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InP异构集成Chiplet在毫米波应用中的实现

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发表于 2025-4-3 08:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言: z* @' u; ^7 O
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]。1 z7 V4 f' z" J* k' Y

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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。3 @& L$ j5 o2 K* r4 f4 I* S

; x) O; [( }" o9 t  r& H1
$ c+ F4 ^0 _) J& d5 f射频硅基中介层平台4 `0 d' w% Z, k2 r0 k5 I, ]
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。8 w* }7 d$ F# b6 g

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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。& _6 Q! y, L: S  Q+ v

; ^, n1 U( [7 n/ O( r$ X# d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。$ S# o# l+ \4 G9 Q& s8 a5 M7 u

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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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+ E! M/ R0 B: DInP Chiplet集成' q7 |" F+ j: @/ h$ L, Q+ c  [
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。5 w( R; e% ^: j( O# ~) p/ |

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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。% F9 F% r8 x- Q$ P. h/ c( _

$ P. Y! }% W; `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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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。( {0 u+ x6 `& z: C) Z+ ]: ^5 h3 R" D2 x
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3 v7 p6 ?+ @  e+ z/ q6 r7 r" z性能分析与结果
4 z5 {* q. T0 Z+ f6 D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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. m& c% `$ c, C5 _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。( [1 V, ~3 C  k7 R$ q' a

1 U. m1 o4 c& ?& q) c$ N5 S8 X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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5 U, q% A7 G+ t. P) o9 l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。+ Y9 `) M. n7 v) f( h  y$ p
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结论* Y1 T( ?7 g" _/ M4 M3 n8 R- z
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。
- ~# C* {% n3 R1 [- X) F: |( c- t0 W9 ?) j7 _
参考文献
7 v4 n# x* H4 K9 a[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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: m; t0 E6 V6 `软件试用申请欢迎光电子芯片研发人员申请试用PIC Studio,其中包含:代码绘版软件PhotoCAD,DRC软件pVerify,片上链路仿真软件pSIM,光纤系统仿真软件pSIM+等。更多新功能和新软件将于近期发布,敬请期待!) L" W" F: ^3 R0 f
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欢迎转载. R& _) F5 q; O: x7 V
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转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!9 \& q% V9 ~  o
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关于我们:
1 B  O; _' ~5 o- N  ^深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。
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http://www.latitudeda.com/
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