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產業技術評析

IPD在5G智慧手機的應用
發表日期:2021-08-18
作者:工研院(林松耀)
摘要:
5G智慧型手機的設計中,要在有限空間的PCB板上,放置高達上千顆的各式被動元件產品。具備尺寸小、薄型化特性的IPD,是因應5G智慧手機在高頻通訊應用需求的關鍵零組件之一。

全文:

一、IPD具備優良元件特性,滿足5G智慧手機通訊需求

隨著智慧手機通訊技術從4G往5G的持續進展,需支援的頻段越來愈多(包含5G新頻譜以及原本向下相容的4G頻段),使得射頻元件的數量呈倍數的增加(包含Filter、LNA、Switch、Tuner、PA等),而被動元件MLCC的顆數亦從約800顆提升至1,000顆左右,這些元件都必需組裝在限制大小的PCB板上,頻段則將提升至3-6GHz以及毫米波的28/39 GHz,此亦將衍生更多高頻傳輸損耗以及更多功耗與散熱等問題挑戰,因此,具備優良特性的IPD (Integrated Passive Devices)的元件,則成為可因應5G智慧手機在高頻通訊應用需求的關鍵零組件之一。

圖1 ipdia推出IPD相關產品

資料來源:ipdia (2020)
圖1 ipdia推出IPD相關產品


目前IPD元件的生產大多是採用半導體元件製程方式來生產,藉由在Si基板蝕刻出高深寬比的Trench結構,再蒸鍍上不同的金屬層材料與不同層別種類的配置,可製造出不同的被動元件產品,如在不相通的層別間蒸鍍Cu/ Al/ Cu等金屬材料,可生產出電感產品;如在兩個層別間,鍍上SiO2/ SiN/ Si3N4等介電材料,可產生3D結構的電容元件;若在Si基板上鍍上Poly-Silicon/ TaN/ ZnO等絕緣性材料,可生產出電阻元件。

自2016年起tsmc即開始陸續供應Apple公司iPhone7的A10處理器所需之IPD元件,其在Si基板上,蝕刻出深度達30um的trench結構,每個trench結構的週期寬度約2um左右,藉以形成此高深寬比的溝槽結構,以利於後續製作成高密度的薄膜式3D集成被動元件結構,而後再利用不同金屬層結構(如Poly Silicon、Cu )與不同介電層結構(如SiO2、Si3N4等Dielectric material)的組合,先在Trench結構鍍上Poly層材料,再接著鍍上Dielectric材料,藉由如此反覆依序交叉排列的結構設計,以形成3D排列結構的高密度電容元件,隨著5G智慧手機滲透率的日漸提高,具備小型化、高集成、優良特性的IPD將扮演日益重要的角色。

與傳統應用於5G頻段匹配電路的低溫共燒陶LTCC(Low-Temperature-Cofired-Ceramics)和表面貼焊零件SMD(Surface Mount Device)元件相比,IPD具有元件尺寸小、薄型化、高頻介電損耗小、導熱係數高(149 W/m·K)、熱膨脹係數低(CTE: 4.2 ppm/K)、低ESR/ESL、可靠性高、易於封裝與組裝等優良特性。

尤其在5G智慧型手機的設計中,要在有限空間的PCB板上,放置高達上千顆的各式被動元件產品,不僅要面臨元件尺寸日益小型化的生產難度挑戰,更要面對PCB板子上SMT更高精密度鍵結製程的良率與風險控管,因此,具備尺寸小、薄型化特性的IPD,對於繁雜的PCB設計更可迎合其設計之考量。例如,相對於MLCC元件,IPD薄型化的元件厚度,可獲得更佳的阻抗連續性之表現,對於PCB板的走線性能亦能有更好的表現。由於IPD採用Si基板的元件結構,具有平坦性較佳的電極表面,在打線過程中能獲得更強的鍵結能力表現。

圖2 IPD具備更優良的PCB設計能力表現

資料來源:Murata (2020)

圖2 IPD具備更優良的PCB設計能力表現


更重要的是在5G通訊時代,高頻的介電損耗將扮演非常重要的關鍵因素,而IPD在1GHz的Dk為0.005,在10GHz的Dk為0.015,Dk的性能表現相當優異。另外,IPD在高頻時的等效串聯阻抗(ESR,Equivalent Series Resistance)以及等效串聯電感(ESL,Equivalent Series Inductance)的性能,亦都相對於MLCC元件的表現更為優異,以上特性對於在高頻的設計考量,都是非常重要且關鍵的要素。另外,由於5G通訊的損耗相對大,因此對於所產生的熱問題亦變得更加棘手,而IPD具有較高的溫度耐受性與穩定性,相對於MLCC元件產品,皆能有更佳優異的表現,以上種種皆顯示IPD對於5G智慧型手機的整體性能以及可靠度特性,皆能有相較於MLCC具有更加的表現能力。

正如一般業界所熟知,X5R/ X7R為被動元件MLCC產品種類中,對於溫度穩定特性表現較佳者(可控制在15%左右),僅次於NPO,但容量卻可做的比NPO的材料要高,電容容量的精度亦較一般Y5V、Z5S等系列更為精準,因此一般常見於工業與汽車等較高規格要求的應用領域。由表一所示,IPD元件相較於X5R與X7S種類的MLCC元件,不僅元件尺寸大小的精準度大幅縮小(從+/-100um與+/-25um縮小至+/-30um與+/-15um),連厚度亦可從約300um降至100um,最小極限還可降至50um,可大幅降低被動元件的厚度,非常適合應用於對厚度要求相當嚴謹的智慧型手機應用市場。

另外,在電容值的有效誤差值範圍,亦從+/-20%降至+/-15%,大幅提升整體系統模組設計的精準度,對於精密計算與精準量測的應用亦扮演非常關鍵的角色。在溫度穩度度方面,IPD的適用溫度範圍,從-55~85℃擴大至-55~150℃,對溫度的電容值變化亦從+/-15%降至+/-0.7%,而在經過1,000小時之後的電容值變化,亦從-7%大幅降低至-0.001%,整體而言對溫度的耐受性表現可謂相當穩定。特別的是,當施加DC直流電流之後,電容值變化量,從-35%大幅縮小至<1%,此對於電路設計的精準度與便利性,貢獻相當大。在高頻的介電損耗方面,從2.5%大幅降低至0.05%,此部分對於高頻電路的設計,可發揮減少高頻訊號損耗的助益,相當適合應用於5G智慧型手機的射頻模組設計之應用市場。
 

表1 IPD的各種特性比較

表1 IPD的各種特性比較

資料來源:Murata (2020)


二、IPD的主要應用領域與製造廠商

目前IPD元件已廣泛應用於電子產業各個應用領域,包含光通訊模組產業、汽車電子產業、通訊基礎建設產業、智慧手機產業、醫療器材產業等領域,尤其5G智慧手機通訊應用市場中所使用到射頻模組中的(RF) IPD,因需與MMIC、濾波器等射頻元件作阻抗匹配與去耦合等高頻電路設計,成為目前IPD市場成長性最高的應用領域,預估此市場在2019-2025年的年複合成長率(CAGR)為8.2%,到2025年該市場規模將超過3.6億美元。另外,(RF) IPD因其具有獨特且優異的高頻訊號優勢,也有助於IPD在5G NR和WiFi 6中扮演非常重要的角色。另一個受關注的領域是用於電磁干擾屏蔽的(EMI) IPD應用市場,此市場規模在2025年將達到1.95億美元,2019-2025年的年複合成長率(CAGR)為3.15%。

另外,如下圖3所示,在tsmc的CoWoS® -L技術平台,亦可看到IPD元件已整合應用於此CoWoS技術平台之中。CoWoS®-L 的主要特點包括:運用通過多層Sub-微米銅線實現高佈線密度晶片到晶片互連的LSI芯片。LSI晶片可以在每個產品中具有多種連接架構(例如SoC到SoC、SoC到chiplet、SoC到HBM等),也可以在多個產品中重複使用。在具有寬間距的RDL層與基於molding方式的interposer結構,透過front-side和back-side的TIV (Through Interposer Via)方式以達到信號和功率傳輸的連結,可在高速傳輸中達到較低的高頻信號損耗的表現。特別的是,在SoC晶片下方整合了IPD  (Integrated Passive Device)元件,以達到更好的PI/SI通信信號的高性能表現。隨著5G智慧手機滲透率的不斷提高,具備薄型化、高穩定性、較低的高頻損耗等特性的IPD元件,將扮演愈來愈關鍵的角色。

圖3 tsmc的CoWoS產品採用IPD元件設計

資料來源:tsmc (2021)
圖3 tsmc的CoWoS產品採用IPD元件設計


三、結論

全球IPD元件製造的供應鏈方面較為多元分散,包括純IPD製造廠商、IDM & Foundry廠商、基板與封裝廠商(含OSAT)以及研發機構。其中,主要的IPD生產廠商,包含AVX、Johanson Technology、Vishay、STMicroelectronics、Qorvo、Skyworks、Infineon、NXP、On Semiconductor、ipdia/Murata等公司,其中Murata於2016年10月併購了法國IPD專業廠商ipdia,ipdia公司是一家設計、開發、生產、銷售Si被動元件的廠商,並為醫療設備、產業設備、通信設備等要求高可靠性電容器應用領域提供3D結構Si電容器的領導企業。此次收購,使得Murata可以在既有的產品陣容中加入ipdia公司的Si電容器產品業務範圍,Si電容器具有可靠性高、耐熱、體積小、厚度薄、高集成等優良特性,使得Murata的電容器事業部門不僅在其強項的通信應用市場,更可望在汽車產業、醫療設備等等的應用市場上也能得到強化和擴大。

圖4 IPD的全球產業供應鏈

資料來源:Yole (2020)
圖4 IPD的全球產業供應鏈


另一方面,在IDM & Foundry廠商方面,包括Vishay、STMicroelectronics、Qorvo、Skyworks Infineon、NXP、On Semiconductor等IDM大廠,或是tsmc等晶圓代工廠商,皆有生產符合對應客戶的IPD元件,以應用在汽車電子、醫療設備、通訊設備、智慧手機等應用領域,如tsmc即生產供應Apple iPhone手機包括AP處理器等應用領域的IPD元件。另外,在基板與封裝(OSAT)廠商方面,包含日月光控股、Amkor、新科金朋(STATS ChipPAC)等封裝OSAT廠商,以及Shinko Electric.(新光電氣)、Ibiden、欣興電子等基板廠商亦都有生產IPD相關產品。

面對未來5G或B5G下一代通訊技術的發展趨勢,在IPD具有優良特性的前提之下,卻面臨著IPD生產成本相對較高、市場規模侷限性等問題,而臺灣具有極佳的4G/ 5G/ B5G射頻元件生產供應鏈,以及完整的半導體產業發展基礎,可把握5G通訊產業的發展契機,持續IPD技術精進並擴大產業應用範疇,才能在未來快速變動的5G/ B5G通訊世代掌握先機,並提升相關產業附加價值。

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)

 

 


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更新日期:2020-04-08

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