多模多频推动手机前端射频需求，SiP与新制程扮演技术英雄

市场对新的移动业务的需求以及日益提高的频谱效率正在驱动全球范围内的运营商们对网络设备的性能提出越来越高的要求。由于能够以具有竞争力的价格提供更好的线性度、效率，并有助于延长电池寿命，在从2G向3G迁移的过程中，不断涌现的先进通讯技术对射频(RF)功率放大器(PA)产生了巨大的需求。

GaAs PA整体市场容量将有机会在接下来的数年内增长至30~50亿美元。JN3esmc

“随着消费者市场逐渐从基本语音电话向多媒体EDGE、WCDMA、WEDGE无线平台转变，当今蜂窝电话的复杂度，特别是包括RF PA的前端部分的复杂度正在迅速增加。”Skyworks公司大中华区高级销售总监Vincent Wang表示，“为了支持这些新增的频段，手机终端对RF PA、滤波器和开关器件的需求开始成倍增加。”他指出，全球范围内掀起的多模多频3G手机浪潮为RF PA市场的起飞起到了进一步推波助澜的作用。“3G蜂窝电话的布署正在加速。”他说，“2009年全球3G手机产量将会达到12亿部。”

Mahendra Singh：通讯应用RF PA的现有市场总量(TAM)将很快达到数十亿美元的规模。

无论是CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、GSM、GPRS还是EDGE，对于那些支持这些所有的标准和频段的3G手机来说，其每一个频段都需要有一个RF PA，这当然令那些耕耘在这一市场的半导体供应商兴奋不已。ANADIGICS公司WCDMA产品线总监Mahendra Singh就表示，全球手机出货量每年都有12~15%的增长，而手机市场的多模和多频段趋势使得一部手机中需要多个PA，从而令PA需求以更快的速度增长。“通讯市场RF PA的现有市场总量(TAM)将很快会达到数十亿美元的规模。”他说。 仅从中国市场的庞大需求中就已经能够看到RF PA技术的美好未来。In-Stat数据显示，目前中国手机用户数量已经超过了 3亿6,000万，并正在以每月400万新用户的速度快速增加。与此同时，这个国家向多模时代进军的步伐也将在2008年全面启动。 多模多频小尺寸带来的挑战 为了激发消费者的购买力，帮助移动运营商提升ARPU，全球的手机制造商都在努力扩展其以数据为中心的终端产品线。为了能以较低的成本迅速开发出满足移动运营商和消费者需求的酷炫产品，制造商们必须克服复杂度、成本以及开发时间相关的各种关键性挑战。 通过多个RF PA来支持所有频段已经成为目前2.5G和3G手机市场的主要市场和技术趋势。“手机设计师一方面要保证新产品同既有网络的兼容性，一方面还要尽可能让这些手机能利用新的以数据为中心的标准来开展业务。”RFMD蜂窝电话产品部总裁Eric Creviston表示，“同样，设计师必须开发出能在不同地区运行的手机平台。也必须为所设计的手机增加辅助的射频(比如GPS、WLAN、蓝牙)等功能。” 上述趋势将会带来手机架构上的一些变化。“全球范围内都在开发三频WCDMA以及四频EDGE的手机平台。”Skyworks的Vincent Wang指出，“这种架构的手机每部至少需要7个射频器件。市场最终很可能会朝着至少七个频段的方向进行标准化，并给第八个频段——LTE——留出空间。”有鉴于此，在未来的中国市场上，也许我们将会看到三频TD-SCDMA以及加上LTE的四频EDGE手机。 为了支持无所不在的多模连接，手机的前端发射模块必须以很小的外形尺寸来支持所有的频段，且还要保持尽可能低的BOM成本和较高的电源效率。“手机产品的设计师必须能够应付消费者不断抬高的期望。他们需要所购买的手机具有更佳的性能、质量和可靠性，更小的外形尺寸，并且能同时支持多个射频标准。这加重了电池的负担，令其续航时间大幅缩水” ，RFMD的Creviston说。他还提到了噪音以及信号干扰的问题。“不同信号通路之间的干扰已经限制了设计师在有限的空间内发挥设计专长的能力。在多模系统中，最大的挑战就是电路空间问题。” 上述问题还严重影响到了中至高端手机的架构和相应的成本因素。“在CDMA和GSM手机中，前端部分成本大概在1~2美元左右，但为了容纳所需的各种频段来支持全球范围内的接口标准，在多模手机中，这个数字已经增加到6美元左右。”Vincent Wang说。 为了克服上述挑战，制造商和设计师开始抛弃传统的分立器件，转而寻求系统级的解决方案。比如在GSM和EDGE手机设计中，为了减少复杂度和开发时间，确保平台在手机设计中的可移植性，PA被发送模块(TxMs)所取代。而在WCDMA手机设计中，受到欢迎的则是一个以PA为中心的更加灵活的方式。在保持电路管脚和布线不变的前提下，这个系统级的解决方案以频段电路为中心分布着一些电路块，在开发针对不同地区市场的手机终端时，只需更换相应的频段电路即可。 “通过将不同的功能分类(低损架构和智能前端电源管理)组合在一起，如今的前端系统已经不仅能帮助移动终端应对各种新旧通讯标准，同时还能适应不同的信号和环境条件。”Creviston强调，“更重要的是，为了获得优化了的性能与电池寿命，手机需要特定的工作条件，额外的前端电源管理电路确保了前端能够满足这一点。” 设计方法与制程演进 RF PA的市场变迁也悄悄推动着半导体供应商在产品设计上的创新和进步。耐用性、线性度、效率是RF PA的三个关键指标。手机市场的巨大增长和增殖能力使得产业能够进行前所未有的开发。外延材料架构上的巨大进步令这三大指标都有了提高，从而能够满足各种调制方式。近年来，GaAs HBT制程技术以及高Q被动器件、FET、HEMT器件(BiFET)的集成，彻底的改变了传统的PA设计方式。先进偏差控制技术和负载增强的PA(LIPA系列)、高效率中功率设计(HELP技术、BEST技术)以及内置衰减器的WiMAX PA的开发由此展开。 就在几年前，当消费者手中大多还都是2G单模手机的时候，主导RF PA市场的是分立晶体管。但当电压降至3V后，GaAs MESFET和HBT就摇身成为RF PA的首选方案。“GaAs HBT已经成为目前RF PA中的主导技术，这主要是因为它非常适于3G手机中对于高效率线性功率放大器的需求。”ANADIGICS的Singh解释说，“得益于GaAs HBT制程上正在取得的一些进步，我认为GaAs HBT在接下来的数年内将会继续主导RF PA产品。” 由于塞满了摄像头、PDA、WiFi、多LCD屏、MP3播放器等各种功能，今天的手机制造商也因为不断提升的功耗需求而头痛不已，因为新功能是以牺牲通话时间为代价的。为了解决这个问题，RF PA供应商们开始开发低功耗的RF PA以对耗电问题进行补偿。主要的方法是依靠DC/DC转换器在宽电压范围内优化PA效率。不过，ANADIGICS却采取了一种截然不同的方式。其中的核心技术就是InGaP Plus。据称，这种InGaP HBT+pHEMT的工艺能够令PA设计人员将开关和RF PA集成在同一块裸片上。“其所带来的能力是巨大的。”Singh称，“因为它允许电路设计者能够集成开发高性能的多模多频RF PA，而这种小尺寸的RF PA正是当今手机开发商所需要的解决方案。” “我们采用了专利BiFET制程(InGaP Plus)来设计HELP PA，无需DC/DC就可以在更宽的电压范围内优化效率。这不仅节省了手机电路板的占位空间(对多功能多模手机来说非常重要)，还有利于削减成本。”Singh表示。据悉，为了进一步降低BOM成本和节省宝贵的电路板空间，ANADIGICS还在它的第三代HELP PA中内置了稳压器。“在较低的电压水平下，HELP3 RF Pa的ICQ同样为7mA左右，这有利于总体通话时间的改善。”Singh 透露，ANADIGICS正在研发第四代HELP PA，新产品将在今年晚些时候与工程师见面，届时将会在低电压水平下进一步降低ICQ值。 Skyworks也在BiFET制程上取得了创新。在自有大容量GaAs HBT生产线上，这家公司开发了一个在HBT射极中集成BiFET的制程。 在CDMA/WCDMA PA的第一批MMIC电路的开发过程中，业界提出并采用了一些BiFET集成方法。集成的方式要么是将MESFET或者pHEMT置于HBT的底部，要么将MESFET置于HBT的射极中。Skyworks在HBT射极中集成BiFET的方案是一种融合/混合结构。利用这项技术，开发人员实现了4个端子的FET器件(而非传统的置于HBT下方的3端子FET)。将多出来的第四个端子与门极或源极连在一起，就能有效的调节阈值和控制泄漏电流。 利用优化的连接电路，最终获得的器件不仅有极低的泄漏电流(10nA/mm)，且夹断电压(-0.33V)和跨导(gm=165mS/mm)特性也非常优秀。为了防止HBT的RF性能受到射极电阻值和基极-射极电容值增加的影响，Skyworks还特别对FET的外延层进行了优化。此外，为了获得PA设计所需的功能和稳定性，HBT射极中FET的放置也允许将不同集电器厚度的FET集成在外延材料中。 Vincent Wang表示，到目前为止，BiFET中集成FET的技术还主要用于集成的衰减器或者旁路开关架构中对于RF性能要求不是很高的信号路径。他指出，尽管HBT中的FET/pHEMT功能集成可以在模块级来缩小外形尺寸，但是采用单一制程或材料、并将所有的功能块装配在一起的方式也有可能导致性能变坏。“如果能够容易的获得低成本的先进封装解决方案，在解决功能集成方面，较优的方案应该是MCM。”他说。据称，Skyworks最新的内部组装制造设施在提供了这种选择和性能的同时，还拥有较高的良率和较低的成本。“比如我们已经将WCDMA功放和pHEMT开关组合在一起，在没有牺牲性能和外形尺寸的前提下，在4×4的封装内获得了级旁路(Stage-bypass)PA。”Vincent说。 硅基PA仍然稍逊一筹 目前大部分手机中的RF PA都采用GaAs来制造，其原因还是这种材料快速的电子迁移率特性。不过这种材料居高不下的成本也一直为业界所诟病。最理想的办法是在12英寸晶圆上采用CMOS工艺来大规模量产这种射频前端器件。尽管在高频高速性能的PA领域仍然还没有其他可量产的工艺可与GaAs相媲美，但是去年夏天来自法国的ACCO半导体却声称他们已经找到了通往上述目标的方法。此外，Intel也在积极开展相关的研究工作。然而RF PA市场上的老牌厂商们却指出，在快速变化的手机终端市场，CMOS制程要走得路还相当漫长，就现阶段而言，它对市场的影响力还微乎其微。 ANADIGICS 的Singh表示，他欢迎来自CMOS阵营的竞争。“任何形式的竞争都是有益的。因为它会推动技术的革新。幸运的是，GaAs有着许多CMOS无法比拟的优点，特别是3G RF PA所需要的线性性能方面。”Singh说，“我们的确看到了GSM CMOS PA的一些学术性探讨，但是在满足当今手机需要的高性能需求方面，CMOS技术还要进行许多革新。” “基于CMOS的RF解决方案无法支持多模、多媒体2.5G和3G手机前端所需的复杂性。” Skyworks的Vincent Wang表示，“尽管目前采用的CMOS器件的SoC技术在手机架构的数字和射频部分已经相当流行，但是前端所需的绝大部分功能仍然需要采用基于GaAs或其他复合半导体制程的SiP技术。” 如果不奋起直追，CMOS和GaAs之间的差距可能还会越拉越大——对于前端模块(FEM)的开发商来说，由于手机市场的快速变化，使用GaAs和其他复合半导体制程的SiP技术正在变得日益重要，特别是针对那些复杂度较高以及多模手机的FEM。对于这类手机的设计人员来说，GaAs和SiP的进步正在帮助他们尽可能的获得成本与性能间的最佳平衡，并提供最短的产品周期以及更多的集成需求。 一个普遍的原则是，GaAs PA要比基于CMOS的竞争产品优秀10%或者更多。数据显示，最新的CMOS PA在GSM900频段和DCS1800频段下的附加功率效率(PAE)分别是48%和40%。而相同应用下的InGaP放大器却能够提供55%和53%的PAE。虽然两者的效率相差只有7~13%左右，不过在高功率条件下，特别是手机处于信号覆盖的边缘区域时，这种差别就非常明显了。“采用高效InGaP放大器的手机电池续航时间更长，而这正是消费者所希望的。”Vincent说。 “究竟选择InGaP还是CMOS的PA，之所以有这两种选择主要还是由于成本问题。”Vincent继续说道，“尽管CMOS PA拥有一定的成本优势，但是性能上的差异令它吸引力大打折扣。即使是超低价手机制造商也很少为了降低制造成本来牺牲过多的通话时间。” SiP的优势：集成与定制 SoC正在变得日益流行，许多外围器件和单一功能的半导体器件都在逐渐被集成到这种单一封装的芯片中去——不仅仅包括数字电路，一些模拟电路也被这股潮流所席卷。业界担心这将会为RF PA厂商的未来蒙上阴影，不过现在看来这种担心有些过于一厢情愿了。正如ANADIGICS的Mahendra Singh所言：“集成应该提供具有竞争力的性能。集成本身并不会减少手机制造商对高性能RF PA的需求。举例来说，由于在尺寸、成本和性能方面并不比现有的分立方案更具优势，PAD模块(RF PA+输入滤波器+耦合器+双工器)目前还没有在市场上获得成功。”此外，Vincent也指出，集成的方式并非只有一种，相比SoC，前文已经提到的SiP才是RF PA走向集成的最佳选择。 “集成将成为RF PA的发展趋势，这是肯定的。但没有必要非得采用SoC形式。”Vincent说，“需要重申的是，SiP能够令设计师尽可能的获得成本与性能间的最佳平衡，并提供最短的产品周期以及更多的集成需求。这种技术的出现令人们找到了单芯片之外的全集成器件方案——单封装，这是目前针对手机终端最有效的集成方式。SiP令每个功能块都能采用针对各自优化的工艺进行制造，然后再将这些功能块封装在一个紧凑的高密度解决方案中。这造就了最佳的功能、最快的上市时间以及最高的设计灵活性。” 除了上述优点之外，SiP还具有以下优势。首先，手机终端的多频多模趋势向SoC技术提出了散热、功耗、噪声以及其他方面的各种挑战，随着工艺尺寸的缩小以及片内电压的降低，这些问题的严重性还在加剧，在多频手机上实现复杂的模拟功能变得越来越难，与SoC对此一筹莫展相比，SiP技术能够很好的解决这些问题。其次，当PA没有同接收器集成在一起时，人们还可以通过优化制程来满足一些特定的需求。举例来说，在WiFi MIMO和WiMAX等应用中，特定的需求将越来越多，这时针对某个功能的优化就非常有用了。“另外在一些特定的应用中，FEM的定制化也相当普遍。”Vincent Wang补充说，“集成+定制化，这样的组合将获得最佳的性能。” 在通往集成的道路上，ANADIGICS有着完全不同的方法。Singh介绍，通过将多个频段的PA集成在单一封装(比如3×5mm的HELP3 双频RF PA封装)内，他们大幅降低了前端芯片占用的空间和制造成本。此外，这家公司早在两年前就引入了业界第一个单一封装的五频(Penta- band)RF PA(四频GSM/EDGE+IMT的UMTS)，从而令手机制造商不在性能和功能上进行妥协的前提下设计出多频段的“世界手机(可在多个国家的通讯频段中使用)”。 中国3G：RF PA供应商的新机遇 根据ABI Research报告，由于政府的强力支持，TD-SCDMA将会主宰中国的3G市场。这家市调公司在其2008年1月发布的报告中指出，中国本土的OEM厂商们已经开始同它的跨国竞争者们竞相展示各种支持TD-SCDMA/GSM/GPRS/EDGE的多模手机了。此外，除了已经布署的TD-SCDMA网络基础设施目前已经被升级到HSDPA增强型版本，TD-SCDMA的IP持有者大唐移动也已经展开了最终融合LTE的TD-SCDMA相关研究工作。 “中国当然是一个推动增长的市场，中国政府所支持的TD-SCDMA是这个国家3G标准中的一个，该市场对能够支持这些标准的产品的需求正在增长。”Skyworks的Vincent Wang表示，其所属的这家公司一直都在密切关注中国3G市场的变化。除了同客户一起合作外，他们也在积极跟踪TD-SCDMA布署方面的相关分析，其中就包括ABI Research。他引用后者的报告说，中国通信产业将在2008年Q1继续它的重组之旅，以确保第一个TD-SCDMA执照在这个季度末能够如期发出。ABI相信，第一批开展TD-SCDMA业务的将是中国电信、中国移动、中国网通已经布署了试验网络的10个试点城市。其余3G标准则会在TD-SCDMA执照颁发后的6~9个月内出炉。 Vincent表示，Skyworks已经做好了迎接中国3G市场起飞的准备。“在每个有望成为中国3G标准上，Skyworks都入选了相关半导体方案的供应商行列。Skyworks还是第一个提供TD-SCDMA PA模块的半导体厂商。”他说。 RFMD和ANADIGICS也都希望能够参与到TD-SCDMA的成功中来。Creviston介绍说，为了支持TD-SCDMA终端，其所属的公司已经推出了最新的3G发送系统(RD6280：PA+前端电源管理)。“RD6280是3G单模产品线中前端器件的一员。”Creviston说，“开发商可利用它实现能够满足各地区通信标准的低成本高效率的手机平台。”而Mahendra Singh则称，ANADIGICS已经开始开发针对TD-SCDMA的RF PA，目前已经进展到同关键客户进行设计评估的阶段。