5G napędza innowacje w zakresie układów w.cz. w obudowach SiP

| Gospodarka

Wraz z pojawieniem się na rynku technologii 5G konieczne staje się całkowite przedefiniowanie sposobu działania toru radiowego w.cz. (RF) zapewniającego wymianę danych między siecią komórkową a modemem w smartfonach. 5G wykorzystuje nowe pasma RF (sub-6 GHz i mikrofalowe), które stanowią duże wyzwanie dla przemysłu półprzewodnikowego, zwłaszcza przy jednoczesnej konieczności zapewnienia coraz większej miniaturyzacji, np. przez integrację całego toru radiowego ze wzmacniaczem mocy do jednego modułu, współdzielenia anteny między front end RF i Wi-Fi itd.

5G napędza innowacje w zakresie układów w.cz. w obudowach SiP

W niższych pasmach, np. 600 MHz konstrukcja anteny, baluna i układu strojenia będzie stanowić wielkie wyzwanie inżynierskie właśnie z uwagi na wymiary. Z kolei w górnych pasmach problemów może przysporzyć konieczność jednoczesnego działania toru radiowego w wielu kanałach dla realizacji techniki 4×4 MIMO, niezbędnej dla zapewnienia wysokiej przepustowości komunikacji. To wszystko oznacza większe upakowanie w modułach radiowych front end wykonywanych jako system-in-package (SiP), a więc nowych rozwiązań obudów pozwalających umieścić wiele struktur i komponentów w małej objętości.

 
Architektura modułu RF FEM (Front-End Module) w smartfonie 5G, źródło Yole Developpement
 
Rozwój rynku obudów SiP dla układów RF w najbliższych pięciu latach, w podziale na standardy komunikacyjne, wg Yole

Obudowy SiP dla układów w.cz. można podzielić na dwa segmenty: pierwszego poziomu - na poziomie struktur - stosuje się je do zamykania elementów, takich jak fltry, przełączniki, wzmacniacze i struktury chipów, oraz 2 poziomu, który jest wykonywany na poziomie procesu SMT, gdzie różne obudowy z poziomu 1 są montowane na podłożu SiP razem z podzespołami pasywnymi.

W obudowach SiP montowane są: PAMiD (moduł wzmacniacza mocy z zintegrowanym duplekserem), PAM (moduł wzmacniacza mocy), Rx DM (receive diversity module), ASM (switchplexer; moduł przełącznika antenowego), antenapleksery, LMM (wzmacniacz niskoszumowy z modułem multipleksera), MMMB PA (wielomodowy, wielopasmowy wzmacniacz mocy) i moduły front-end na zakres mikrofalowy. Pakowanie komponentów do obudów SiP wykonują głównie specjalizowane firmy usługowe, tzw. OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test), a więc firmy takie, jak ASE, Amkor, JCET, SPIL, PTI, TSHT, Kyec, Utag, ChipMOS. Rynek tych usług - 1. i 2. poziom - wyniósł w 2018 roku 3,3 mld dolarów. Według Yole Developpement wzrośnie on w okresie 2018-2023 średnio o 11,3%, do wartości 5,3 mld dolarów.

 
Moduły RF FEM - rozwój na przestrzeni lat 2002-2022, wg Yole

Aktualnie jeden SiP FEM (Front End Module) dla LTE zawiera od 10 do 15 struktur zmontowanych z wykorzystaniem kulek flip-chip na podłożach organicznych zawierających od 8 do 18 warstw. W niektórych rozwiązaniach wzmacniacz mocy jest montowany za pomocą bondingu poza podłożem organicznym i przyklejany do wkładki miedzianej. Całość jest ekranowana i pokrywana lakierami konformalnymi. Wersje dla 5G będą jeszcze bardziej upakowane, a komponenty w obudowie SIP będą montowane do podłoża organicznego po obu stronach.

Jednym z ważniejszych problemów technologicznych staje się wyprowadzenie z tego układu anteny. Wiele pasm częstotliwości, multipleksowanie kanałów, MIMO, komplikują przyłącze, ułożenie komponentów i połączenia wewnętrzne. Stąd w zakresie mikrofal oczekiwane jest zintegrowanie anteny w obudowie SiP FEM - tzw. antenna-in-package (AiP). Zjawiska i trendy w tym specjalistycznym segmencie rynku pokazujemy na ilustracjach.

 
Aplikacje, ich wymagania co do szybkości transferu danych, wymagane pasma i rozwój na przestrzeni lat, wg Yole Developpement