InP异构集成Chiplet在毫米波应用中的实现

逍遥设计自动化

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[1]。

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* Q4 c1 n; Q' R9 o4 x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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9 ~' k3 w3 g1 _/ i0 |6 d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。

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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。
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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。

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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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& l$ i% C* y; b6 j; c  ]$ _' B: `InP Chiplet集成
8 O" P( V( v* |: U" k5 N- R/ p' r0 NInP 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。

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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。
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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。

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- ]' Z  t1 h5 m+ ]% g9 ~* n( `5 }3 ^0 G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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/ B& w& C2 [6 C- n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。
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: I( B3 x* `, D( b6 p2 y; I" ~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。

; A" d2 r' x- m; b4 @+ ?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%。
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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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, k: [* x3 o% ^5 ^5 y3 [" W7 O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
1 X+ L/ t" X5 }9 \% L[1] 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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