5 g无线网络驱动需要新的IC包和模块。
5 g无线网络的转变是驾驶需要新的IC包和模块在智能手机和其他系统中,但这一举动比看起来的要难。
首先,IC包和射频模块5 g手机比今天的更复杂和昂贵的设备,和这一差距将在第二阶段的显著增长5 g。此外,5 g设备需要各种各样的新技术,如相控阵天线和antenna-in-package。测试这些天线阵列5 g的仍是一个问题。
今天的无线网络是基于4 g标准,经营从450兆赫到3.7 ghz频段。在今天的4 g智能手机、射频组件被安置在一个射频前端模块,处理信号的放大和过滤掉噪音。天线,用于发送和接收无线电信号,是独立的,而不是绑定的模块。
巨大的变化发生在第五代无线网络,或5克,这是一个新的和更快的数据传输速率比4 g无线技术。最初,一些运营商部署5 g网络sub-6GHz频率。在这些5 g智能手机、射频前端模块架构类似于今天的4 g手机。
一些电信在美国已经部署的更快的版本5 g使用毫米波(mmWave) 28 ghz频率。第一个部署主要局限于固定无线家庭服务。但如果或当服务在更广泛的范围内做好准备,5 g mmWave手机将包括新的射频前端模块架构与集成天线。
除了模块,该行业也正在开发新的集成电路包5 g mmWave。这些包将一个射频芯片和天线在同一单位,叫做antenna-in-package。这些新的集成天线方案背后的想法是将射频芯片靠近天线,提高系统的信号和减少损失。
芯片运行在mmWave频率和集成天线不新,但将这些技术和其他技术到5克提出了一些挑战。不像4 g, 5 g mmWave系统结合相控阵天线,包括天线辐射与单个元素的数组。相控阵天线可以电引导光束使用波束形成技术在多个方向。
5 g mmWave还有其他问题。“推广是需要一段时间,”Jan Vardaman表示TechSearch国际。“在5克,问题是它运行在更高的频率。你所有的包装必须适合处理更高的频率。当人们谈论毫米波频率,不仅包装,但是它的测试。你怎么在这些频率测试吗?此外,您将需要特殊的东西。您将看到天线在包中。你将会看到大量的过滤器。”
今天,一些公司正在开发和射频模块5 g mmWave IC包。发展:
图1所示。BGA包5 g mmWave天线。来源:日月光半导体
图2。日月光半导体的扇出天线方案5 g。来源:日月光半导体
5克是什么?
1991年,航空公司推出了一个名为2 g的新蜂窝技术,十年后是更高级的版本被称为3 g。2 g有四个频段,而3 g有5个。蜂窝网络是由一系列频率的射频频谱。
今天,无线网络围绕4 g LTE标准,提供更快的数据传输速率。4 g也更复杂,因为它包含40多个频段,加上2 g和3 g的乐队。
5 g部署后,4 g不会消失。事实上,它仍将是主流的无线技术。4 g LTE预计,到2024年,有超过60亿用户,代表超过三分之二的所有无线用户,据Strategy Analytics。
5 g是新兴和最初将与4 g共存,但最终它会发展成一个独立的网络。与4 g相比,5 g承诺提供移动网络速度10 x更低的延迟,10 x更高的吞吐量和3 x光谱效率改进。除了更快的移动宽带,5 g使更快的通信制造业的地板上,在企业、以及车辆。
截至6月,5 g部署了15移动网络运营商在世界范围内,根据5 g美洲。将会有一个额外的47个发射到年底,根据组织。
“全球5 g智能手机推出迄今为止略高于预期,”尼尔说,Strategy Analytics分析师。“重型航母补贴在韩国看到5 g智能手机销量迅速跳到本季度超过100万单位。英国和美国非常活跃,尽管中国已经提出了一些网络启动。然而,并不是所有的彩虹和独角兽。日本一直出奇的慢启动5 g网络和智能手机和滞后严重。”
在mmWave方面,美国已批准28 ghz 5 g,而mmWave前进在欧洲,韩国和其他地方。“我们预计5 g mmWave智能手机出现在合理的全球销量从2020年开始,由苹果公司的iPhone 5 g的引入,”市场。
6 ghz版本的5 g像4 g。5 g mmWave是不同的和更复杂。5 g基础设施开始于一个核心网络,负责移动语音和数据连接。
它还涉及到一系列的基站和基站,这包含多个天线,有时被称为多输入、多输出(MIMO)天线。简而言之,基站发送信号较小的细胞单位或者智能手机使用一个叫做波束形成技术。
这里有几个挑战。“许多人认为mmWave技术寻找一个问题,”市场。“毫米波视距的要求,低渗透能力通过墙壁和一个相当短的范围内。有人说mmWave更适合便携式或固定的环境,而不是理想的移动智能手机。从历史上看,移动技术难以穿透墙壁等建筑物内无线个域网未能在智能手机。消费者和工人想从房间或办公室搬到办公室,不会破坏的报道。”
网络在其他方面是复杂的。“毫米波段不旅行到很远的地方。我们需要一个更好的网,移动设备可以访问数据。网将最后一英里连接,”首席技术官特帕兰杰佩说Veeco。“回程将数据位置附近。从那里,mmWave传输可以连接到网。”
还有待观察,如果5 g mmWave会成功或失败或则介于两者之间。它可能在某些领域工作,而不是别人。“美国的网络将是一个挑战,”Kim阿诺德表示执行董事布鲁尔的科学。“当他们说5 g是视线,这将成为一个巨大的挑战在人口密集地区。我们可以看到它在城市。”
在智能手机
第一个5 g智能手机像今天的4 g手机。4 g手机将数字芯片和射频组件。在4 g,主天线是分离和电话一起运行。
数字部分包括调制解调器。射频组件包括一个单独的射频收发器和一个射频前端模块。收发器传送和接收射频信号。
前端模块包含几个组件在同一单元,包括功率放大器、低噪声放大器(恢复),过滤器,射频开关。功率放大器提供电力信号到达一个目的地。恢复小信号放大,而过滤器阻挡噪音。开关芯片线路信号从一个到另一个组件。
模块,死亡有时IC包。通常,他们裸死,驻留在一个董事会。
4 g手机还包括其他射频芯片,如蓝牙和WiFi。5 g智能手机也将使用这些射频设备。通常,这些设备被安置在包与集成天线,可以节省空间。
今天,LG,三星和其他推出第一个5 g手机,不支持sub-6GHz mmWave。一般来说,最初的5 g手机将有一个类似的射频前端模块架构4 g系统。
当行业推出5 g mmWave手机,不过,射频前端模块将会改变。在4 g,例如,收发器是一个独立的设备。“这是典型的打包集成电路分开PA,过滤器、双工器、开关、相关前端模块,”克里斯托弗·泰勒说,Strategy Analytics分析师。5 g的收发器和天线,将内部的模块。
但mmWave本身并不新鲜。例如,一些汽车利用mmWave雷达芯片操作77 ghz。雷达芯片用于车道检测和其他安全功能的汽车。
雷达芯片被安置在不同的包类型,如BGA和扇出。BGA是一种常见的表面安装包。在扇出在晶圆上,模具包装。“在扇出,芯片嵌入环氧模塑料,然后高密度再分配层(rdl)和焊料球捏造生产重建后的晶片,晶片表面“解释金是的,技术总监布鲁尔科学在一个博客。
有几种包装方法雷达芯片。“如果你看一个汽车雷达系统、收发器和接收器是打包在一个扇出wafer-level包。在某些情况下,这是一个倒装芯片方案。在其他情况下,这是一个裸死在一块板子上,”TechSearch Vardaman说。“天线在黑板上,但这是在车里,有很多空间。他们就像模块。”
但在5 g mmWave手机和其他系统有不同的要求,包括更小的形式因素的集成天线模块或包。我们的目标是不仅节省空间,而且还把天线靠近射频芯片。
“一旦你的信号分成mmWave频率范围,你想保持天线的信号跟踪和尽可能短,以避免损失,”Strategy Analytics”泰勒说。“你也最好要有相同的寄生和距离每个天线元素贴片天线。否则,每个元素的性能会有所不同。问题是你怎么做呢?高通和其他人使用多个死亡和叠加在一个包中,一切与收发器之间的短距离和波束形成组件,和天线元素。”
天线技术开发5 g mmWave是具有挑战性的。“很多它回到你正在处理什么频率或频段,”马克·戈贝尔说的工程和技术营销总监日月光半导体。“频率越低,它通常需要一个更大的天线。mmWave频率越高,你将会有较小的天线。因为它是一个较小的天线,这需要非常精确。”
这并不是唯一的考虑。“这需要一些专门的天线设计。这不仅仅是一个天线,但通常多个天线。不仅仅是一个平面,但你需要多个飞机,”格柏说。
5 g将主导的无线世界,但无线(OTA)检测5 g波束形成天线还不准备批量生产。在5 g mmWave,天线阵列集成。没有探测点的测量,从而要求在线旅行社。“一个典型的OTA测试解决方案包括一个外壳,探针天线(和链路天线测试需要一个活跃的调用),和测试设备生成和分析辐射信号在空间环境中,“根据Keysight。
“起初有很多担忧OTA以及如何处理,”大卫·霍尔说国家首席营销工具。“实验室OTA测试系统已经成为相当普遍,但目前的实验室环境中使用的方法不规模和速度的预期成本制造地板。因此,倪继续调查近场和远场方法OTA测试,准备在未来交付OTA-based制造测试的解决方案。”
mmWave包和模块
在某种程度上,旅行社将会得到解决。然后,更糟糕的是,集成天线可以以多种方式开发,如船上天线和天线在包,等等。
在一个例子中,高通公司最近推出了一个5 g射频前端模块,其中包括mmWave天线单元。面向5 g智能手机更时尚比8毫米厚,模块支持乐队n258(24.25到27.5 GHz)北美、欧洲和澳洲的乐队n257(26.5到29.5 GHz), n260 (37 - 40 GHz)和n261(27.5到28.35 GHz)。
高通公司的产品结合了射频前端模块和天线在同一单位。模块接口与高通的5 g调制解调器芯片。“内部天线模块,有一个天线阵和所有前端组件,包括PA和LNA、“阿尔贝托Cicalini说,产品管理高级主管高通。“高通有天线在一个单独的基板。”
图3。高通mmWave天线模块。来源:高通
高通是集成中的天线射频模块。天线本身是放置在一个董事会,有时称为antenna-on-board。
该技术解决了一个大问题。“毫米波很难使用。路径损耗通常100倍或更多的比你会在传统乐队细胞,”吉姆·汤普森说,工程副总裁和首席技术官在高通公司,在最近的一次演讲。“随着mmWave,波长小于1厘米。所以它是非常小的,受到堵塞。”
为了解决这个问题,智能手机oem厂商将整合几个mmWave天线模块在一个电话。“用你的手,你可能会阻止一个天线,”汤普森说。“所以我们的大多数客户所做的就是用三种不同的天线。他们通常把它们在右上角,左上和顶部的电话。”
在操作,5 g基站天线天线单元将直接在多个热点梁空间。手机将接收和发送信号通过天线单元。
然而,仍然被认为是它是否会在地里工作。这不是唯一的挑战。“此外,5 g mmWave包装工程师系统带来重大挑战,因为造成的功耗高数据速率mmWave是来自活跃的设备。PCB上的热界面的问题是一个非常严重的挑战5 g毫米波系统中,“日月光半导体的Sheng-Chi谢长廷在最近的一篇论文说。
在这种纸,ASE 5克描述了一种不同的方法。它开发了一种使用antenna-in-package扇出包装技术方法28 ghz 5克。
Antenna-in-package比antenna-on-board不同,PCB上的天线放置的地方。antenna-in-package,想法是集成的射频芯片和天线集成电路方案。的目标是缩短模具和天线之间的联系来提高电气性能,根据日月光半导体。
相比,ASE扇出和倒装芯片BGA包使用各种天线包方案5 g mmWave。在BGA的例子中,一个射频芯片(mmWave收发器)是安装在底部的底物。然后,天线阵与通孔形成在衬底之上设计。在某些情况下,该行业是指这个补丁天线。
有一些挑战倒装芯片BGA使用有机基质。“厚底物不容易挂载在薄的手机的情况下,”谢说。
就其本身而言,日月光半导体芯片开发了一个混合的扇出包称为扇出为5克mmWave衬底。“扇出了一个小形式因素,良好的电和热性能mmWave antenna-in-package到移动设备,”谢说。
似乎ASE antenna-in-package设计采取了不同的方法。技术包括两个独立的个一衬底和天线模块。
底部是一个衬底。一个射频芯片驻留在衬底之上。顶部是天线模块。然后,天线模块是安装在衬底和使用铜柱连接。
代替传统贴片天线设计,日月光半导体设计了一块堆积。传统贴片天线窄频带。一块堆叠系统中增加带宽。
总之,日月光半导体的5 g扇出包与三个rdl小于0.75毫米。它展示了比10 db回波损耗在26到33 ghz范围~ 7 ghz带宽。它提供了一个高增益之上~ 10.3 dbi辐射模式与一个2×2贴片天线阵。
从生产的角度来看,与此同时,antenna-in-package是一个简单的过程。“传统的碰撞过程通常用于安装射频ic芯片的AiP (antenna-in-package)模块,“沃伦·弗莱克说,世界范围内的应用程序的副总裁Veeco。“对于一些实现,这可能需要额外的RDL层连接射频ic芯片的基于射频ic芯片的电路板AiP模块。RDL行大小不是挑战当前先进包装光刻。”
然而,有一些挑战。“5克将依赖于高水平的集成先进的包装,无论是5 g网络利用sub6-GHz频率或mmWave,”Stephen Hiebert说道,说解放军的高级营销主任。“更复杂的集成驱动器严格质量要求的各种组件集成在SiP。准确检查晶片,死亡和子包级别是确定已知的关键良好的SiP组件方案部署sub6-GHz 5 g。mmWave 5 g,扇出包装正在探索作为天线的选择,所以额外的内联过程控制使用检验和计量将基本实现产量的需求。”
与此同时,antenna-in-package正朝着另一个方向。它还可能会发现在短程77 ghz汽车雷达设备。
Siliconware在最近的一篇论文,现在日月光半导体集团的一部分,描述了倒装芯片和嵌入式芯片级包跟踪衬底(FC-ETS)技术对77 - ghz雷达设备。官方也使用天线在包中。
“与传统相比antenna-on-PCB板设计,结构可以实现较短的路径地里死于芯片输出天线输入,并降低高频信号的传输损耗,”汤姆说唐从Siliconware。
显然,5克终于发生经过多年的研发。甚至mmWave准备好了,至少在有限的形式。然而,仍然被认为是技术是否能达到炒作。
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