運用在智慧型手機與平板電腦的無線射頻前端IC技術與產品趨勢

天工通訊總經理 鮑益勤

從2G/3G/3.5G/4G及Wi-Fi、WiMax加GPS導航，現在便攜式裝置支援的無線接取標準越來越多樣化，也越來越複雜，在因應輕薄短小的消費性電子設計趨勢下，無線通訊的關鍵組件─射頻元件(RF)，正朝向前端IC整合化與SiP單系統晶片構裝的趨勢演進...

天工通訊(EPIC Commucations, Inc.)為無自有晶圓廠的無線通訊積體電路與射頻前端模組設計公司(Fabless IC & RF Front-end Module Design House)，致力於研發無線通訊射頻前端元件與模組整合，大量供應WLAN、WiMAX (802.16)、Bluetooth Class 1、Zigbee等無線通訊使用的線性化功率放大器、砷化鎵微波晶片與射頻前端模組等，並投入手機多頻段功率放大器等產品研發與客製化服務。

無線通訊與應用無所不在 射頻元件多模與複雜化成必然趨勢

天工通訊總經理鮑益勤先生在「運用在智慧手機與平板電腦的無線射頻前端IC技術與產品趨勢」主題演講中指出，無線通訊發展20年，從最早的手機到現在的RF射頻，應用無所不在，無論是2G的手機或3G/4G智慧型手機，電腦無線連網、藍牙傳輸等，這些新科技運用實際上已經變成生活的一部分，再加上這幾年來手機運用加上Internet的應用，將RF的前端(Front-End)應用推到一個多模多頻與多媒體的整合應用。

過去幾年來，智慧型手機與iPad的興起造成便攜式裝置應用風潮，而這些運算與儲存需求又往雲端運算去推，未來的智慧型手機、平板電腦或輕薄短小的筆記型電腦，透過無線網路的連接，會變成未來消費性電子主流，並以超過眾人預期的速度往前進展。由於這些產品都要借助無線通訊，因此對於射頻前端(RF Front-End)的需求就會越來越高。

當今射頻前端元件必備的無線規範與封裝技術

全球從3G邁向4G通訊發展藍圖中，3G部分WCDMA與CDMA2000已經行之有年，將來整個世界可望轉向LTE這個標準。目前3G/3.5G市佔第1是歐盟WCDMA，提供14.4Mbps/5.76Mbps的下載╱上傳速度，部署國家達100多個，全球用戶數3.2億佔3G市場76%；第2是美國的CDMA2000，提供3.1Mbps/1.8Mbps的下載╱上傳速度，部署國家達62國，全球用戶數9,500萬，佔3G市場22%。而大陸的TD-SCDMA，下載╱上傳速度達到2Gbps/384Kbps，部署國家有大陸、緬甸、非洲，大陸用戶數有41萬戶，代表的運營商如中國移動。

鮑總經理認為，目前2G/3G/4G射頻前端(RF Front-End)複雜性呈現指數性成長，納入更多像是Wi-Fi、藍牙加FM廣播、GPS、NFC近場感應通訊技術等。手機有8~9個無線收發標準，這麼多種無線電波的切換選擇，增加了手機電路設計的困難度，技術的瓶頸卡在RF Front-End前端；而明日的4G行動裝置須具備CDMA/LTE、GSM/UMTS/LTE、UMTS/LTE、GSM/WiMAX、WiMAX，也必須有TDMA、CDMA及OFDMA等接取技術，並支援分頻多工存取(FDD)與分時多工存取(TDD)。其次需多個頻譜帶(Multi-Band)像700MHz、900MHz、1.5GHz、1.7GHz、2.1GHz、2.3GHz、2.5GHz、2.6GHz、3.5GHz、5.3/5.8GH等等，同時還要內建多組天線與MIMO波束形成智慧天線，以及Wi-Fi、BT-FM、GPS、NFC與其他無線規格的連接性。

3G/4G無線射頻前端(RF Front-End)幾個重要的元件，主動元件部分，包括PA功率放大器、DA數位放大器，還有switch切換開關元件，以及Antenna Module天線模組，以及濾波器(Filter)、雙工器(duplexer)等被動元件，從2G RFFE慢慢involve到2.5G FE再involve到3G FE，尺寸要越來越小，整合的功能越來越多；因應增加射頻前端複雜性與單位面積╱成本縮減的需求，單晶片或採SiP單晶片構裝的射頻前端整合(FEIC)技術成為必然的趨勢。

各種導線╱銅覆晶構裝與基板材質技術探討

在前端IC中的主動元件或被動元件部分，已逐漸朝向各別整合到單一矽晶(Single-Die)，未來射頻前端只要整合封裝2、3個Die就解決了。而Duplexer雙工器因為材質因素，無法跟前面主動或被動元件整合在同一個Die，但可藉由SiP系統構裝的方式封裝在一起。以3G/4G三態功率放大模組(PAM)來說，一部分3G PAM是2Die，也有幾家像是天工通訊的Single-Die，跟一些被動元件一同封裝在1個3mm x 3mm x 1mm尺寸大小的模組。

在下個多矽晶粒整合的技術中，有Wirebond導線連接以及較先進的銅柱凸塊覆晶構裝(Copper Pillar Flip-Chip)技術。Wirebond導線連接技術受限於矽晶粒外面導線連接的困難性與必要限制，封裝過的晶片尺寸比原來晶粒大上許多，而覆晶構裝封裝的晶片尺寸比較小，可以做到接近原晶粒尺寸，也減少幾道導線與矽晶粒的組裝工序，對功率IC而言銅凸塊覆晶構裝在電氣特性、散熱方面也比較好。但銅凸塊覆晶構裝缺點在於增加晶圓上植上凸塊的成本，且矽晶圓植球會造成無法晶圓窺探測試(Probe)，只能在植球之前做Probe，或者憑藉著成熟穩定的設計降低不良率。更大的矽晶圓還需要經過一道底部填充(under-fill)的程序。

鮑總經理舉例，1個天工開發的FEIC，以砷化鎵半導體材料做Flip-Chip覆晶構裝，在70℃溫度下功耗約500mW，最大工作溫度可達118℃，熱阻為96℃/W。而PA、LNA、Switch、IPD功能區塊、數位控制&解碼以及整合型單晶片等都可用銅塊覆晶構裝來設計體積更小的FEIC。

而SiP系統構裝的RF FEIC技術，則是將許多顆IC與被動元件組裝成一個系統單元。一般有機基板或低溫陶瓷基板，前者可做2~10層晶片元件的組裝，後者可做到最高30層晶片疊加組裝，且部分被動元件如電阻電容可直接遷入陶瓷層，不過陶瓷基板的成本相當昂貴，海內外能做陶瓷基板的廠家有限。鮑總經理也以天工2010年推出全球最小的Wi-Fi射頻前端元件為例，用LTCC低溫陶瓷基板則可做到3mm x 3mm，若以一般4層有機基板製造則需要4mm x 4mm。

目前濾波器元件技術中，常見的有SAW Filter(Surface Acoustic Wave表面聲波)濾波器，以及近年因高頻、高輸出功率所開發的體聲波BAW(Bulk Acoustic Wave)濾波器與薄膜體聲波FBAW (Film Bulk Acoustic Wave)濾波器元件。蘋果iPhone在之前2G時代也使用SAW，在後來3G CDMA2000時代的iPhone 3就導入BAW。

明日3G/4G市場成長空間驚人 帶動先進射頻前端元件的需求

鮑總經理認為，未來RF射頻前端將會走向模組化的設計。模組化的原因是考量除錯與良率的因素，因為射頻元件所疊加的元件，其中萬一有幾個元件良率不佳，會拉低整個SiP系統構裝的產品良率。解決問題的作法就是把RF5射頻元件做成1個可拆卸、分離的SMT模組，測試或偵錯完畢回銲到手機或裝置主機板上，但如此元件基板因為底層面積與主機板預留的基板面積重疊，對節省空間的幫助有限；未來的趨勢則朝向以相同元件層做成矽晶圓模組的方式，每個矽晶圓元件層測試OK再進行疊加壓合，可提升整體良率並縮減整個射頻元件的體積。

他也指出，未來3G╱4G會進一步驅動RF前端元件的微縮封裝技術的進化與模組化，因為3G/4G通訊對性能與手機空間的要求越來越嚴謹，也促使這些IC設計公司與SiP封裝廠商全力進行整合與微縮的動作。目前日本是全球3G普及率最高的國家，花了10年左右達成95%，而截至2010年11月底為止，大陸3G用戶總數達3,864萬戶，僅佔全大陸移動電話8.42億支的4.5%，所以還有相當大的成長空間。即將邁入成長期的3G與接下來的4G，將促使射頻元件朝向FEIC前端IC化，以及走向SiP系統構裝模組化的必然趨勢。