InP异构集成Chiplet在毫米波应用中的实现
引言毫米波与亚太赫兹应用对半导体集成技术的要求不断提高。本文介绍将Indium Phosphide (InP) Chiplet集成在300毫米射频硅基中介层上的技术发展，展示了经济高效的新一代无线系统解决方案。
图1：射频硅基中介层架构的横截面图，展示关键层次：低阻硅基底、全地屏蔽层、三层聚合物层(POLY1、POLY2、POLY3)、三层金属层(RDL1、RDL2、UBM)和微凸点。
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射频硅基中介层平台
射频硅基中介层是异构集成的基础。该平台采用三层厚金属重布线层(RDL)，配合旋涂低射频损耗聚合物。平台使用DuPont CYCLOTENE? XP80聚合物层，厚度分别为POLY1(15微米)、POLY2(7微米)和POLY3(7微米)。这种独特组合比传统薄膜聚合物实现方案的损耗降低2-3倍。
图2：RDL1和RDL2的晶圆级TRL校准结构(左右)，以及用于表征的不同长度(1000、2000、3000微米)微带线。
射频硅基中介层的性能表征显示出优异结果。平台在20至170 GHz范围内展现出宽带性能，在140 GHz频率下RDL2和RDL1层的线损耗分别为0.23和0.3 dB/毫米。这些结果与玻璃中介层和印刷电路板等替代方案相当，但实现了更高的集成密度。
图3：RDL1和RDL2线路在20-170 GHz频率范围内的反射和传输特性测量结果。
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InP Chiplet集成
InP Chiplet与射频硅基中介层的集成代表了异构集成技术的重要进展。Chiplet尺寸为2毫米×1.4毫米，经过精心设计，既能防止芯片破裂又便于操作。
图4：安装在射频硅基中介层上的无源(上)和有源(下)InP Chiplet显微照片。
InP Chiplet与射频硅基中介层之间的倒装芯片互连采用铜/镍/锡微凸点，节距为40微米。关键尺寸包括15微米的凸点直径和25微米的芯片侧焊盘直径。Assembly过程中，在对射频硅基中介层背面施加短激光脉冲的同时，从上方施加压力。
图5：无源倒装芯片实验的布局细节，展示中介层顶视图、中介层放大视图和InP芯片顶视图及各种测试结构。
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性能分析与结果
集成系统展现出卓越的性能特征。InP Chiplet与射频硅基中介层之间的无源倒装芯片互连在140 GHz频率下每次转换仅有0.1 dB的插入损耗，优于使用玻璃中介层的早期实现方案。
图6：无源倒装芯片结构的测量结果，显示反射和传输特性，以及提取的线路和插入损耗。
在有源器件方面，成功集成并表征了一个两级InP功率放大器(PA)。该功率放大器实现了116-148 GHz(24%)的小信号3 dB带宽，小信号增益为16.3 dB。大信号测量显示在125-135 GHz频率范围内，P1dB为13-15 dBm，功率附加效率(PAE)为15-28%。
图7：有源倒装芯片集成的实现和测量结果，显示两级差分功率放大器布局、小信号性能和大信号特性。
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结论
异构集成方法成功地将高性能InP器件与硅基晶圆级封装相结合，提供了经济高效的毫米波系统解决方案。所展示的结果包括宽带阻抗控制(20-170 GHz)、低传输线损耗(0.23-0.3 dB/毫米)和最小倒装芯片插入损耗(0.1 dB)，在100 GHz以上的射频硅基中介层和InP Chiplet集成领域达到了领先水平。
参考文献
S. Sinha, H. Jafarpourchekab, N. Pinho, D. Leech, K. Kennes, F. Chancerel, A. Uruena, E. Shafahian, M. Lofrano, A. Miller, E. Beyne, N. Collaert, and X. Sun, "Hetero-Integration of InP Chiplets on a 300 mm RF Silicon Interposer for mm-wave Applications," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), Dec. 2024.
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