據市調機構 YoleDévelopment 統計與預測,射頻前端市場將以 8%的年均復合增長率增長,有望從 2018 年的 150 億美元,到 2025 年達到 258 億美元。特別是在 5G 的助力下,射頻前端市場前景可期。
由于射頻前端是移動通信產品的核心組成部分,需要適配多種通信制式、多頻段,隨著 5G 的商用普及,技術復雜度進一步提升,對于射頻前端也不斷提出了新要求。與高需求量形成鮮明對比的是對新設計、新工藝等方面的更大挑戰。
Qorvo 作為最早布局射頻前端的供應商之一,在該領域已經耕耘了 20 多年,經歷了功率放大器(PA)、濾波器、開關的分立時期,逐步走進了現在的大集成時代。Qorvo 方面認為,持續整合+自屏蔽模組是射頻前端當前的主要趨勢。
射頻前端下一步將集成 LNA
射頻前端主要由功率放大器(PA)、雙工器(Duplexer)、射頻開關(Switch)、濾波器(Filter)、低噪放大器(LNA)組成。射頻前端的模塊化發展始于 2016 年,雙工器、天線開關等模塊開始被集成到射頻前端中。在這期間,射頻前端模塊也發展出了數種類別,包括 ASM、FEMiD、PAMiD 等等。目前,模塊化程度最高的是 PAMiD,主要集成了多模多頻的 PA、RF 開關及濾波器等元件。
5G 帶來頻段的增加,令 Phase 2/5/6/7 在持續整合,下一步集成的方向是什么?Qorvo 華北區應用工程經理張杰(Fiery Zhang)認為,LNA 集成到 PAMiD 中,將會是推動射頻前端模塊繼續發展的一大動力。究其原因,智能手機中天線和射頻通路的數量將顯著增多,對射頻低噪聲放大器的數量需求會迅速增加,而手機 PCB 的空間卻越來越緊湊。在這種情況下,從 PAMiD 到 L-PAMiD(PAMiD 集成 LNA),射頻前端模塊可以實現更小的尺寸(節省面積達 35-40mm2),并支持更多功能。
張杰(Fiery Zhang),Qorvo 華北區應用工程經理
射頻前端持續整合帶來的互擾挑戰
張杰強調,產品集成并不僅僅是簡單的整合,一方面需要改善性能,另一方面需要解決集成過程中的兼容性 / 互擾問題。特別是 PCB 面積越來越緊湊,器件布局非常緊密,而功能模塊又越來越多,互擾問題就成為了一大挑戰。
Qorvo 幾年前開始在 PAMiD 上推行自屏蔽技術,免除對其他器件的干擾,主要用于改善手機 PCB 設計時的互干擾問題。該技術一方面節省了用戶在手機設計時的許多工作量,另一方面可以排除機械屏蔽蓋對器件的影響。
據 Qorvo 封裝新產品工程部副總監趙永欣(York Zhao)介紹,外置機械屏蔽罩可能導致靈敏度下降、諧波升高,因此 Qorvo 摒棄了這種方式,采用自屏蔽模塊的方式。它相當于在模塊表面再鍍一層合金,起到屏蔽信號干擾的作用。由于該技術主要通過電鍍而非噴涂來實現,可靠性更高,屏蔽性能也更好。有報道顯示,最早一代的自屏蔽技術可將當時 RF 的高度和體積分別降低 15%和 25%。這也使得采用自屏蔽技術的手機制造商能夠在更小的板級空間上,獲得更高的射頻性能。
趙永欣(York Zhao),Qorvo 封裝新產品工程部副總監
自屏蔽其實并不是一項全新的技術,十幾年前就已存在,只是當時的應用范圍較小,而隨著系統集成度的提升,近兩三年來在更大范圍得到應用。通過生產實踐,Qorvo 不斷提升該技術的工藝穩定性,使之達到了量產標準。據 Qorvo 方面介紹,未來將會有更多的產品采用自屏蔽技術,其應用潛力也絕不僅僅局限于手機市場,集成度提升幾乎是當今電子設計的一大趨勢,因此抗互干擾的屏蔽的需求會越來越旺盛。基于這一判斷,Qorvo 認為這一技術已經到了適合全面推廣的程度,例如當前在一些工業應用中就存有這樣的需求。
據趙永欣介紹,從 5G 的集成化趨勢來看,L-PAMiD 和自屏蔽技術將是手機射頻前端模塊兩個重要的發展趨勢。由于外部 LNA 通常在物理上不靠近功放,因此,PAMiD 對 RF 自屏蔽的需求并不高(PAMiD 往往會采用外置機械屏蔽罩的方式)。但是,隨著 5G 對 L-PAMiD 需求的增加,如果外置機械屏蔽罩設計不正確,L-PAMiD 的靈敏度將會受到嚴重的影響。經過優良設計的自屏蔽模組,能夠將 LNA 區域的表面電流減少 100 倍。
結語
射頻前端用到的器件越來越多,方案越來越復雜,高度集成化、一體化成為必然。不過,集成并不是簡單的整合,在工藝上進行相輔相成的革新同樣重要,這有助于改善系統的整體性能。并且,5G 仍處在長期的演進過程中,頻段的需求在增加,對新技術支持的需求也在變化中。在此趨勢下,有著多年研發經驗的企業,在產品、工藝等方面已經走過了一段摸索和積累時期,通常有較強的持續創新能力和完善的技術發展路徑。Qorvo 在射頻前端領域,通過高集成度設計+工藝革新,有望助力相關企業構筑起獨有的核心技術壁壘,滿足市場的動態需求。