geri kalan karunt inductor ile 10 μm kalın bakır kullanarak bir spiral olarak fark edilir. DC blokajı için A MIM kapasitör (50 pF)
  • [FONT:0)Result:[DÜDÜT:1] Bir 2D tasarıma kıyasla toplam ayak izi azalır, 30 dBm'nin% 40'ı ve çıkış gücü ile.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

3D-IC'lere güç yükselteçleri, 5G, havacılık ve IoT'nin titiz taleplerini karşılamak için güçlü bir stratejidir.DFL:DFL tabanlı tasarım ve simülasyon yoluyla, ancak düşük ayak izi ve geliştirilmiş elektrik performansı, yüksek performanslı PA alt sistemleri, 5G, havacılık ve IoT'nin titiz taleplerini karşılamak için güçlü bir stratejidir.