加速LTE-A/5G設計 射頻LNA/PA需求爆發

射頻(RF)元件需求急速增長。先進長程演進計劃(LTE-Advanced, LTE-A)商轉啟動,下一代5G標準亦蓄勢待發,驅動行動裝置射頻系統規格升級。系統廠為支援100MHz超大頻寬、四十個以上頻段并降低雜訊干擾,除計劃增加低雜訊放大器(LNA)和功率放大器(PA)等射頻元件用量外,亦將要求射頻前端模組(FAM)提高功能整合度,吸引晶片商加緊展開卡位。

 英飛凌(Infineon)電源管理及多元電子事業處射頻暨保護元件協理麥正奇表示,隨著多頻多模LTE及LTE-A設計加溫,手機廠對FAM各類元件如PA、LNA、開關(Switch)和濾波器(Filter)等需求皆顯著攀升,進而激勵矽鍺碳(SiGe:C)、砷化鎵(GaAs)和互補式金屬氧化部半導體(CMOS)射頻元件供應商士氣大振,正相繼投入開發新產品。

 據悉,除美、日和韓全面啟動LTE商轉外,中國大陸亦可望于今年下半年發出4G執照,加速TD-LTE營運,而臺灣也可望于年底順利發照,讓LTE進入高速成長期,并朝國際漫游與可向下相容2G/3G的多頻多模規格發展。不僅如此,南韓、美國電信商近期更進一步點燃LTE-A商轉戰火。

 隨著行動通訊技術不斷“加料”,行動裝置射頻FAM也須在有限空間內導入高整合設計。目前多頻多模LTE手機須支援十幾個頻段,搭載PA、LNA和射頻開關數量皆較3G手機倍增,其中PA需七至八顆、LNA和開關則需二十到三十顆;未來手機邁向更高速、頻寬更大且使用頻段更多元的LTE-A和5G,射頻元件用量更將三級跳,驅動晶片商提高產品整合度,以縮減占位空間及功耗。

 麥正奇分析,傳統砷化鎵射頻方案受限于制程特殊性,難與其他系統零組件整合,因此晶片商正猛踩油門推進新一代制程與封裝技術。如英飛凌主攻矽鍺碳材料制程,并搭配小型晶圓級封裝(WLP)方案,打造高效能、高整合度且支援高頻切換的單晶微波積體電路(MMIC)LNA;而高通(Qualcomm)亦推出CMOS PA,透過CMOS制程整合更多周邊元件。

 麥正奇透露,矽鍺碳在射頻性能、品質和可靠度表現方面皆可媲美砷化鎵,且更容易整合CMOS射頻開關或其他零組件;因此,這幾年矽鍺碳元件出貨量暴沖,在MMIC LNA市場的滲透率已與砷化鎵元件相當。近期,英飛凌矽鍺碳MMIC LNA更順利打進聯發科多頻多模LTE公板建議清單,可望在今年底至明年繼續提高市占率。

 至于PA部分,麥正奇認為,其主掌射頻訊號發送須更高功率與穩定度,目前仍以材料特性較佳的砷化鎵方案為主,但CMOS PA挾成本和功能整合度優勢,未來則可望在低階手機市場崛起。此外,英飛凌亦已將矽鍺碳LNA加PA的系統封裝(SiP)或單晶片整合方案列入下一代產品藍圖,有助手機廠兼顧射頻性能與系統體積。

 不過,由于LTE-A與5G規格尚未完全底定,業界亦傳出手機廠為達到高速高品質傳輸效能,必須舍棄整合型射頻方案轉向分離式設計;對此,麥正奇回應,目前確實有射頻晶片商投入研究更前瞻的氮化鎵(GaN)制程,并以外掛方式提升射頻系統功能,但是元件整合一向是產品降價和省電的關鍵,因此仍須等通訊標準定論后,才能依規格需求找出最佳的設計平衡點。