無線通信IC是用于無線射頻通信的收�(fā)及數(shù)�/模擬信號處理的半導體集成電路芯片�(tǒng)�,常見的無線通信IC材料有硅雙極互補金屬氧化半導�(Si Bipolar CMOS)、硅�(SiGe)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦�,如今無線通信IC產業(yè)已成為半導體產業(yè)未來�(fā)展的重要支柱�
一般來�,整個無線通信IC依功能可以分成三部分:首先為負責接收/�(fā)送射頻信號的射頻IC(Radio Frequency IC),此部分屬于射頻前端,為純粹的模擬電路設�;其次為負責二次�/降頻與調�/解調功能的中頻電�(IF IC),以及與鎖相回路(PLL)、頻率合成器(Synthesizer)等組件,目前此段多屬于模�/�(shù)字的混和模式(mixed mode)的電�;則是負責A/D、D/A、信號處理器及CPU等純�(shù)字部分的基頻IC(Baseband IC)�
硅組�
Si BiCMOS為主�
以硅為基材的集成電路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、與結合Bipolar與CMOS特性的Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等類。由于硅是當前半導體產業(yè)應用最為成熟的材料,因此,不論在產量或價格方面都極具優(yōu)�。傳�(tǒng)上以硅來制作的晶體管多采用BJT或CMOS,不�,由于硅材料沒有半絕緣基�,再加上組件本身的增益較�,若要應用在高頻段操作的無線通信IC制�,則需進一步提升其高頻電�,除了要改善材料結構來提高組件的fT,還必須藉助溝槽隔離等制程以提高電路間的隔離度與Q�,如此一�,其制程將會更為復雜,且不良率與成本也將大幅提高�
因此,目前多以具有低噪聲、電子移動速度�、且集成度高的Si BiCMOS制程為主。而主要的應用則以中頻模塊或低層的射頻模塊為主,至于對于低噪聲放大器、功率放大器與開關器等射頻前端組件的制造仍力有未��
SiGe制程嶄露頭角
1980年代IBM為改進Si材料而加入Ge,以便增加電子流的速度,減少耗能及改進功�,卻意外成功的結合了Si與Ge。而自98年IBM宣布SiGe邁入量產化階段后,近�、三年來,SiGe已成了最被重視的無線通信IC制程技術之一�
依材料特性來看,SiGe高頻特性良�,材料安全性佳,導熱性好,而且制程成熟、整合度�,具成本較低之優(yōu)�,換言�,SiGe不但可以直接利用半導體現(xiàn)�200mm晶圓制程,達到高集成�,據(jù)以創(chuàng)造經濟規(guī)�,還有媲美GaAs的高速特�。隨著近來IDM大廠的投�,SiGe 技術已逐步在截止頻�(fT)與擊穿電�(Breakdown voltage)過低等問題獲得改善而日趨實用。目�,這項由IBM所開發(fā)出來的制程技術已整合了高效能的SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)3.3V�0.5μm的CMOS技�,可以利用主動或被動組件,從事模�、RF及混合信號方面的配置應用�
對于無線通信射頻IC應用而言,SiGe技術具有良好的線性度、低噪聲、快速等特�,可適用于手機射頻前端如LNA、Mixer等。因�,隨著SiGe制程技術的性能日趨完善,再加上集成度高,使得全球射頻芯片大廠與晶圓代工廠商皆已陸續(xù)投入此一技術的�(fā)��
RF CMOS蓄勢待發(fā)
盡管純硅的CMOS制程被認為僅適用于數(shù)字功能需求較多的設計,而不適用于以模擬電路為主的射頻IC設計,不過歷經十幾年的努力后,隨著CMOS性能的提�、晶圓代工廠�0.25mm以下制程技術的配合、以及無線通信芯片整合趨勢的引領下,RF CMOS制程不僅是學界研究的熱門課題,也引起了業(yè)界的關注。采用RF CMOS制程的好�,當然是可以將射�、基頻與存儲器等組件合而為一的高整合�,并同時降低組件成本。但是癥結點仍在于RF CMOS是否能解決高噪聲、低絕緣度與Q�、與降低改善性能所增加制程成本等問題,才能滿足無線通信射頻電路嚴格的要��
目前已采用RF CMOS制作射頻IC的產品多以對射頻�(guī)格要求較為寬松的Bluetooth與WLAN射頻IC,例如CSR、Oki、Broadcom等Bluetooth芯片廠商皆已推出使用CMOS制造的Bluetooth傳送器;而Atheros、Envara等WLAN芯片廠商也在最近推出全CMOS制程的多模WLAN(.11b/g/a)射頻芯片�。不�,由于手機用射頻IC�(guī)格非常嚴格,到目前為�,除了Silicon Labs以數(shù)字技術來強化低中頻至基頻濾波器及�(shù)字頻道選擇濾波器功能,以降低CMOS噪聲過高的問題所生產的Aero 低中� GSM/GPRS芯片組外,很少廠商以此技術制造手機射頻IC。再�,由于手機制造商對其可靠度的疑慮仍深,故除了韓國三星電子采用Silicon Labs的Aero射頻芯片組外,幾乎未曾聽聞手機制造廠采用CMOS生產的RF芯片。由此觀�,RF CMOS欲在手機射頻IC制程中搶占一席之地仍有許多亟待克服的障礙�
化合物半導體:GaAs
除了硅制程的芯片之外,以砷化鎵制程所生產的芯片亦早就被大量運用在�(wèi)星通信、軍事武器等國防工業(yè)上,只是其應用范圍狹�,且產業(yè)結構較為封閉,以致于市場開拓不易。不�,隨著近年來無線通信的發(fā)�,砷化鎵制造的IC逐漸廣為應用在無線通信功率放大組件的制��
依材料特性來看,砷化鎵為化合物半導體,由于電子移動率約為硅的5.7倍,且高頻使用消耗功率低,故多用于制作功率放大器組件。一般來說,砷化鎵在無線通信射頻前端的應用具有高工作頻率、低噪聲、工作溫度適用范圍高、以及能源利用率佳等幾種�(yōu)��
在組件種類方�,依晶體管制程結構可分為:金屬半導體場效應晶體管(Metal Semiconductor Field Effect Transistor,MESFET)、假晶高電子遷移率晶體管(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,pHEMT)、異質結雙極晶體�(Heterostructure Bipolar Transistor,HBT)等三�。其中HBT雖然是三者中開發(fā)的技術,但其結構上的�(yōu)�,使信道上的電子流呈垂直方向,可以產生較高的功率密度,且僅需單一電壓,在同樣的輸出功率下,HBT的線性效果優(yōu)于其它晶體管結構,正適合目前講求輕薄短小、待機時間長的移動電話�
綜合上述各種應用于無線通信IC制造的半導體材料與制程技�,由于GaAs等制程擁有高工作頻率、低噪聲等優(yōu)�,因此在未來兩三年內仍是高速模擬電�,特別是功率放大器的主流制程技�。不過GaAs也存在著成本昂貴,且無法和硅芯片集成的缺��
至于在硅制程方面,隨著SiGe制程的崛�,與RF CMOS逐步朝向實用化階段邁�,將影響Si BiCMOS制程目前在射頻IC的主流地位,尤其是SiGe制程技術將會日益受到重�。過去在�(fā)展初期,SiGe由于截止頻率(Cutoff frequency:fT),及其相對的崩潰電壓過低,使得SiGe難以應用在射頻功率放大器�,相較之下GaAs不但具有高fT,而且其崩潰電壓也遠高于SiGe或Si制程,因此在功率放大�(PA)的應用上有極大的�(yōu)勀但經過短短幾年的改�,目前的SiGe HBT技術不僅已被Infineon、RF MD、Conexant等無線通信IC大廠廣為應用在手機射頻前端如LNA、Mixer等組�,也已發(fā)揮其制程集成能力完成集成RF/IF功能的Transceiver產品,更進一步挑�(zhàn)GaAs在PA產品的優(yōu)��
除了上述的制程外,其它逐步應用在無線通信高頻組件的基材還有磷化銦(InP)或GaAs on Si等制程。前者較砷化鎵更適于高頻應用,效率更�,組件更�,被認為未來有可能會取代砷化鎵,只是目前價格昂貴;后者主要由Motorola�(fā)�,于2001�9月宣布成功用于商�(yè)用�,可將GaAs的功率放大器(PA)與Si為主的基頻模塊結合在一起以降低成本,依�(jù)Motorola的構想,砷化鎵與硅結合實用化�,最初將先運用在輸出功率小于10W的WLAN和手機等消費類產品上。不過砷化鎵與硅結合,需要額外的加工工程,制程程序增�,良率會降低,因此其成本與商�(yè)化進程等問題仍有待考驗�
個別組件的制程技術發(fā)�
以手機射頻IC中最主要的兩大組件收�(fā)器與PA制程為例:在收發(fā)器的制程部分,雖然目前BiCMOS制程仍為市場主力,但近來廠商也積極發(fā)展RF CMOS與SiGe BiCMOS等制程技�。根�(jù)Strategy Unlimited的估�,到2004年BiCMOS制程的收�(fā)器芯片的市場占有率將逐步下滑到僅占全�66�,而SiGe制程的收�(fā)器芯片則可成長至21%的市場占有率,RF CMOS制程的收�(fā)器亦可望占有13%的市場。隨著越來越多廠商推出SiGe制程的收�(fā)�,再加上代工廠也陸續(xù)切入SiGe制程的代�,未來兩、三年內手機收發(fā)器的制程將以Si BiCMOS 與SiGe BiCMOS制程為主��
在手機的PA部分,由于GaAs材料特性的�(yōu)勢,故仍將主導手機PA制程市場,至于SiGe則在不斷改善制程技術后,將有機會侵蝕過去GaAs獨占的PA市場。Strategy Unlimited便預�,到2004年全球GaAs制程的PA芯片市場占有率將下滑到僅�68�,而CMOS與SiGe制程的PA芯片則將分別成長�13%與18%的市場占有率(見圖4)。不�,若以目前發(fā)展看�,推出SiGe制程PA的廠商仍屬少�(shù),再加上認證與設計的時間,到2004年SiGe PA仍不易有高成�,未來三年手機PA的制程未來仍將以GaAs制程為發(fā)展主��
就未來發(fā)展高集成�(integration level) RF IC芯片組而言,由于Si-CMOS、SiGe電路的重復性與一致性較GaAs制程�,且單位面積的電路密度高,就電路的集成度、易產性及成本,目前商用RF IC以CMOS、SiGe制程具備較佳的競爭力。若從個別組件的發(fā)展來�,SiGe制程將成為PA與Switch等射頻前端組件在GaAs制程外的另一種選擇;而收�(fā)器與LNA等組件則將出�(xiàn)SiGe與CMOS搶占Si BiCMOS制程市場的局��
逐步邁向SoC
射頻電路組件應用在移動電話等各式無線通信設備上,除考慮成本與性能�,更需力求其體積的微小化與采用的方便�。因�,為使所研發(fā)的產品更符合市場趨勢與需�,射頻組件制造商紛紛朝向更高整合度與集成度邁�,藉以提供下游廠商更佳的應用便利�。從TI、Infineon等國際芯片大廠所�(guī)劃的技術藍圖來��2003-2004年將逐步�(fā)展成PA模塊、射頻單芯片、基頻芯片等三顆芯片或芯片模塊,至于集成射頻與基頻的SoC則到2005年以后才有可能實�(xiàn)。至于臺灣省廠商方面,自今年起威盛與�(lián)�(fā)科相繼宣布積極投入后,也已加快國內廠商朝向手機關鍵零組件SoC的腳步�
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