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行動電話射頻元件及整合趨勢
 

【作者: 張育誠】   2000年10月01日 星期日

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由於網際網路的發達與電腦普及的關係,再加上電信網路系統寬頻化、光纖化的建設積極的展開,使得網路頻寬呈現供不應求情況,也因為消費者對於頻寬的需求永無止境,我們不難發現台灣已經進入了「寬頻通訊時代」,且GaAs、SiGe及InP材料對無線通訊、光纖通訊及衛星通訊等使用地位上非常重要。



由於原本的有線傳輸發展到經由空氣為媒介的無線通訊,而無線通訊系統(Wireless Communication System)便是當前通訊技術中積極發展的領域,此系統因應無線通訊技術的普及化與商品化,以及個人通訊系統(Personal Communication System)的發展,主要期望達到個人可以隨時與世界任何地方的另一個人做語音或數據資訊傳輸,當中無線區域網路(Wireless Local Area Network;WLAN)便是未來無線通訊重要發展的目標。



但由於龐大的資料傳輸需要高速處理,不論「網路通訊」、「無線與衛星通訊」、「光纖通訊」等等,而這通訊系統都存在著頻寬不足的問題,是我們目前必須解決的難題。頻寬問題是由於微波半導體元件上的先天不足,所以需從材料多方的研究及元件構造上來有效解決。因此微波半導體及微波電路在高頻系統中扮演著非常重要的角色。



目前市面上的行動電話種類非常多種,而輕薄短小、無線上網以及流線性造型等,都是目前各大廠商積極努力推廣的商品。現在微波半導體的材料(GaAs、SiGe、InP...)與製程(MESFET、PHEMT、HBT、BiCOMS...)方面,也都有不錯的技術進展。



行動電話的零組件與基本運作模式


手機內部的元件功能粗略可分為射頻(Radio frequency;RF)、中頻(Intermediate Frequency;IF)和數位基頻(Digital Baseband;BB)三部份。射頻部份主要的零組件包含功率放大器(PA;Power Amplifier)、低雜訊放大器(LNA;Low Noise Amplifier)、傳送接收、合成器、頻率多工器(Diplexer)、多工器(Duplexer)、表面聲波濾波器(SAW filter)及TR Switch等功能;中頻部份有AD/DA調變解調器(Mod/Demodulator)、鎖相迴路(PLL)、電壓控制震盪器(VCO)、表面聲波濾波器(Saw Filter)等;基頻部份有DSP(數位訊號處理器)、MCU(微控制器)和記憶體(Flash、SRAM)等(圖一)。



《圖一 數位行動電話內部方塊簡圖》


而在無線通訊系統中的,收發模組為非常重要的一部份,其基本運作原理簡單模式為,訊號經由天線接收,再經由帶通濾波器(BPF)透過多工器轉接到RF的接收單元,訊號首先經過RF的低雜訊放大器(Low Noise Amplifier)、SAW濾波器,SAW濾波器允許特定頻率,如檢測收訊電波是屬於800MHz~900MHz的GSM方式,或是1,700MHz~1,800MHz的DCS方式的訊號通過,接著需要Diplexer將其分開到供GSM及DCS不同用途的電路去作後續工作。



Diplexer包括只讓低頻通過、高頻截止的低通濾波器(Low Pass Filter;LPF),以及功能相反的高通濾波器(HPF)。而後該訊號再送到合成器(Mixer),離開合成器後又再送經過一顆RF SAW濾波器。RF作業完成後,RF進來的Giga級的訊號則必須降至Mega級的訊號,進入IF單元也用到一顆SAW濾波器,將類比訊號解調出來,再將類比訊號經由(AC/DC Converter)調變解調轉換成為數位信號,最後才能讓基頻加以處理。最後在發送訊號時,其路徑為前述過程相反,會先經過一顆RF SAW濾波器,惟原本的低雜訊放大器變為功率放大器,其主要功能為將訊號放大以於傳送(圖二),經天線送出訊號。



《圖二 射頻收發基本運作模式》


因此IF的角色則在扮演基頻與RF間的中繼站。近來為了減少零組件的使用數目,一方面也可縮小手機的面積,已經有傾向將部份IF線路與RF整合,而另一部份則與基頻整合。基頻(B.B)功能主要在資訊的處理與儲存,其中B.B最重要、成本比例較高的當屬DSP,主要負責訊號的編碼/解碼、資料加密/解密、解調變、頻道等化及資料格式封裝;而微控制器(MCU),主要負責通訊協定管理及人機介面控制;至於Flash及SRAM則是負責軟體及資料的儲存工作。目前IF、B.B.上的IC都可以用矽元件的CMOS而綽綽有餘。



且目前各大行動電話發展趨勢朝向「高頻化」、「複合化」前進,複合化包括「多頻」、「多模」兩種形式。所謂的「多頻」就是是同一手機可接收多種頻率範圍的訊號,而「多模」的意思,在日本是在單一手機上,可接收PHS及PDC兩種通訊系統的服務。美國則是幾乎所有的數位行動電話都可接收類比訊號,也是一種「多模」的應用。由於對頻寬需求的成長,在手機朝「多頻」、「多模」多方向發展的情況下,使得每隻行動電話內RF等零件的需求量隨之增加,其中以功率放大器(Power Amplifier;PA)及表面聲波濾波器(SAW Filter)最明顯。



功率放大器作用及所使用的材料與製程


在這樣的通訊傳送系統中(Communication Transmitter System),功率放大器視為重要的組成之一,這是因為在發射與接收模組中,功率放大器負責提供整個手機運作的功率,在整個數位手機中屬於相當重要的線性IC。



由於功率放大器是整個發射端最耗電的組件,大部份的功率消耗在此電路中,因此,功率放大器的製造是非常重要的一項工作。使得它直接影響使用者重視的通話、待機時間。長的待機時間與通話時間表示該手機電池蓄電能力佳,並且功率放大器等零組件的耗電量低,因此,即使在待機的狀態下,其耗電量和雜訊也很低。而功率放大器可以依不同的需求,例如操作頻率、頻寬、供應電壓、輸出功率、效率及放大器操作類別適用在不同的商業與軍事用途中。



微波半導體產品,在整體系統中,傳統上係以矽IC元件為主。但隨著無線通訊高頻化的要求,砷化鎵等化合物半導體元件,以其材料本質上的優勢,在高頻響應特性良好,雜訊值低、效率高、增益值大、線性度佳,又可做成單晶微波積體電路(MMIC)等特性下,在無線通訊領域的應用逐漸增加,因此在無線通訊持續發展的趨勢下,適合發展微波應用的材料元件以及元件製程。



目前功率放大器所使用的材料有GaAs、SiGe、InP等,及製程方面有MESFET、PHEMT、HBT及BiCOMS等,以下將對這些材料及製程做進一步分析:



一、材料方面


1.GaAs(砷化鎵):


具有金屬般光澤之有毒固體「砷」與稀有金屬「鎵」化合之「砷化鎵(GaAs)」,故稱GaAs化合物半導體。以其材質上的優勢,在高頻響應特性好、雜訊值低、效率高、增益值大、線性度佳,又可做成單晶微波積體電路(MMIC)等特性下,已經備受電子業界重視。



2.SiGe(矽化鍺):


自從IBM最先研發出矽鍺(SiGe)半導體技術,自98年研發出65GHz矽鍺異質介面雙極性電晶體(HBT)後,最近開始生產整合多路傳輸、類比、數位轉換器等的無線通訊用標準單晶片。



基本上,矽鍺是將矽(Si)及鍺(Ge)原子混合製成的半導體元件,矽的能階(Energy Gap)為1.12eV,鍺的能階為0.66eV,當兩者結合後會產生異質的分子結構,進而提升電子元件的速度,或製造出效率更高的光學元件。在高頻環境下,矽鍺半導體所產生的雜音,較目前的矽半導體低,且工作的線性佳,集積度也較漸成RF IC市場主流的砷化鎵高,價格也較為便宜。



3.InP(磷化銦):


磷化銦在90GHz頻率以上應用可提供較好的性能,但材料較砷化鎵貴上許多。因此,磷化銦將僅在高毫米波頻段進行特定軍事上的應用。以下是目前常用微波半導體的最大頻率範圍(圖三):



《圖三 微波頻率的波段範圍》


二、製程方面


1.MESFET:


金屬半導體場效電晶體(Metal Semiconductor Field Effect Transistor;MESFET)之特色-同質結構、線性度佳、均勻度佳、製程成熟穩定。最普遍也最據價格競爭力的是需要十二層光罩的MESFET,因為它可以用一般的矽製程製造。以電壓源控制。應用-適用於行動電話、光纖通訊、無線區域網路。



2.HEMT:


高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistors;HEMT)之特色-鬆弛異質結構、電子速度及增益高、電流密度高、崩潰電壓高、材料結構變化自由度高及可作互補式電路。以電壓源控制。應用-適用於低耗電產品,新一代無線通訊系統。



3.PHEMT:


假晶高速電子遷移率電晶體(Pseudomorphic High Electron mobility Transistor;PHEMT)之特色-應變式異質結構、電子速度高、增益高、雜訊低及工作頻寬高。另外增加AlGaAs和GaAs異質接面來連結來提高效能與工作頻率。以電壓源控制。應用-適用於高級行動電話、衛星通訊、雷達及全球定位系統。



4.HBT:


異質介面雙載子電晶體(Heterojunction Bipolar Transistors;HBT)特色-異質結構或應變式異質結構、良好線性放大、功率放大倍率佳及工作頻高。它屬於Bipolar元件,此元件特性一般比場效電晶體可具有較高的電流承載,但其雜訊指數偏高,且結構複雜,製程也較繁複,這種製程比前兩種多兩層光罩,使得它的製造成本提高。以電流源控制。應用-適用行動電話、衛星通訊。



5.CMOS、BiCOMS:


在技術部份,矽晶產業已發展得極為成熟,矽晶技術多應用於至多達數個GHz的低頻應用上,設計規則與設計資料庫均已建立得極為完整,而像是BiCMOS(雙載子金屬氧化半導體)與CMOS(互補式金屬氧化半導體)等主動元件選項也定義的較為完善。



由於MESFET、PHEMT及HBT這三種是目前運用在高頻最普遍的微波半導體,而且每一種都具有不同的特性,茲整理比較如(表一)。




《表一 高頻微波半導體之比較》



在材料及製程方面有許多選擇,但並不是每一種都適合應用在微波半導體上,如材料方面:以GaAs為材質的放大器的能量轉換效率高達40%~50%,因此砷化鎵指出現在整個行動電話中最需要高效能、高頻之處,所以GaAs在功率放大器產品扮演重要的角色。雖然GaAs有著高效能和高頻特性,但與矽累積數十年所建立完整產業、應用廣泛、高整合度(能將週邊IC作更高度的整合)等因素相比,GaAs在材料成本及量產良率上仍比不上矽,但矽在技術上無法在高頻的環境中保持低雜訊,因此部份矽產業的大廠無不深思如何突破矽元件先天上的限制,取代GaAs在高頻上的部份應用。



所以,IBM以矽鍺(SiGe)技術-能利用部份現有的矽製程設備,生產適用於高頻元件,目前業界在矽鍺(SiGe)半導體製造良率高於砷化鎵(GaAs),價格也較便宜。矽鍺半導體,研發全球定位系統(GPS)收訊器、Power PC用處理器、GSM手機、CDMA手機用TX(送訊)/RX(收訊)、同步光纖網路(SONET)用40Gbps收訊器等通訊用產品。但是,(SiGe)技術無法與砷化鎵在低雜訊特性、在高功率時的高效率以及在高頻帶應用上競爭(表二)。




《表二 各化合物材料特色》



而製程方面:PHEMT和HBT效能都優於MESFET,但價格會因為製程和材料的加工而較高。所以基於材料或製程在量產上的成本,都較採CMOS製程的矽材質為高,因為CMOS在非常低耗能、中等速度與大規模整合的應用非常適宜,可用於數百MHz的RF IC與IF低功率應用。若搭配SiGe技術應用到微波半導體上,則SiGe之HBT技術具備高頻,以及易與互補式金屬氧化半導體(CMOS)整合成BiCMOS的特性,對發展寬頻的無線通訊頗有助益。



因為矽鍺(SiGe)與矽之間具有異質性介面特性,同時與主流矽技術製程亦有相容性,將有助於開發微波積體電路(MMICs);此技術可涵蓋到更高頻的微波積體電路與高速類比/數位混合IC上,包括光通訊上使用的光電積體電路(OEICs)。



但使用CMOS來做高頻晶片相當困難,一方面是CMOS的高頻特性太差,必需以線路設計的方式來克服此一弱點;另一方面由於過去高頻使用範圍有限,多以軍方和衛星等領域為主,CMOS的高頻準確模式極為缺乏(表三)。




《表三 各微波半導體種類特色》



各行動電話內部主要零組件目前所使用的微波半導體:(a) PA用於發送端,將訊號放大,因此對於放大器就得嚴格要求,此時GaAs的高頻特性符合所需,目前以HBT的效果最佳。因HBT具有線性效果佳及功率效益、待機時間長及輕薄短小等特性。(b) LAN為接受端,與PA功能相似,但強調的低雜訊特點,因此目前以PHEMT為主;但未來LAN可能會以BiCMOS取代,另外Switch也是利用PHEMT。



從設計公司的觀點來說,我們選擇針對某特定應用最適宜的主動元件來應用,評估的要件在於選擇能以低成本達到性能需求的主動元件。微波電路設計將主動元件視為一S參數陣列,因此,相同的設計專業極易被應用至不同的元件上。不論是CMOS、矽鍺、FET、HBT或是PHEMT,設計方法並無太大的不同。藉由對不同主動元件的了解,設計公司可視某一特定應用,選擇最適宜的元件。



SAW濾波器作用及其它高頻濾波器


高頻濾波器是重要通訊用零組件之一,其中以表面聲波濾波器(SAW Filter)為主要零組件。表面聲波元件包括SAW濾波器、SAW共振器(Resonator)、SAW雙工器(Duplexer),SAW濾波器與其他濾波器功用相同,都是過濾雜訊只讓特定頻率訊號通過的零組件。基本上表面聲波濾波器是一個帶通濾波器(Band Pass Filter;BPF),其原理是運用在基板表面壓電振動方式傳送電磁波,如同地震時在地表傳送波形。



SAW基板的表面非常薄,因此可以產生高頻,而SAW濾波器的功能就是只讓特定頻率(波長)範圍的訊號通過,並過濾掉頻率範圍之外的聲波雜訊,以確保行動通訊作業的穩定性。因SAW濾波器的高頻性能優異、尺寸較小、價格合理、高衰減量、低插入損失率及高耐電性,因其性能及價格上的相對優勢,在講求輕薄短小的行動通訊產品上備受採用,其中在手機的RF及IF單元普遍被應用。



其中插入損失率是用以量化評估一個RF訊號通過系統時的吸收率。當訊號通過系統中的零組件時,訊號的部份會被吸收或反射,無論哪種情形發生其結果都是相同的-就是輸出訊號不如輸入訊號。當一個訊號被反射時,因為部份訊號被反射離開零組件,只有部份訊號能夠通過零組件。插入損失衡量包括被吸收或反射能量,就定義上來說,插入損失以輸出能量的水平除以輸入能量的水平。



若一個零組件沒有產生插入損失,則其插入損失值為1.0。插入損失值僅應用在被動元件上,因為只有被動元件會減低功率訊號。亦可用dB值來計算插入損失,亦即將輸入功率dBm減去輸出插入損失功率dBm。若輸入功率40瓦(相當於16 dBm),減去輸出功率8瓦(相對dBm值8),則插入損失為7dB。



SAW的製程可以和砷化鎵的製程共用,分擔設備成本。且SAW製程的Cycle-time很短,不像HBT那麼久,從試產到量產大概只要2~3個月。目前除了SAW濾波器之外,還有非常多種的高頻濾波器,且具有不同的特色,運用地方也不同,以下是各高頻濾波器的分析。



1.陶瓷濾波器:


陶瓷濾波器在高頻濾波器的市場佔有率僅次於SAW濾波器,於手機及無線電話、呼叫器等產品上廣泛被採用。在手機上一般是做為IF單元的第二濾波器,用以提供基頻IC優質的聲音訊號。



2.石英濾波器:


石英濾波器所能對應的頻率範圍,比SAW濾波器低得多,因二氧化矽基板所能產生的頻率較低,加上通過帶域的幅度較小,限制石英濾波器在手機的應用範圍。因此在手機市場的成長性不是很大,但石英濾波器在數位相機、及可攜式資訊終端產品的需求亦不容忽視。手機的IF用濾波器,已從高價的石英濾波器(Monolithic Crystal Filter;MCF)轉到較易量產、價格便宜的表面聲波濾波器。目前亦有日本廠商積極開發在溫度與小型化的特性上,更為優異的高頻基本波石英濾波器(High Frequency Fundamental MCF),將來至少在簡易式行動電話(PHS)產品,對表面聲波濾波器目前的領導地位帶來挑戰。



IF單元所用到SAW濾波器可能會被性能更優異的高頻石英濾波器所替代,或是朝免IF用濾波器的設計發展。而RF單元方面,亦有廠商試圖以更低廉的其他種類低通濾波器,替代其中一顆SAW濾波器。



3.介質(誘電體)濾波器:


因其耐電力特性,在PHS、PDC、DECT等規格產品外,亦開發W-CDMA用的介質濾波器、3.4 GHz以上無線區域網路(WLL)、2.4 GHz藍芽(Bluetooth)。介質(誘電體)濾波器的用途不限於手機,無線通訊產品是擴大介質濾波器的一大動力。介質(誘電體)濾波器因體積小型化進展緩慢,市場成長不如SAW濾波器,因體積不易縮小。未來將轉朝衛星定位系統等對體積大小要求較低的通訊產品市場發展。



在小型化的發展上,已有廠商開發出積層介質濾波器,面積僅為2.5mm×2.0mm,在業界中屬於極小型化的產品。材料技術與新積層結構是達到小型化與高性能兼顧的原因。



4.晶片型積層LC濾波器:


晶片型積層LC濾波器採用低溫陶瓷共燒(Low Temperature Cofired Ceramic)技術,在生胚薄片與低溫共燒陶瓷薄片上,以厚膜印刷方式將電容及電感等元件共同燒結成一多層晶片型濾波器。晶片型LC濾波器具有小型、輕量、低厚度的特色,也適合大量生產,價格下降有空間。目前用於手機等產品的帶通濾波器上及次世代CDMA手機的第二IF濾波器。



表面聲波濾波器依用途可分為RF用、IF用二大類。其中,RF用又分為收訊(Rx)與送訊(Tx)用,每台手機所用的SAW濾波器顆數約3~6顆(平均約4顆出頭),其中在多頻、多模以及CDMA型手機的需求顆數,比傳統單頻、GSM型手機來得多。手機之外,基地台、無線電話、呼叫器、衛星訊號接收器、電視、錄放影機等家電產品,也會用到SAW濾波器。



單頻手機在射頻(RF)部份依設計的不同,需要2~3顆SAW濾波器、中頻(IF)需要1顆SAW濾波器,合計約用到3~4個表面聲波濾波器,雙頻或雙模手機目前則需要5顆以上SAW濾波器,原因是雙頻或雙模手機的RF單元,依頻率或模式種類分成兩部份,因此RF單元需要雙倍的SAW濾波器,3頻手機則需要單頻機種的3倍之多。至於CDMA手機因零組件簡化進展稍慢,目前亦需要5顆以上SAW濾波器。為因應多頻/多模的趨勢,廠商將多顆不同頻率範圍表面聲波濾波器封裝在一起,以降低所佔體積、製程複雜度及封裝成本。



未來在IMT-2000(International Mobile Telecommunications 2000)等高頻化(2GHz)的高速通訊環境下,表面聲波濾波器生產技術也必須做相對應的提高;未來需採用0.35微米以下製程,方能達到市場的需要,小型化(RF用目前最小為2.5mm×2.0mm×1.0mm)及高耐電化是重要的課題。 @大標:行動電話內部整合趨勢



行動電話之輕薄短小仍是發展的趨勢,整合型被動元件、複合元件、單晶片通訊模組等概念,已在市場成為新的發展方向。為達到壓縮零組件所佔空間、避免電磁波干擾(EMI)問題及PA會因為高頻產生高溫(可利用以下整合性被動零組件技術,即將IC與幾個被動元件封裝一起),唯有選擇正確的電路構裝方式或具有模組化技術,才能達到模組小型化的目標。由於行動電話重量及厚度的下降,相關的零組件無論在重量、體積、性能都要做相當的提升,未來行動電話用的印刷電路板仍朝更輕、更小的高密度方向發展,且每台手機上將來用到的IC數目會比現在少很多。 目前已有廠商研發積層式樹脂材料基板,兼具降低產品成本與小型化的特色。以樹脂加上介質及磁性物質混合成基板材料,與多層陶瓷基板堆疊元件技術相比,在材料方面成本似乎較為低廉,良率也較高。若採用樹脂方式時,可以將不同介電率的樹脂堆疊在一起,此應用性更為廣泛。



在整合性模組技術方面,目前有幾種作法,包括目前一般的印刷電路板、增層式印刷電路板以及模組(Module)基板等方式。現在模組(Module)基板常使用有三種材質:陶瓷、LTCC(低溫共燒)、Laminate(塑膠薄板)。其整合性模組技術的發展來看,目前以低溫共燒陶瓷技術(Low Temperature Cofired Ceramics;LTCC)、整合性被動零組件技術(Integrated Passive Component;IPC)及增層式印刷電路板的薄膜技術(Thin Film)等方式。



1.低溫共燒陶瓷技術(LTCC):


LTCC是以類似印刷塗佈的方式,將零組件埋入堆疊層中,並在攝氏約900度的環境中燒結,整合成功能性模組的厚膜技術;由於具3度空間的發展優勢,所以在價格及小型化上具有競爭優勢。但因3度空間在燒結時收縮的程度不一,加上仍以堆疊的方式製成,因此易使電器特性變數增加,相對使技術門檻提高;加上其須配合下游業者的共同設計導入,針對不同的模組將有不同的參數設定,因此業者欲發展LTCC技術,須建立龐大的資料庫提供Know How,良率才得以監控及提升,因此須長期經驗的累積才行。以目前的發展情形來看,LTCC基板是各種基板中最能達到小型化目標者,可望帶動晶片型積層LC濾波器的市場需求。



2.整合性被動零組件(IPC):


而在IPC部份,其原理是在玻璃、陶瓷或塑膠等基板的材質上整合三大被動元件,在搭配晶圓的設計而發展出來的模組,由於不做多層次的發展,因此複雜度較低,所以僅能做為小型及功能簡單化的積體模組,雖然整合程度不如薄膜或LTCC高,卻仍有一定的市場存在。



為了避免電磁波干擾(EMI)問題,採用電磁干擾對策零件如電磁波吸收片、Ferrite Sheet或EMI過濾器等產品的重要性,隨著行動電話的高密度、高性能化而彰顯,在容積100c.c.以下的空間中,數位電路放射出的電磁波,會降低高頻通信功能的感應度,未來在可傳收動畫的W-CDMA等新型行動電話上,此一情況更容易發生。電磁波吸收片的基本要求是對1GHz的電磁波,有良好的吸收率,當然厚度也是儘量越薄越好。EMI過濾器則是採預防的途徑,防止電磁雜訊的發生。目前在行動電話上的應用還不普遍,主要原因是成本較高。



基於成本此技術可解決EMI及PA產生高溫的問題,可將RF單元模組化,將線圈、電阻、電容、電感等所有構成RF電路的被動元件,全數構裝在多層陶瓷基板或樹脂(有機高分子材料)整合在基板之內,其中IC、SAW Filter及不能放入基板中的大容量電容等,則構裝在基板的表面,形成單一晶片的RF模組。採用此種方法的RF模組,因為會受到電磁雜訊影響的零件都在基板中,將可徹底解決EMI問題。此種將被動元件層積而讓電路密度提升的技術,又稱為「多層陶瓷基板堆疊元件技術」。



PA會因為高頻產生高溫,所以PA封裝材料目前以單層陶瓷及塑膠材料為主,由於小型化及散熱的考量,未來陶瓷封裝材料將成主流。而以往在行動電話PA部份都是用Discrete(分離式元件)方式,但很難調(Tune),尤其在高頻時會有組裝問題,所以利用模組(Module)的好處在IC公司已經為下游系統客戶解決了部份的相容問題,且模組會讓產品尺寸小,設計時間短,也省成本,但目前手機上仍僅有7成左右用模組,其它仍有很多是用Discrete方式。PA Module組裝的關鍵技術在於PA Module沒有標準,必須配合IC公司的設計,形狀包裝多樣,甚至測試程式也非常不同。



3.薄膜技術(Thin Film):


以增層式製造的印刷電路板,大致可分採薄膜技術的薄膜型增層板,以及採厚膜技術全層導通型的增層板。全層導通型的增層板技術具有易於量產、易設計、良率高的優點。採用薄膜技術的增層式電路板其電路線寬/線距,皆優於全層導通型的增層板技術的增層式電路板。



薄膜技術不同於印刷堆疊方式,是以真空濺鍍、電漿技術或蝕刻的方式製成,因此在成本上相對也較昂貴;未來在功能類似的產品價格上,薄膜與LTCC誰佔優勢,應還是個未定數。目前薄膜型基板定位在高附加價值產品,主要用於高性能電腦主機及部份產業機器,但全層導通型增層式基板可用在行動電話、錄放影機、PC、電視機等可大量生產的產品。廠商已將目光投注在功能要求更高的W-CDMA型行動電話,由於電路複雜度更高,需要更高密度的印刷電路板技術,可能會扭轉目前全層導通型增層板市場的情勢。



最後將通訊元件做整合的工作,射頻及中頻部分是行動電話的被動元件與分離元件最多的地方,是成本最低但數目最眾多的一群;而數位IC大部分為基頻使用的ASIC,則是晶片整合做得最徹底、單價也最高的部分。雖然顧到了體積縮小目的,但一不小心就會提高零組件成本。於是在射頻部分還有許多研發與進步的空間,無論是IBM以SiGe取代矽的BiCMOS製程、SOI(Silicon on Insulator)或晶片的整合、製程的進步等,都是渴望提供更微小又價廉的射頻模組的機會。



其中基頻部分可望將數位和類比各整合成一顆,分別COMS和BiCOMS使用和製程;RF/IF部分原則上是用晶片的材質來區分,前端部分和功率放大器可望以砷化鎵的技術整合成一顆;其他如電流控制震盪器(VOC)、濾波器、合成器等,則可能以BiCOMS製程整合。COMS的技術以可以解決高頻線路干擾的問題,加上成本較低與技術領先的優勢,CMOS可望取代RF模組與基頻中的BiCMOS製程,同時將RF模組前端之外的部分和基頻部分,各整合成一顆晶片。



將RF前端整合成一片CMOS晶片,一方面降低成本,另一方面也可以將體積大幅縮小。RF前端主要元件包括4部分,即RF Selection Filter、低雜訊放大器(LNA),Image Rejection Filter和混頻器(Mixer)。除了RF Selection Filter以外,此研究將後三者整合在一片COMS晶片中,體積較原本LNA還要小。



將來手機天線收到的RF訊號,將可直接轉成基頻(Baseband)訊號,此一跳過中頻作業的技術是為直接轉換(Direct Converting)技術。因此若此一技術漸趨實用化以後,中頻用的濾波器有可能就不需要了。



結語及未來產望發展


未來將行動電話內部結構整合在一起,其整合的趨勢不但能降低零組件的製造成本、縮小產品尺寸,同時零組件的簡單化,可使得製造過程大幅度的簡化。此時將零散的被動元件整合入晶片之後,系統測試與偵測的工作也將單純許多,整各系統的可靠度也相對的增加。



因應未來第三代無線通訊發展及可攜式電子產品小型化的需求,朝向更輕、更容易攜帶、低耗電、長時間通話等基本功能再提升,必要時再增加上網擷取資料、電子郵件,甚至彩色動畫呈現,需高畫質、降低面板重量以及降低生產成本等幾個項目的功能。



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