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下一代手机设计的集成技术

作者:Skyworks公司  Joseph M. Adam  时间:2005-08-14 13:13  来源:本站原创

引言

为了满足对于高度集成的无线电半导体解决方案日益增长的需求,蜂窝电话的技术创新正在沿着两个不同的方向发展。其一是在芯片级和封装级的功能集成, 其二是完整的半导体系统解决方案。后者将所有必须的芯片、模块和软件捆绑到一个全面的解决方案中,从而简化了设计步骤,加快了产品进入市场的时间。

这两种设计策略各有优缺点。选择合适的方法取决于很多因素,例如不同的细分市场对功能有不同的要求,产品的专用化;手机主要电子部件的商用化要求,以及目前有否广泛适用的技术等。当然最重要的还有产品的成本问题。

1 多芯片模组(MCM)封装可以超越仅仅使用芯片集成技术带来的局限性,凸现其在成本、器件面积和功耗方面的优势。

2 有了MCM封装策略,数字基带芯片仍然是保持原有特性,并且继续沿着小尺寸的蓝图发展。而SoC方法将射频、模拟和数字集成到一个芯片中,由于射频和数字模块并不是自动按比例缩小,使得修改设计和向小尺寸转化变得困难。

3 SkyworksPEGASUS平台系统解决方案

集成技术

在功能集成方面,设计者既可以采用SoC集成技术,也可以利用SiP(系统级封装)技术。

一般来说,硅集成意味着将所有的功能整合到一个芯片中。但是在无线产品中,由于所有相当数量的模拟/射频、数字以及混合信号模块必须协同工作才能完成相应的系统功能,因此硅集成的定义在此并不明确。在这个细分市场,SoC却有着更为广泛的解释: 包括在数字/基带领域或者射频范围内的高层次SoC集成,从而达到简化产品设计的目的。更广泛的来说,也可以意味着将所有的射频、模拟和基带(以后可能还有射频功放和开关)功能整合到一个芯片中。

同样利用SiP,通过封装级的集成技术将不同工艺下生产出来的芯片集成到一个封装里面也可以有很多种途径。与上述类似的产品现在包括匹配功率放大器、射频前端的发射信号级、甚至单封装无线电系统。在不久的将来,SiP解决方案还会扩展到所有的混合信号和数字信号处理部分。 因此,应该将SoCSiP看作一种工艺或者一种趋势而不是终态。 唯一的事实就是不管采用何种方法,对于给定的功能,为了降低整机的材料成本,来自成本的压力和技术的不断更新是集成度不断提高的最重要驱动力。在未来的某个时候,芯片级的集成将会显著减少输入和输出管脚,从而使设计大大受益于小工艺尺寸。

在目前高端手机产品的设计中,SiP变得越来越流行。由于对于手机功能的越来越多的要求,无线电话的设计和市场营销经历了很大的变化,从而导致设计内容的急剧增加,包括支持数码相机、多媒体和增强的用户界面等。这个趋势加上向更高级的通信标准的升级,正在驱动一个从低端到高端的产业链。

在中高端,需要有多功能的产品,并且需要更短的上市时间、卓越的性能、更加人性化,以及与同类产品相比更低的成本。这些需要将会加速对设计灵活性的需求。同时为了优化成本和系统功能,也会对设计能够灵活匹配子系统器件的能力提出更高的要求。由于核心芯片的集成将会继续发展, SiP技术通过对系统的适当划分,非常适合这一需求。

在低端细分市场,设计者必须专注于手机的核心功能,以及那些变得越来越标准化和用户化的高级功能。由于有着相同的功能集,这些设计需要很少或者几乎不需要在手机平台的系统级别使用定制硬件。SoC器件适合于低端市场,大批量、标准化、高度集成的SoC解决方案在提供足够的功能的同时,又解决了分立器件解决方案带来的高成本,从而提供了一个更加快速的系统级设计周期。

SoC集成技术在数字和射频手机领域已经被证明是有效的。一个成功的例子就是能够将先前分立器件如接收器、发射器、压控振荡器、低噪声放大器和其他电路集成到一个尺寸小、价格合理的器件中去。同时,SoC在基带信号处理电路中也得到了广泛的应用。尽管还有诸如成本影响等问题,但集成有射频和基带信号处理能力的高度集成的SoC解决方案将最终成为可能。

尽管基于CMOS工艺的数字电路正沿着一条成本不断下降的曲线前进,但射频和模拟电路以及无源器件(占用大量的芯片面积)和尺寸缩减不成线性关系,这些器件的性能将会导致大量的硅工艺定制化,从而限制了CMOS集成工艺的应用,由于较高的晶圆价格、大芯片面积以及低成品率,SoC解决方案有可能会导致比分立元件或者SiP更高的成本。

SoC面临另外一个挑战就是射频模块,确切的说是射频前端。对于基于CMOS的设计,要匹配RF-CMOS解决方案和其他工艺如双极互补金BiCMOSSiGe的功耗特性非常困难。其中的主要原因就是很难获得较高的增益和精确控制1/f噪声。这些困难会导致重复设计,并限制3G系统和其它具有苛刻要求的无线电应用系统的性能。事实上,这一问题很难解决。

同样,在设计前端,许多电路如功率放大器、射频开关、大值的无源器件、高精度射频滤波器和其它组件也不能很好的利用大批量硅工艺带来的小尺寸和高掩腊量的优点。在有些情况下,这些电路本身都与各自的工艺有关。手机设计者在利用SoC方案在设计一些典型的射频电路板时,必须专注做一些需要大量RF专家才能解决的问题,最坏情况会导致35次的重复设计,而每次设计会耗费23个月。

作为一个可选择的办法,许多学者越来越意识到用高级封装技术加上特定功能模块的硅集成可以降低SoC集成带来的风险。高级封装技术可以优化灵活性,这样设计者就可以专注于架构划分、优化标准、从而快速改变功能要求,降低系统设计的复杂性(见图1)

   

SiPs 正在成为业界广泛使用的方法

能够融合多种器件来最优化性能和成本的特性使得SiP成为功能模块设计(尤其在射频前端)中广为使用的方法。SiP不仅能够使设计者设计出性能领先于硅集成曲线的产品,而且也带来了更大的灵活性。尽管SoC的倡导者已经绘制出一个将几乎所有的功能(包括射频和模拟模块)迁移到基带芯片中的蓝图。但有了多芯片模组(MCM),手机设计将被分为数字和模拟两个功能块。数字部分搬移到基带芯片中,而模拟部分变成收发器芯片的一部分,这样一来,现在的混合信号芯片将不再存在(见图2)

很明显,SiP技术更容易修改设计来满足对新功能和新标准的要求,并且更加容易向小的封装规格迁移。在集成了诸如WLAN调制解调器、多媒体、照相机、录像机、音频用卫星收发器、GPS、彩色显示器和蓝牙等不断出现的新功能的同时, 数字基带芯片仍然保持原有特性,并且继续沿着小尺寸的蓝图发展。同样,射频模块设计仍然是模拟的,设计者可以继续专注于收发器的集成,无线电模块中分立器件的减少和更小的模块尺寸等问题。

单封装无线电(SPR)802.11b/g无线局域网前端模块(FEM)是两个应用SiP比较成功的例子。

SPR解决方案将所有用于双频或者三频GSM/GPRS手机的电路集成到只有原来的1/3大小。收发器、功率放大器和相关的控制部分,以及两个声表面滤波器和一个包含开关和低通滤波器的开关转换模块被集成到一个紧密的40管脚 11x10mm薄片状MCM封装中。随着无线标准、技术和功能要求的不断发展,基带器件和此无线电封装器件的结合使得设计者可以实现由两个单独封装组成的手机,避免了由于SoC解决方案可能带来的未被证明有效的甚至错误的结构划分。

SPR解决方案能够创造出更小和更便宜的MCM封装分,其目标就是提高手机中最重要的两个部件- 直接转换收发器和功率放大器的集成度。SPR模块将原先的分立元件不断的集成, 从而进一步降低整机成本。在SPR之前, 尽管仍然能解决电路级和板级射频设计问题,仍能负担起由于屏蔽、插入/装配和其它分立元件集成带来的成本问题,但手机生产厂商不得不耗费大量宝贵而复杂的电路板作为代价。

基于 MCM封装的SPR解决方案在高性能的工艺下,能够集成很多功能模块来提高性能和功效。同时, MCM封装也较分立器件便宜。不包括屏蔽、插入/装配和其它的花费, 所有的GSM无线电子系统的分立器件的成本大约在7美元左右。 相同的功能放置在一个封装内, 成本持平或者可能稍微要高一些。但是其优点就是消除了单个器件的购买、存货和封装带来的额外成本。MCM封装包含了被证明有效的各个模块的芯片,面积非常紧凑, 11x10mm。目前的晶圆级测试技术能够保证在MCM封装内的每个芯片98%的良率, 使得生产厂商能不断的提供大批量、高合格率的解决方案。

SiP的另外一个例子就是802.11b/g无线局域网前端模块, 它解决了分立器件的集成问题。除了所有必须的无源器件, 以前的设计者不得不采用分立元件来设计功率放大器、开关电路、滤波器、不平衡变压器、低噪声放大器和双工器等电路。每个器件必须单独放置和焊接, 从而增加了成本和整机损坏的风险。除此之外, 设计者必须考虑最佳的布局布线。相反, 采用SiP方案把包含了所有前端器件的前端模块集成到了一个封装模块中。这种封装方法使得将完全集成的802.11a/b双频WLAN前端模块(包括功率放大器、开关和滤波器电路)2.5 GSM/GPRS蜂窝手机的SPR解决方案的结合变得可能。单一简便的模块降低了系统设计时间和成本。和以前的替代解决方案相比,客户可以利用较少的元件开发出完全的系统架构, 节省了宝贵的电路板空间。

SPR802.11b/G WLAN FEM的发展使得业界能够利用高级封装技术来进行功能集成,将多个经过全面测试的芯片集成到一个易于测试和装配的模块中,给双频和3G手机带来了很多创新, 同时减少了电路板空间(减少了一半的外部元件数目),增加了手机平台的处理能力(内置数码相机、彩屏、MP3GPS)。高级封装策略继续朝着重要的里程碑发展。于此同时, 短的产品周期和新功能驱动了简化手机架构和更优的系统效率的发展, 所有这些都导致设计者去选择一种全系统解决方案。

   

全系统解决方案

在系统集成前端, 由于存在能够提供所有主要集成电路的广泛的手机系统解决方案,完全合格的操作员和被网络认可的协议栈,所有必要的开发工具,和用于建造完全平台所需的用户支持,这几年在消费类电子产品市场出现了很多新进入者。通过充分利用芯片级和封装级的集成技术,蜂窝系统解决方案将会继续沿着功能和性能的方向不断发展。

除此之外,系统解决方案供应商不仅给生产商提供了从基带到射频的器件以及相关软件,而且和手机生产厂商在电路板的布局布线上相互合作。手机生产商从而可以专注于外观造型规格、人机接口,以及功能/性能定义等。和原来的两年设计周期相比, 现在的产品上市时间缩短为只有12个月或者18个月, 同时提供了富有竞争力的外观造型和丰富的功能集。

这种方法的一个很好的例子就是SkyworksPEGASUS系统解决方案平台。该解决方案的硬件部分包括所有的数字和模拟基带信号处理、多波段/多槽(multi slot)功率放大器、功率管理、电源充电和收发器功能模块。其协议栈已经被实地测试过, 在五十多个国家,被全球70多个GSM网络供应商认可(见图3)

有了这些综合解决方案,在过去得二十年里面,使得更多的新手机生产厂商加入到这一市场的竞争中来。市场的激烈竞争和消费者的多种选择,导致蜂窝电话的功能不断增加,价格不断下降。

多种集成途径

对于下一代手机的设计者来说,他们比以往有了更多的可选择方案。当今的不同集成方案使得技术革新以更快的速度发展, 在减少手机尺寸和降低整机成本的同时,加入了更多的新功能和特性。以前,集成意味着在单个芯片中加入更多的功能,现在业界正在扩充集成这一概念,利用高级封装技术, 将多个被证明有效的芯片集成到一个易于测试和装配的模块中,从而充分利用现有的产品和不同的工艺技术,使得不同的模块按照各自不同的集成方法前进。通过硅集成和高级封装策略的结合, 手机设计者能够得到最灵活和最低风险的开发设计蓝图, 在封装级部分实现低成本, 低功耗和小面积, 但是最终的目标仍是完全集成的单芯片电话。

除此之外,全系统解决方案的到来使得消费电子产品生产厂商比以前更加容易进入市场和为用户提供大量的新产品。那些能够正确对待什么是最佳的集成途径-SoCSiP或者全系统解决方案-的设计者 , 和那些精通如何在特定的应用环境中选择适当的集成技术的设计者,将会更加有效的选择其产品结构。

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