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未來5G通信需要怎樣的射頻前端？
預(yù)計2020年，市場將出現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，高速傳輸對行動設(shè)備帶來嚴峻挑戰(zhàn)，新世代的行動設(shè)備需要滿足更高的溫度、功率、電壓、效能與抗輻射需求，就目前技術(shù)來看，具備寬能帶、高飽和速度、高導(dǎo)熱性和高擊穿電場強度等特色的化合物半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN) 無疑是市場上高溫、高頻及高功率元件材料的最佳解答，根據(jù)Yole Development的研究指出，2013年至2022年，SiC功率半導(dǎo)體市場年均復(fù)合將達38%，而2016 年至2020 年GaN 射頻元件市場復(fù)合年增長率將達到4%，因此，如何積極因應(yīng)此一趨勢，善用本身優(yōu)勢布局市場，將是臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)這幾年的重要課題。
持續(xù)精進的化合物半導(dǎo)體技術(shù)
絡(luò)達科技技術(shù)長林珩之博士就指出，與過去的通訊標(biāo)準(zhǔn)相較，5G在大幅強化傳輸速度、容量的同時，功耗不至于同步提升，為達成此一目標(biāo)，通訊設(shè)備的內(nèi)部設(shè)計也必須進化，在傳統(tǒng)的蜂巢式通訊網(wǎng)路中，功率放大器(PA)往往是設(shè)備中功耗最大的元件，因此要解決此一問題，必須由PA著手。
而要解決5G PA的功耗問題，林珩之博士表示除了從電路優(yōu)化設(shè)計著手，還必須將網(wǎng)路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)芯片、PA架構(gòu)、PA設(shè)備同時考慮進去，至于在5G功率放大器的制程選擇， CMOS與GaAs/GaN誰會勝出?林珩之博士以方式指出，在Breakdown voltage、Power handling、Through wafer via、Substrate loss等部分，GaAs/GaN具有優(yōu)勢，至于在自行檢測能力、復(fù)雜偏壓電路設(shè)計、訊號處理能力、整合性、配置彈性、低供電電壓能力方面，則是CMOS勝出，因此他認為在5G乃至于6G與毫米波的基地臺設(shè)計，由于效能是主要考量，GaAa/GaN仍會繼續(xù)存在，而以成本考量為主的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，具低耗電與低價設(shè)備特色的CMOS，將比GaAa/GaN更有機會，手持式裝置部分，小于6GHz的設(shè)備，仍會采用GaAs/GaN或是CMOS+GaAs的復(fù)合式架構(gòu)，至于毫米波市場，CMOS有可能全拿。
聯(lián)鈞光電竹科分公司總經(jīng)理林昆泉博士，則針對GaN的磊晶晶圓制程提出相關(guān)看法，他指出在高耐熱性、高擊穿電壓、高電子飽和度與高電流密度的電子產(chǎn)品設(shè)計需求中，GaN制成的半導(dǎo)體可在高頻運作下，提供高功率輸出，因此在新一代的應(yīng)用如車用電子、電力管理系統(tǒng)、工業(yè)照明、攜帶式電子裝置、通訊設(shè)備與消費性電子產(chǎn)品中，會有相當(dāng)高的發(fā)展?jié)摿Α?br />
林昆泉表示硅功率元件上的GaN未來將采用硅制程，在6吋磊晶硅晶圓片的每片芯片上，都含有上萬顆的LED芯片，一般業(yè)界并不會不關(guān)心其顆粒數(shù)，但對于大芯片尺寸的功率器件來說，每片芯片只有不到千個芯片，而產(chǎn)量與晶粒數(shù)量有關(guān)，在這部分就會需要用創(chuàng)新的技術(shù)來將的磊晶晶圓的顆粒。
林昆泉指出，目前MOCVD設(shè)備的長晶，大多是采人工方式，以鑷子放置，這種方式會導(dǎo)致顆粒大量增加至500顆以上，此一數(shù)量客戶通常不會接受，另一種則是以機器手臂取代人工，機器手臂可將顆粒數(shù)大幅降低至100顆以下，因此目前的主要做法會是從機器手臂著手，而聯(lián)鈞光電的目標(biāo)則是將其降至20顆以下，以符合市場需求，為此在聯(lián)鈞光電要求下，晶圓設(shè)備商Aixtron在2015年設(shè)計全球第一部出可維持攝氏600度、以卡匣對卡匣，不碰觸晶圓表面的磊晶設(shè)備，成功達到目標(biāo)。
從模組到封測新世代通訊架構(gòu)現(xiàn)身
穩(wěn)懋半導(dǎo)體技術(shù)處處長王文凱博士，則針對GaAs在毫米波的前端模組解決方案提出看法，他指出GaAs pHEMT制程已被業(yè)界長期應(yīng)用于無線通訊，例如點對點的射頻傳輸與VSAT，目前穩(wěn)懋半導(dǎo)體的pHEMT和PIN二極管主要技術(shù)平臺，在效能與電路方面已有解決方案，他指出近年來GaAs技術(shù)的快速演進，讓晶圓封裝與通訊設(shè)備上的多數(shù)功能開始整合，此外，pHEMT和PIN二極管整合為PINHEMT的技術(shù)，在毫米波通訊系統(tǒng)前端模組也會有巨大潛力。
王文凱指出，目前已可用0.1um pHEMT執(zhí)行E波段和D波段放大器，同時Ka-Band Doherty放大器和低噪放大器已透過o.15um增強模式完成，而Ka波段的switch則可由GaAs PIN二極管制程示范，這說明了GaAs pHEMT是毫米波領(lǐng)域相當(dāng)適用的驗證解決方案。
在封裝技術(shù)方面，日月光技術(shù)處處長林弘毅博士表示，現(xiàn)在整體產(chǎn)業(yè)的問題在于摩爾定律逐漸趨緩，但市場上行動設(shè)備通訊需求與云端運算概念所帶來的數(shù)據(jù)傳輸量卻越來越龐大，目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中任何一種芯片技術(shù)的提升速度，因此異系統(tǒng)整合就成為頻寬問題的解決之道，現(xiàn)在客戶對委外封測廠商的要求除了數(shù)字CMOS制程外，還必須提供射頻與光學(xué)等技術(shù)的解決方案。
現(xiàn)在行動設(shè)備的射頻模組與資料中心的硅光子模組，是目前云端運算平臺的關(guān)鍵元件，這兩類元件都需要有多元材料包括化合物半導(dǎo)體、硅和被動元件或特殊晶體等異材質(zhì)的高速連通芯片，其中阻抗匹配和低插入損耗將是關(guān)鍵性能指標(biāo)，在演講過程中，林弘毅展示的射頻模組和硅光子模組的新封裝平臺，同時具備了小型化、高效能與功能整合等特色，提供臺灣產(chǎn)業(yè)最佳解決方案。
2017-08-22 來源：華強電子網(wǎng)
持續(xù)精進的化合物半導(dǎo)體技術(shù)
絡(luò)達科技技術(shù)長林珩之博士就指出，與過去的通訊標(biāo)準(zhǔn)相較，5G在大幅強化傳輸速度、容量的同時，功耗不至于同步提升，為達成此一目標(biāo)，通訊設(shè)備的內(nèi)部設(shè)計也必須進化，在傳統(tǒng)的蜂巢式通訊網(wǎng)路中，功率放大器(PA)往往是設(shè)備中功耗最大的元件，因此要解決此一問題，必須由PA著手。
圖一: 5G的標(biāo)準(zhǔn)制定已積極展開，新世代的行動設(shè)備需要滿足更高的溫度、功率、電壓、效能與抗輻射需求。(Source: Microwave Journal)
而要解決5G PA的功耗問題，林珩之博士表示除了從電路優(yōu)化設(shè)計著手，還必須將網(wǎng)路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)芯片、PA架構(gòu)、PA設(shè)備同時考慮進去，至于在5G功率放大器的制程選擇， CMOS與GaAs/GaN誰會勝出?林珩之博士以方式指出，在Breakdown voltage、Power handling、Through wafer via、Substrate loss等部分，GaAs/GaN具有優(yōu)勢，至于在自行檢測能力、復(fù)雜偏壓電路設(shè)計、訊號處理能力、整合性、配置彈性、低供電電壓能力方面，則是CMOS勝出，因此他認為在5G乃至于6G與毫米波的基地臺設(shè)計，由于效能是主要考量，GaAa/GaN仍會繼續(xù)存在，而以成本考量為主的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，具低耗電與低價設(shè)備特色的CMOS，將比GaAa/GaN更有機會，手持式裝置部分，小于6GHz的設(shè)備，仍會采用GaAs/GaN或是CMOS+GaAs的復(fù)合式架構(gòu)，至于毫米波市場，CMOS有可能全拿。
聯(lián)鈞光電竹科分公司總經(jīng)理林昆泉博士，則針對GaN的磊晶晶圓制程提出相關(guān)看法，他指出在高耐熱性、高擊穿電壓、高電子飽和度與高電流密度的電子產(chǎn)品設(shè)計需求中，GaN制成的半導(dǎo)體可在高頻運作下，提供高功率輸出，因此在新一代的應(yīng)用如車用電子、電力管理系統(tǒng)、工業(yè)照明、攜帶式電子裝置、通訊設(shè)備與消費性電子產(chǎn)品中，會有相當(dāng)高的發(fā)展?jié)摿Α?br />
圖二: 對于大芯片尺寸的功率器件來說，每片芯片只有不到千個芯片，因此需要用創(chuàng)新的技術(shù)來將的磊晶晶圓的顆粒。(Source: CARDIFF)
林昆泉表示硅功率元件上的GaN未來將采用硅制程，在6吋磊晶硅晶圓片的每片芯片上，都含有上萬顆的LED芯片，一般業(yè)界并不會不關(guān)心其顆粒數(shù)，但對于大芯片尺寸的功率器件來說，每片芯片只有不到千個芯片，而產(chǎn)量與晶粒數(shù)量有關(guān)，在這部分就會需要用創(chuàng)新的技術(shù)來將的磊晶晶圓的顆粒。
林昆泉指出，目前MOCVD設(shè)備的長晶，大多是采人工方式，以鑷子放置，這種方式會導(dǎo)致顆粒大量增加至500顆以上，此一數(shù)量客戶通常不會接受，另一種則是以機器手臂取代人工，機器手臂可將顆粒數(shù)大幅降低至100顆以下，因此目前的主要做法會是從機器手臂著手，而聯(lián)鈞光電的目標(biāo)則是將其降至20顆以下，以符合市場需求，為此在聯(lián)鈞光電要求下，晶圓設(shè)備商Aixtron在2015年設(shè)計全球第一部出可維持攝氏600度、以卡匣對卡匣，不碰觸晶圓表面的磊晶設(shè)備，成功達到目標(biāo)。
從模組到封測新世代通訊架構(gòu)現(xiàn)身
穩(wěn)懋半導(dǎo)體技術(shù)處處長王文凱博士，則針對GaAs在毫米波的前端模組解決方案提出看法，他指出GaAs pHEMT制程已被業(yè)界長期應(yīng)用于無線通訊，例如點對點的射頻傳輸與VSAT，目前穩(wěn)懋半導(dǎo)體的pHEMT和PIN二極管主要技術(shù)平臺，在效能與電路方面已有解決方案，他指出近年來GaAs技術(shù)的快速演進，讓晶圓封裝與通訊設(shè)備上的多數(shù)功能開始整合，此外，pHEMT和PIN二極管整合為PINHEMT的技術(shù)，在毫米波通訊系統(tǒng)前端模組也會有巨大潛力。
王文凱指出，目前已可用0.1um pHEMT執(zhí)行E波段和D波段放大器，同時Ka-Band Doherty放大器和低噪放大器已透過o.15um增強模式完成，而Ka波段的switch則可由GaAs PIN二極管制程示范，這說明了GaAs pHEMT是毫米波領(lǐng)域相當(dāng)適用的驗證解決方案。
在封裝技術(shù)方面，日月光技術(shù)處處長林弘毅博士表示，現(xiàn)在整體產(chǎn)業(yè)的問題在于摩爾定律逐漸趨緩，但市場上行動設(shè)備通訊需求與云端運算概念所帶來的數(shù)據(jù)傳輸量卻越來越龐大，目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中任何一種芯片技術(shù)的提升速度，因此異系統(tǒng)整合就成為頻寬問題的解決之道，現(xiàn)在客戶對委外封測廠商的要求除了數(shù)字CMOS制程外，還必須提供射頻與光學(xué)等技術(shù)的解決方案。
現(xiàn)在行動設(shè)備的射頻模組與資料中心的硅光子模組，是目前云端運算平臺的關(guān)鍵元件，這兩類元件都需要有多元材料包括化合物半導(dǎo)體、硅和被動元件或特殊晶體等異材質(zhì)的高速連通芯片，其中阻抗匹配和低插入損耗將是關(guān)鍵性能指標(biāo)，在演講過程中，林弘毅展示的射頻模組和硅光子模組的新封裝平臺，同時具備了小型化、高效能與功能整合等特色，提供臺灣產(chǎn)業(yè)最佳解決方案。
2017-08-22 來源：華強電子網(wǎng)
