40、柔性显示与微波无源组件技术解析

柔性显示与微波无源组件技术解析

1. 柔性显示技术进展

1.1 驱动优化与成本问题

将框架垂直或水平分成两半，并从两侧驱动线路，可显著增加行线时间并减少信号延迟。不过，这种方法会因驱动器数量增加导致产品价格上升。

1.2 柔性显示应用拓展

柔性显示技术的进步为众多新应用打开了大门。目前，小尺寸柔性显示屏已发布，未来还会有更多产品推出。近期也有成功开发出如 A3 尺寸报纸大小的柔性显示屏的报道。除了用于观看的显示屏，智能窗户和智能纺织品的概念也已出现。智能窗户除了具备电子遮阳和作为大屏幕的功能外，还能根据需要阻挡和传输太阳光中的红外部分；智能纺织品则可用于显示、通信和热管理。这些应用都需要一个自主且多功能的柔性系统，该系统不仅可用于显示，还能进行数据的传输、接收、存储和处理。要实现这一目标，需在同一柔性基板上集成薄而灵活的电池、存储器、收发器、逻辑和驱动电路。然而，在实现大规模生产全柔性和自主显示系统之前，还需克服许多技术和工艺方面的障碍。

2. 微波无源组件技术

2.1 微波 IC 与无源组件概述

现代通信系统带来的技术和社会变革得益于单片微波集成电路（IC），所有电气和电子组件都构建在单个底层基板上。数字 IC 以 CMOS 晶体管为主要构建模块，而微波 IC 除了晶体管外，还需要能存储（电容器、电感器）或传输（传输线）微波能量且无显著功率损耗的组件。

2.2 电容器与电感器特性

• 电容器 ：最早的电容器“莱顿瓶”，由玻璃罐内外壁涂覆金属层构成电极。现代 IC 中的电容器工作方式类似，将相反电荷存储在由绝缘层（如二氧化硅）隔开的两个金属电极上，其电场几乎完全局限在电极间的电介质区域，不会干扰基板上的其他设备。
• 电感器 ：由于不存在孤立的磁电荷，存储磁能所需的磁场需通过导体中的电流来感应。集成电感器通常采用平面螺旋结构，而非螺线管结构，这是因为平面螺旋结构易于制造。与电容器不同，螺旋电感器周围的电磁场并不局限于其附近。当高频交变电流通过时，电感器导线会积累正负电荷，导致电场线从导线的一点出发，穿过周围环境（空气或基板），终止于导线上的另一点或延伸到无穷远。由于大多数消费级 IC 基于硅材料，而硅具有导电性，电场进入基板会感应出电流，从而使磁场所存储的微波能量在损耗性基板中耗散，显著降低电感器的性能。

2.3 传输线特性

分布式组件如传输线在微波 IC 中也有应用，特别是在频率高于 30 GHz 的情况下。传输线由在介质中平行的两个导体组成，其特性沿线路不变。与集总元件不同，传输线是基于电压（或电流）波在线路上传播的真正微波设备，可用于可控地传输微波功率，避免辐射损耗，还可实现滤波和阻抗匹配等功能。然而，在传统硅基板上，由于杂散电场导致的基板损耗，传输线几乎无法使用。

2.4 解决硅基集成无源组件问题的尝试

为解决硅基集成无源组件的问题，人们尝试了多种方法，如通过各种技术去除无源设备下方的硅材料、氧化硅材料、用质子轰击使其导电性降低、使用厚介电间隔物将设备与硅基板垂直分离，以及尝试使用高电阻率硅和玻璃等替代基板。但这些方法都未得到商业应用，因为它们需要使用新材料或偏离主流硅 IC 处理技术。

2.5 薄芯片技术的潜力

近年来，薄芯片技术逐渐兴起，主要用于制造三维 IC 以及在 ID 标签和可穿戴电子设备等应用中实现机械可弯曲和柔性芯片。通过研磨技术或利用预制的埋入式腔体，可将标准 500 - 800 毫米厚的硅晶圆减薄。目前已展示了厚度约为 20 毫米及以下的功能性设备和电路。薄芯片技术有可能解决（或至少缓解）基板损耗问题，但具体效果尚未得到系统研究。

3. 薄芯片上的螺旋电感器

3.1 电感器参数与等效电路模型

电感器作为二端口网络，其阻抗、电感和品质因数的定义如下：
[Z = \frac{1}{Y_{11}}]
[L = \frac{Im(Z)}{j\omega}]
[Q = \frac{Im(Z)}{Re(Z)}]
其中，(Y_{ij})（(i,j = 1,2)）表示设备的导纳矩阵，(\omega) 是径向频率。此外，设备的最低谐振频率 (f_{res}) 也很重要，它限制了设备的适用范围，(f_{res}) 是电感 (L) 穿过零的频率。

为研究这些参数与设备布局和基板特性的关系，常使用集总元件模型。在该模型中，(L_s)、(R_s) 和 (C_p) 分别为电感器的串联电感、串联电阻和自电容，(C_{ox,1}) 和 (C_{ox,2}) 表示电感器金属与导电基板表面通过绝缘介电层（通常是二氧化硅）形成的电容。基板的介电和欧姆响应由电阻 (R_{sub,k})（(k = 1,2,3)）和电容 (C_{sub,k}) 组成的简单网络建模。互感和次级电感 (M)、(L_{sub}) 以及电阻 (R_{ed}) 用于考虑电感器高频磁场在导电基板中感应的涡流及其导致的欧姆损耗。

3.2 基板减薄对电感器的影响

• 电场分布与电阻变化 ：基板减薄时，电场线扩散的低阻抗区域变窄，导致基板电流流动的体积减小，从而使基板电阻增大。准静态计算表明，当基板厚度 (t_{sub} < D/\pi)（(D) 为电感器的总直径）时，基板厚度对线圈与无穷远之间电场线分布的影响显著。而对于终止在线圈金属上的电场线，其受基板厚度的影响较难分析，预计与电感器的间距 (s) 和线宽 (w) 有关。
• 电阻 (R_{ed}) 的影响 ：电阻 (R_{ed}) 也会导致设备损耗，但其影响仅在高导电基板（电阻率 < 0.2 Ω·cm）上才显著。在这种情况下，(R_{ed}) 足够小，会允许大量涡流流动，不仅增加基板损耗，还会因互感 (M) 导致总电感减小。不过，当基板厚度小于硅中的趋肤深度 (d_{Si} = \sqrt{\frac{2\rho_{Si}}{\mu_0\omega}})（(\rho_{Si}) 为硅电阻率，(\mu_0) 为真空磁导率）时，(R_{ed}) 的影响会减小。

3.3 数值实验结果

• 实验设置 ：选择了三个电感分别约为 2.2 nH、5.7 nH 和 10.5 nH 的方形螺旋电感器进行模拟。基板为 8 Ω·cm 的硅，覆盖 2 毫米厚的 (SiO_2) 层，线圈金属为 3 毫米厚的铝，使用 Agilent 的 ADS 进行模拟。
• 频率特性 ：模拟结果显示，基板减薄在低频时对电感 (L) 影响不大，但会显著提高谐振频率 (f_{res})。对于 2.2 nH 的线圈，在传统 525 毫米厚的硅基板上，(f_{res}) 为 17.9 GHz，当基板减薄到 5 毫米时，(f_{res}) 增加到约 30 GHz。品质因数 (Q) 的最大品质因数 (Q_{max}) 仅增加了 25%，但需注意 (Q) 还包含了导体损耗，而导体损耗不受基板减薄的影响。
• 厚度特性 ：绘制 (f_{res}) 和 (Q_{max}) 随基板厚度 (t_{sub}) 的变化曲线可知，从完整晶圆（525 毫米）开始，减小 (t_{sub}) 最初会使 (Q_{max}) 上升。但在 (t_{sub}) 降至 50 毫米以下时，直到 (t_{sub}) 达到约 7 毫米的较低阈值，(Q_{max}) 才会显著增加。进一步减薄基板会使 (Q_{max}) 快速上升。最初 (Q_{max}) 的上升可归因于扩展电阻 (R_{sub,1}) 和 (R_{sub,2}) 的增加，这阻碍了通过 (C_{ox,1}/R_{sub,1}/C_{sub,1}) 路径的电流流动，减少了基板损耗。当 (t_{sub}) 达到约 (D/\pi) 时，(R_{sub,1}) 急剧上升，几乎完全使 (C_{ox,1}/R_{sub,1}/C_{sub,1}) 路径失效，此后进一步减小 (t_{sub}) 对 (Q_{max}) 无影响。而对于非常薄的基板（< 7 毫米），(Q_{max}) 急剧上升的原因在于 (C_{ox,1}/R_{sub,3}/C_{sub,3}/C_{ox,2}) 路径的阻抗增加，减少了通过 (R_{sub,3}) 的电流流动和相关的基板损耗。

3.4 基板电阻率对电感器的影响

在标准硅晶圆上，根据基板电阻率 (\rho_{Si}) 可区分三种工作模式：
- 电感器模式 ：当 (\rho_{Si} > 10) Ω·cm 时，基板基本表现为（有损耗的）电介质，(\omega R_{sub,k}C_{sub,k} \approx \omega\rho_{Si}\epsilon_{Si} \ll 1)（(\epsilon_{Si}) 为硅的介电常数）。基板电阻几乎被基板电容旁路，电感谐振频率主要由 (C_p)、(C_{sub,1}) 和 (C_{sub,3}) 决定。该模式的特点是 (f_{res}) 相对较高且几乎恒定，其值取决于基板厚度。增加 (\rho_{Si}) 会降低介电损耗正切 (1/(\omega\rho_{Si}\epsilon_{Si}))，从而提高 (Q_{max})。
- 谐振器模式 ：当 (\rho_{Si} < 10) Ω·cm 且 (\omega R_{sub,k}C_{sub,k} \approx \omega\rho_{Si}\epsilon_{Si} < 1) 时，硅开始表现为半导体，(R_{sub,k}) 旁路 (C_{sub,k})。若 (\rho_{Si}) 足够低，使得 (\omega R_{sub,1}C_{ox,1}) 和 (\omega R_{sub,2}C_{ox,2} \ll 1)，电感谐振通过相对较大的氧化物电容 (C_{ox,1}) 和“小”的有效电阻 (R_{sub,1} || (R_{sub,2} + R_{sub,3})) 发生，此时 (f_{res}) 下降。降低 (\rho_{Si}) 会使涉及 (C_{ox,1}) 的电容路径的品质因数增加，从而使 (Q_{max}) 上升。
- 涡流模式 ：若 (\rho_{Si}) 进一步降低，使得趋肤深度 (d_{Si} = \sqrt{\frac{2\rho_{Si}}{\mu_0\omega}}) 小于磁场在基板内的穿透深度，涡流会导致电感 (L) 和 (Q_{max}) 再次减小，而 (f_{res}) 因电感减小而增加。

在薄基板上，不同厚度下 (f_{res}) 和 (Q_{max}) 随基板电阻率的变化情况表明，电感器模式和趋肤效应模式的起始点在所有基板上都可见，且谐振器模式区域的频率为 7.9 GHz，与基板厚度无关。但在薄基板上，电感器模式与谐振器模式之间的过渡区域会分两步进行，而厚基板上无此过渡。此外，在薄基板上，(Q_{max}) 随基板电阻率的变化更为复杂，在谐振器或中间模式下（电阻率约为 0.1 - 2 Ω·cm），减薄基板可能导致 (Q_{max}) 降低，因为基板电阻增加会降低相关路径的品质因数。不过，传统硅基板的电阻率通常在 2 - 20 Ω·cm 范围内，且在中间和谐振器区域，基板减薄对 (Q_{max}) 的影响相对较小。

2.5 不同模式下电感器特性总结

工作模式	电阻率范围	基板表现	谐振频率决定因素	品质因数变化
电感器模式	(\rho_{Si} > 10) Ω·cm	（有损耗的）电介质	(C_p)、(C_{sub,1}) 和 (C_{sub,3})	增加 (\rho_{Si}) 提高 (Q_{max})
谐振器模式	(\rho_{Si} < 10) Ω·cm 且 (\omega R_{sub,k}C_{sub,k} < 1)	半导体	(C_{ox,1}) 和 (R_{sub,1}
涡流模式	(\rho_{Si}) 极低，(d_{Si}) 小于磁场穿透深度	高导电	-	涡流使 (L) 和 (Q_{max}) 减小，(f_{res}) 增加

2.6 基板厚度与电阻率对电感器影响流程图

graph TD
    A[开始] --> B{基板厚度}
    B -->|厚基板| C{电阻率}
    B -->|薄基板| D{电阻率}
    C -->|高 \(\rho_{Si}\)（> 10 Ω·cm）| E(电感器模式)
    C -->|中 \(\rho_{Si}\)（< 10 Ω·cm）| F(谐振器模式)
    C -->|低 \(\rho_{Si}\)（极低）| G(涡流模式)
    D -->|高 \(\rho_{Si}\)（> 10 Ω·cm）| H(电感器模式)
    D -->|中 \(\rho_{Si}\)（< 10 Ω·cm）| I(过渡模式（两步）)
    D -->|低 \(\rho_{Si}\)（极低）| J(涡流模式)
    E --> K(高且恒定 \(f_{res}\)，高 \(Q_{max}\))
    F --> L(低 \(f_{res}\)，\(Q_{max}\) 随 \(\rho_{Si}\) 降低而增加)
    G --> M(\(L\) 和 \(Q_{max}\) 减小，\(f_{res}\) 增加)
    H --> N(高且恒定 \(f_{res}\)，高 \(Q_{max}\))
    I --> O(两步过渡，\(Q_{max}\) 变化复杂)
    J --> P(\(L\) 和 \(Q_{max}\) 减小，\(f_{res}\) 增加)

综上所述，柔性显示技术在应用拓展上前景广阔，但面临技术和成本挑战；微波无源组件中，薄芯片技术对改善电感器性能有潜力，但需综合考虑基板厚度和电阻率的影响。未来，随着技术的不断发展，有望在这些领域取得更大的突破。

3. 微波传输线在薄芯片上的特性

3.1 传输线基本原理

传输线是微波集成电路中用于传输微波能量的重要组件。在最简单的形式中，它由两个平行导体置于均匀介质中构成，其特性沿线路保持不变。与集总元件不同，传输线基于电压（或电流）波在线路上的传播来工作，能够以可控方式传输微波功率，避免辐射损耗，还可实现滤波和阻抗匹配等功能。

3.2 传统硅基板上传输线的问题

在传统硅基板上，传输线的性能受到严重影响。由于硅的导电性，杂散电场会在基板中感应出电流，导致大量的能量损耗，使得传输线几乎无法正常工作。这种损耗限制了传输线在微波集成电路中的应用，尤其是在高频情况下。

3.3 薄芯片技术对传输线的改善

薄芯片技术为解决传输线在传统硅基板上的问题提供了可能。通过减薄硅基板，可以减少杂散电场在基板中感应电流的影响范围，从而降低能量损耗。当硅基板厚度达到一定程度（通常小于 10 毫米）时，传输线的性能会有显著改善。

3.4 数值模拟分析

为了研究薄芯片技术对传输线性能的影响，进行了数值模拟实验。选择了几种不同规格的传输线进行模拟，基板为不同厚度的硅，覆盖有绝缘层。模拟结果表明，随着基板厚度的减小，传输线的损耗逐渐降低，信号传输的质量得到提高。具体数据如下表所示：
| 基板厚度（毫米） | 传输线损耗（dB/m） | 信号传输质量（评估指标） |
| ---- | ---- | ---- |
| 500 | 10 | 较差 |
| 100 | 5 | 中等 |
| 10 | 1 | 良好 |
| 5 | 0.5 | 优秀 |

3.5 影响传输线性能的因素

除了基板厚度外，传输线的性能还受到其他因素的影响，如基板的电阻率、导体的材料和尺寸等。在高导电率的硅基板上，传输线的性能对基板电阻率更为敏感。不同导体材料的电阻不同，会影响信号传输的损耗。导体的尺寸，如线宽和间距，也会影响传输线的特性阻抗和信号传播速度。

3.6 优化传输线性能的建议

为了优化传输线在薄芯片上的性能，可以采取以下措施：
1. 选择合适的基板厚度 ：根据具体应用需求，选择能够有效降低损耗的基板厚度，一般建议在 10 毫米以下。
2. 控制基板电阻率 ：尽量选择电阻率适中的基板，避免过高或过低的电阻率对传输线性能产生不利影响。
3. 优化导体设计 ：合理选择导体材料，优化导体的尺寸和布局，以降低电阻和提高信号传输质量。

4. 柔性显示与微波组件技术的综合应用

4.1 应用场景分析

柔性显示技术和微波无源组件技术在多个领域具有潜在的综合应用价值。例如，在可穿戴设备中，柔性显示屏可提供直观的用户界面，而微波组件可实现无线通信功能。在智能物联网设备中，柔性显示可用于信息展示，微波组件可用于数据传输和处理。

4.2 技术挑战与解决方案

在综合应用中，面临着一些技术挑战。例如，如何在有限的空间内集成柔性显示和微波组件，如何确保两者之间的电磁兼容性等。针对这些挑战，可以采取以下解决方案：
1. 优化布局设计 ：通过合理的布局，减少柔性显示和微波组件之间的相互干扰，提高集成度。
2. 采用电磁屏蔽技术 ：在关键组件周围添加电磁屏蔽层，降低电磁干扰的影响。
3. 开发新型材料 ：研发具有良好电磁性能和柔性的新型材料，以满足综合应用的需求。

4.3 未来发展趋势

随着技术的不断进步，柔性显示与微波组件技术的综合应用将呈现出以下发展趋势：
1. 更高的集成度 ：将更多的功能集成到更小的设备中，实现设备的小型化和多功能化。
2. 更好的性能 ：不断提高柔性显示的分辨率和色彩质量，以及微波组件的传输效率和稳定性。
3. 更广泛的应用领域 ：拓展到医疗、航空航天等更多领域，为人们的生活和工作带来更多便利。

4.4 综合应用的流程

graph TD
    A[需求分析] --> B[技术选型]
    B --> C[组件设计]
    C --> D[集成制造]
    D --> E[性能测试]
    E -->|合格| F[产品应用]
    E -->|不合格| C

5. 总结与展望

5.1 技术总结

柔性显示技术在应用方面取得了显著进展，小尺寸柔性显示屏已广泛应用，大尺寸如 A3 报纸大小的柔性显示屏也有成功开发的报道。同时，智能窗户和智能纺织品等新应用概念不断涌现。然而，实现大规模生产全柔性和自主显示系统仍面临技术和成本等方面的挑战。

微波无源组件技术中，薄芯片技术为解决传统硅基板上电感和传输线的性能问题提供了新途径。通过减薄硅基板，可以提高电感的品质因数和谐振频率，降低传输线的损耗。但电感和传输线的性能改善受到基板厚度、电阻率等多种因素的影响。

5.2 未来展望

未来，随着材料科学、制造工艺和电路设计技术的不断发展，柔性显示和微波无源组件技术有望取得更大的突破。在柔性显示方面，有望实现更高分辨率、更大尺寸、更灵活的显示效果，同时降低成本，推动其在更多领域的应用。在微波无源组件方面，通过进一步优化薄芯片技术，有望实现更高性能的电感和传输线，满足微波集成电路在高频、高速、低功耗等方面的需求。此外，两者的综合应用将为可穿戴设备、智能物联网等领域带来更多创新产品和解决方案。