​单片MEMS LC芯片在PwrSoC应用中的超高性能密度

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引言

电源芯片(PwrSoC)技术是电源模块集成的重要进展，目标是将所有无源元件和控制集成电路集成到单个芯片上。然而，PwrSoC面临一个主要挑战：传统芯片上无源元件的性能密度受限。本文探讨创新的MEMS技术，在单片芯片上同时实现了高电容和电感密度[1]。

图1展示了电源集成的演变过程，从分立元件到完全集成的PwrSoC解决方案，强调了高性能片上无源元件的需求。

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创新设计方法

技术创新的核心在于开发多功能3D高深宽比合金电极技术。该电极具有双重功能：作为低电阻MEMS电感线圈，经过选择性刻蚀后，形成多孔电容器电极，实现超高电化学电容。

图2展示了单片MEMS LC芯片的概念图，显示了Cu-Zn合金电极的双重功能和用于增强电容的电化学效应。

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制造工艺

制造工艺在晶圆级别涉及多个精确步骤，确保与后道工艺(BEOL)兼容。工艺从晶圆氧化开始，经过多个材料沉积、图形化和刻蚀阶段。

图3展示了主要制造工艺流程，从初始晶圆氧化到最终电解质沉积和封装共15个关键步骤。

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芯片表征和结构

研发的芯片尺寸为4.4×5.5 mm²，包含一个电感和三个电容。电感线圈宽度为60 μm，间隙为30 μm，电容器阵列由三个独立的MEMS电化学电容组成，总面积为1.68×0.69 mm²。

图4包含44个单片MEMS LC芯片的4英寸测试晶圆。

图5展示了单个芯片的详细显微照片。

图6显示了MEMS电感横截面的SEM成像和EDS映射。

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材料表征和性能

从Cu-Zn合金选择性刻蚀Zn形成多孔Cu结构，显著增加了电极的比表面积。尽管与原始Cu-Zn合金相比导电率降低46%，但仍保持在约2.4×105 S/cm的高水平。

图7显示了Cu-Zn合金和多孔Cu结构的高分辨率SEM图像。

图8展示了Cu-Zn合金和多孔Cu电极的导电性测试结果。

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电气性能

芯片展现出优异的电气特性，在0.8 V电压窗口内实现接近105 nF/mm²的峰值电容密度。电感表现出300 nH (20.3 nH/mm²)的超高电感。

图9展示了电容器阵列在1 V/s扫描速率下的循环伏安测试。

图10显示了电容器的EIS测试，展示了阻抗特性。

图11展示了电容密度与电流密度的关系，内插图显示了在10mA/cm2下的恒流充放电测试。

图12展示了电感器的电感和品质因数（设备限制了10 MHz的上限频率）。

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实际应用和比较

与传统PCB解决方案相比，单片MEMS LC芯片在保持相似性能的同时显著减小了尺寸。在电压调节器线路中的应用证明，电压纹波从20 mV降低到2.6 mV。

图13比较了芯片尺寸与传统PCB解决方案。

图14显示了使用本芯片作为无源元件的电压调节器线路图。

图15展示了电压调节器线路的输入和输出波形，证明了显著的纹波降低效果。

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结论

引用论文的创新MEMS技术在单片芯片上成功实现了超高电容和电感密度，对实用PwrSoC实现具有重要意义。晶圆级制造工艺与现有半导体制造工艺兼容，适合大规模生产和与控制集成电路集成。

gfshao

学习进步！

小杰也行

maogege-chen

fy_lee

不知道发热情况如何，目前来看很有研究价值，对于芯片小型化集成化有推动作用

陛下万年

学习学习！！！

gfshao

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zzsky

厉害了，，，

qq1988

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