從設計、測試到封裝 5G毫米波技術面臨哪些挑戰?

2020-11-04 16:17 閱讀 743 次瀏覽 次 評論 0 條
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運營商、設備廠商和芯片廠商正在齊心協力地推動第五代移動通信標準(即5G)的制定。5G是現在4G(也稱為長期演進項目,Long term evolution,即LTE)移動通信標準的下一代,5G數據傳輸速率可超過10Gbps,是現在LTE標準的100倍。5G技術能否成為現實,現在還是一個疑問。

不過,5G市場已經開始升溫。Anokiwave、博通、英特爾、Qorvo、高通、三星以及其他不斷涌現出來的廠商,正在開發5G芯片。完成5G網絡部署還面臨諸多挑戰,舉個例子,雖然設備商和芯片廠商已經在開發5G產品,但5G標準還沒有確定。

現在的LTE網絡工作頻率從700MHz橫跨至3.5GHz,5G網絡則不僅要兼容LTE網絡,還須支持公用免費(unlicensed,設備廠商不需要購買許可費用)或毫米波頻段(注:目前毫米波波段基本免費,但免費波段不等于毫米波波段)。嚴格意義的毫米波頻率為30GHz至300GHz,對應波長分別為10mm到1mm,毫米波通信將極大提高無線數據傳輸的速率。

早期的5G新工作頻率會是28GHz(美國)與39GHz(歐洲),后面將引入其他頻率,例如60GHz(注,通信行業不太看好60GHz,因為60GHz信號傳播的大氣衰減比較嚴重)、71GHz至86GHz,甚至可能用到300GHz。

要支持毫米波通信,移動系統和基站必須配備更新更快的應用處理器、基帶以及射頻器件。事實上,5G標準對射頻影響較大,需要一系列新的射頻芯片技術來支持,例如支持相控天線的毫米波技術。毫米波技術最早應用在航空軍工領域,如今汽車雷達、60GHz Wi-Fi都已經采用,將來5G也必然會采用。

把毫米波技術從航天軍工領域引入到商用市場并不容易。“毫米波技術還面臨一些挑戰,”GlobalFoundries射頻市場總監Peter Rabbeni說道,“設計與設計實現,以及毫米波產品測試都會遇到不少困難。這主要是因為毫米波頻率太高了。”

設計毫米波芯片很難,但測試會更難。“在業內,我們很早就開始測試毫米波產品,但這些毫米波芯片主要用于航天軍工市場。”NI銷售與市場執行副總裁Eric Starkloff說道,“毫米波測試的成本很高,我們正在努力大幅度降低毫米波測試的成本,這樣才有可能大規模推廣毫米波。”

雖然5G技術面臨諸多挑戰,但Verizon計劃2017年的時候在美國提供部分5G服務,韓國電信與三星則計劃2018年冬奧會期間提供5G服務,但大規模5G部署不會早于2020年。

"我很懷疑,即使到2020年,5G能否提供較為完善的移動服務,”Forward Concepts總裁Will Strauss說,“當然,2018年會有5G試運行網絡提供高速移動通信服務,不過那時候能夠買得起5G手機的人非常少。”

雖然離5G真正實現尚有很長時間,但業界需要認真審視5G技術,以跟隨發展到步伐。下面我們就從芯片、工藝、測試和封裝等角度來詳細分析一下5G技術現狀。

1、什么是5G?

到底什么是5G?為什么我們需要5G?現在,多數運營商部署的4G移動通信標準被成為LTE升級版(LTE Advanced ,為LTE標準的第10版,簡稱LTE-A)。根據4G技術規范,運營商部署了第四級(Cat 4)與第六級(Cat 6)LTE-A移動通信網絡,第四級LTE-A下載速度可達150Mbps,第六級LTE-A下載速度更高,可達300Mbps。

再過一段時間,運營商將部署LTE-A Pro(為LTE標準的第13版),LTE-A被認為是4.5G技術,被看作通向5G的跳板。根據NI的資料,LTE-A Pro支持32個載波單元(LTE-A是5個),大規模多入多出技術(Massive MIMO)以及免費頻段LTE技術等。這些技術都是5G技術的一部分,不過5G技術將進一步把工作頻率拓展到毫米波頻段。對于LTE-A Pro,運營商會部署第十級(Cat 10)移動網絡,支持450Mbps下載速度,部分運營商會部署下載速度達1Gpbs的第16級(Cat 16)移動網絡。

雖然現在4G網絡速度還不錯,但根據愛立信的估計,從2015到2021年,移動數據流量每年增長率在45%左右,到2021年每部手機每月數據流量將從2015年的1.4GB增長到8.9GB左右。

因為移動數據流量飛速增長等原因,人們對5G技術的需求是真實存在的。不同運營商提供的5G服務可能互有區別,但大體上每家運營商選擇的5G技術都包括以下三項:增強型移動寬帶、物聯網和機器通信。

增強型移動寬帶引入毫米波技術,可使移動數據傳輸速率超過10Gbps。5G網絡容量是4G的1000多倍,傳輸延遲降低到4G的十分之一。物聯網主要是指基于無線網絡的技術,為了物聯網更好的發展,現在業界也制定了一個窄帶無線互聯標準,成為窄帶物聯網(NBIOT)。同時,5G包含一種單獨的機器對機器通信協議(M2M),5G中規定的M2M協議被稱為LTE-M。

“5G中對低功耗和長電池壽命提出了要求,”NI首席市場經理David Hall說,“NBIOT和LTE-M都是為機器與機器通信而設計的,在現有移動通信協議上進行了修改,它們在射頻方面都比較簡單。”

那么引入這些標準的副作用在哪里?WiFi等無線技術都能被置于5G概念內,將是整個市場變得復雜、不確定甚至混亂。例如,5G或許會把60GHz無線網絡技術(WiGig)包含進來,其他的無線標準也在不斷涌現,例如LoRa和Sigfox。

但是不太可能(如果不是不可能)設計出一顆射頻芯片支持所有國家的所有無線通信標準。“你能同時滿足所有的需求嗎?不能!”ADI公司通信基礎設施部門首席技術官Thomas Camerson斬釘截鐵地說。所以,將來運營商只會支持一部分5G標準。“(運營商的)目標是建成一個靈活的網絡,可以滿足細分的垂直市場需求。”Camerson說道。

此外,相比4G,毫米波信號傳輸距離變短,由于波長變短和空氣吸收等因素影響,5G信號傳播距離大約為200米。為了滿足短距離傳輸范圍的數據流量需求,5G將采用大規模多入多出技術(Massive MIMO),通過使用多根天線來倍增系統通信容量。從這個例子可以管窺5G網絡有多復雜。

2、透視5G手機

4G手機里面的數字部分包括應用處理器和調制解調器,射頻前端則包括功率放大器(PA)、射頻信號源和模擬開關。功率放大器用于放大手機里的射頻信號,通常采用砷化鎵(GaAs)材料的異質結型晶體管(HBT)技術制造。

未來的5G手機也要有應用處理器和調制解調器。不過與4G系統不同,5G手機還需要相控陣天線。相控陣天線由一組可獨立發射信號的天線組成,利用波束成型技術,每根相控天線都可以根據波束來調整方向。

5G智能手機中可能需要16跟天線。“每根天線都有獨立的PA和移相器,并與一個覆蓋整個工作頻率的信號收發器相連,”Strategy Analytics行業分析師Chris Taylor說道,“理想的狀況是把天線放在信號收發器上面,或者與收發器做在一起,所以信號收發器要有多個由小的PA組成的發射通道。所有進出天線的信號都在模擬域處理。”

用毫米波器件設計一個系統非常有挑戰性。“很多客戶不但關心系統的架構,還想知道究竟用什么技術來具體實現,”GlobalFoundries Rabbeni說道,“這很大程度上取決于系統要集成多少功能,以及如何劃分子系統。”

“此外,布局布線對于毫米波的影響很大,”Rabbeni說,“各個部件之間靠得很近以減小損耗。處理毫米波電路不是一件容易事。”

相控陣器件通常由不同的工藝制造而成,不過現在多數采用標準CMOS工藝和硅鍺(SiGe)工藝。“在毫米波相控陣/主動天線應用中,硅鍺工藝已經得到了證明。”TowerJazz高級戰略市場總監Amol Kalburge說。

"此外,硅鍺材料可以把先進CMOS工藝和片上無源器件集成在一起,這樣就減小系統級芯片(SoC)的面積以提高集成度,并在成本與性能的平衡上做到更好,”Kalburge說,“我們認為硅鍺材料將在5G射頻前端IC發揮重大作用,當然也會用到其他三-五價材料。”

“在6GHz頻率以下的應用中,SOI工藝的開關將繼續是主流,但SOI開關在毫米波頻率的應用研究還不充分,其可發揮的作用與可能遇到的問題還是個未知數。波束成型天線可以支持不同的收發通道,所以在毫米波中有可能不需要天線開關也能實現兩個通道的完全隔離。如果毫米波應用仍然需要模擬開關,現在的SOI工藝開關由于插入損耗高,很有可能不可用。SOI工藝的不足將給MEMS工藝開關或其他新技術帶來機會。”Kalburge說道。

硅鍺采用8英寸晶圓的標準CMOS制造流程,晶圓代工廠也在持續提高硅鍺工藝的性能。例如,GlobalFoundries最近推出的130nm硅鍺工藝,其工作頻率最高可達340GHz,比舊工藝提高了25%。此外,TowerJazz最近也推出了130nm硅鍺工藝。

與4G手機一樣,5G手機也需要功率放大器。“毫米波應用中,功率放大器將是系統功耗的決定性因素,”三星美國研究中心的主任工程師Jeffery Curtis說道,“毫米波系統中有現成的功率放大器可用,但現在的毫米波系統對于射頻前端的要求與移動通信中的要求有很大區別。”

三星已經為5G應用開發了一款28GHz的集成了低噪聲放大器(LNA)和模擬開關的功率放大器。該器件使用0.15微米的GaAs工藝,“根據應用場景,對PA和LNA進行了特殊設計,我們把功耗降低了65%,”Curtis說,“將這些器件集成在一起減小尺寸,是把其應用到手機的關鍵一步。”

除了GaAs,業界也在嘗試其他的三五價材料來制造PA,例如硅鍺。“與制造PA所使用的其他工藝相比,GaAs在效率、線性度和頻率范圍等方面都有優勢,”Strategy Analytics分析師Eric Higham說,“與硅基工藝相比,GaAs工藝的缺點是成本比較高,不易集成。”

Higham表示,GaAs代工廠大部分還采用4英寸晶圓來生產,但是為了降低成本,很多廠商開始把產線升級到6英寸。

在低頻段,GaAs HBT的柵極長度通常在0.25至0.5微米之間,“要做到毫米波頻率,多數器件廠商會選用柵極長度在0.1至0.15微米的工藝,”Higham說,“Qorvo推出了90nm的GaAs工藝,不過90nm已經是現在量產GaAs工藝的極限尺寸了。”

3、基礎設施

實際應用中,帶相控陣天線的手機將發射信號給基站和微蜂窩基站,基站和微蜂窩基站將與相控陣天線對接以實現信號連接。

要實現上述功能,還有一些問題要解決。例如,天氣狀況會影響信號路徑。“在毫米波頻段,由于氧氣和吸收造成的路徑損失會更大,”Anokiwave CEO Robert Donahue說道,“解決方法是采用波束成型技術。”

Anokiwave剛剛發布一款被稱為“5G四核”的IC,工作頻率為28GHz,具備相控陣功能。這款IC使用硅鍺工藝,可用于微蜂窩基站等系統。

理論上,這種芯片可與基站通信。與4G不同,4.5G和5G設備必須支持大規模MIMO技術。基站使用的射頻功率管一般采用LDMOS工藝,但現在LDMOS工藝正在被氮化鎵(GaN)工藝取代。

“和LTE-A一樣,5G基礎設施也會移到更高的頻率以拓寬數據帶寬,”穩懋半導體高級副總裁David Danzilio說道,穩懋半導體提供GaAs和GaN工藝代工服務。“隨著LTE邁向更高頻率,GaN技術已經開始擴大市場份額。”

現在,大多數GaN器件使用3英寸或者4英寸線來生產,但據Strategy Analytics的消息,Qorvo在2016年底可以將其GaN產線升級到6英寸。GaN工藝尺寸正在從0.25至0.5微米向0.15微米轉換,技術領先的廠商已經在嘗試60納米。

“GaN是一種寬禁帶材料,”Strategy Analytics的Higham說,“這意味著GaN能夠耐受更高的電壓,也意味著GaN器件的功率密度和可工作溫度更高。所以,與GaAs和磷化銦(InP)等其他高頻工藝相比,GaN器件輸出的功率更大;與LDMOS和SiC(碳化硅)等其他功率工藝相比,GaN的頻率特性更好。”

將來,5G手機中的PA甚至也可以用GaN來制造。“GaN也會被采用,特別是在高頻率應用。”Qorvo無線基礎設施與產品事業部總經理Sumit Tomar說。

軍用手機中已經開始使用GaN器件,但普通智能手機用上GaN器件還要等上一段時間,因為只有在低功率GaN工藝上取得突破,GaN器件才能放入智能手機。

4、測試難題

測試測量大概是5G生產制造流程中最困難的一環。與4G射頻芯片相比,毫米波的測試測量有明顯區別。

“現在幾乎所有的射頻芯片測試都是用一根線纜把射頻芯片和測試設備連起來,”NI的Hall說,“采用線纜連接射頻芯片和測試設備是為了避免測試由于路徑損失等原因導致的不確定性。”

不過藍牙等射頻芯片在測試時,也會進行輻射測量。量產測試時,芯片廠商則會采用相應的自動化測試設備(ATE)來進行測試。

但是,毫米波器件的測試測量完全是另外一回事。例如,相控陣天線可能是綁定在射頻前端器件上。“(射頻前端器件)封裝就把天線包在里面了,”是德科技5G技術架構師Mike Millhaem說,“所以在器件上沒有射頻接口和端子來連接到測試設備上。”

所以,傳統的采用線纜連接的測試方法對于毫米波不適用。那么,該怎么來測試毫米波器件呢?

每家廠商有不同的測試方案,不過需要把幾臺昂貴的機器組合在一起才能完成對毫米波的測試測量。

“現在,毫米波測試的困難之一是這些頻率的很多信號帶寬很寬,”NI的Hall說,“毫米波器件的量產測試方法有現成的,但調制測試還沒有。工程師能夠買到100GHz或更高頻率的矢量信號分析儀(VNA),但矢量信號分析儀只適合測量S參數。”

矢量信號分析儀適合測量濾波器、耦合器與功放。“然而,矢量信號分析儀無法測試調制質量,但調制質量是射頻芯片的重要參數。”Hall說道。

不過Hall認為28GHz器件是可以測量的,“28GHz 5G的標準要求500MHz帶寬,這可以做沒有問題。”

但是測量60GHz器件還是有難度,“有幾家公司在開發802.11ad測試方案,但現在我相信沒有一家WiGig的測試方案可以商用。”Hall說,“由于缺乏測試方法,工程師只能依靠‘標準被測器件’的方法,如果一顆WiGig射頻芯片能夠進行通信,我們認為這顆芯片就是好的。這種方法很不可靠,因為缺乏測試手段,所以現在市場上的WiGig產品很多都有質量問題。”

5、封裝

軍用毫米波產品大多采用陶瓷或者金屬封裝,這些封裝可靠性很好,但是成本很高。

所以民用市場在考慮采用QFN封裝和多芯片模組,以及其他適合毫米波的先進封裝。“廠商也在扇出和嵌入式封裝方面進行嘗試。”日月光副總裁Harrison Chang說。

實際上,在毫米波芯片封裝上,封裝工程師必須考慮更多的因素,嘗試更多的方法。“(毫米波的)射頻前端要復雜得多,”Chang說,“我們必須保證封裝的結構,例如連線、墊盤(pad)和通孔,使之不會妨礙到芯片上的射頻設計。

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