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未來5G通信需要怎樣的射頻前端?
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預計2020年,市場將出現商業化應用,高速傳輸對行動設備帶來嚴峻挑戰,新世代的行動設備需要滿足更高的溫度、功率、電壓、效能與抗輻射需求,就目前技術來看,具備寬能帶、高飽和速度、高導熱性和高擊穿電場強度等特色的化合物半導體碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN) 無疑是市場上高溫、高頻及高功率元件材料的最佳解答,根據Yole Development的研究指出,2013年至2022年,SiC功率半導體市場年均複合將達38%,而2016 年至2020 年GaN 射頻元件市場複合年增長率將達到4%,因此,如何積極因應此一趨勢,善用本身優勢佈局市場,將是臺灣半導體產業這幾年的重要課題。

持續精進的化合物半導體技術
絡達科技技術長林珩之博士就指出,與過去的通訊標準相較,5G在大幅強化傳送速率、容量的同時,功耗不至於同步提升,為達成此一目標,通訊設備的內部設計也必須進化,在傳統的蜂巢式通訊網路中,功率放大器(PA)往往是設備中功耗最大的元件,因此要解決此一問題,必須由PA著手。
 

而要解決5G PA的功耗問題,林珩之博士表示除了從電路優化設計著手,還必須將網路系統、資料晶片、PA架構、PA設備同時考慮進去,至於在5G功率放大器的制程選擇, CMOS與GaAs/GaN誰會勝出?林珩之博士以方式指出,在Breakdown voltage、Power handling、Through wafer via、Substrate loss等部分,
GaAs/GaN具有優勢,至於在自行檢測能力、複雜偏壓電路設計、訊號處理能力、整合性、配置彈性、低供電電壓能力方面,則是CMOS勝出,因此他認為在5G乃至於6G與毫米波的基地台設計,由於效能是主要考量,GaAa/GaN仍會繼續存在,而以成本考量為主的物聯網設備,具低耗電與低價設備特色的CMOS,將比GaAa/GaN更有機會,掌上型裝置部分,小於6GHz的設備,仍會採用GaAs/GaN或是CMOS+GaAs的複合式架構,至於毫米波市場,CMOS有可能全拿。

聯鈞光電竹科分公司總經理林昆泉博士,則針對GaN的磊晶晶圓制程提出相關看法,他指出在高耐熱性、高擊穿電壓、高電子飽和度與高電流密度的電子產品設計需求中,GaN製成的半導體可在高頻運作下,提供高功率輸出,因此在新一代的應用如車用電子、電力管理系統、工業照明、攜帶式電子裝置、通訊設備與消費性電子產品中,會有相當高的發展潛力。
 
圖二: 對於大晶片尺寸的功率器件來說,每片晶片只有不到千個晶片,因此需要用創新的技術來將的磊晶晶圓的顆粒。(Source: CARDIFF)

林昆泉表示矽功率元件上的GaN未來將採用矽制程,在6吋磊晶矽晶圓片的每片晶片上,都含有上萬顆的LED晶片,一般業界並不會不關心其顆粒數,但對於大晶片尺寸的功率器件來說,每片晶片只有不到千個晶片,而產量與晶粒數量有關,在這部分就會需要用創新的技術來將的磊晶晶圓的顆粒。

林昆泉指出,目前MOCVD設備的長晶,大多是采人工方式,以鑷子放置,這種方式會導致顆粒大量增加至500顆以上,此一數量客戶通常不會接受,另一種則是以機器手臂取代人工,機器手臂可將顆粒數大幅降低至100顆以下,因此目前的主要做法會是從機器手臂著手,而聯鈞光電的目標則是將其降至20顆以下,以符合市場需求,為此在聯鈞光電要求下,晶圓設備商Aixtron在2015年設計全球第一部出可維持攝氏600度、以卡匣對卡匣,不碰觸晶圓表面的磊晶設備,成功達到目標。

從模組到封測新世代通訊架構現身
穩懋半導體技術處處長王文凱博士,則針對GaAs在毫米波的前端模組解決方案提出看法,他指出GaAs pHEMT制程已被業界長期應用於無線通訊,例如點對點的射頻傳輸與VSAT,目前穩懋半導體的pHEMT和PIN二極體主要技術平臺,在效能與電路方面已有解決方案,他指出近年來GaAs技術的快速演進,讓晶圓封裝與通訊設備上的多數功能開始整合,此外,pHEMT和PIN二極體整合為PINHEMT的技術,在毫米波通訊系統前端模組也會有巨大潛力。

王文凱指出,目前已可用0.1um pHEMT執行E波段和D波段放大器,同時Ka-Band Doherty放大器和低噪放大器已透過o.15um增強模式完成,而Ka波段的switch則可由GaAs PIN二極體制程示範,這說明瞭GaAs pHEMT是毫米波領域相當適用的驗證解決方案。

在封裝技術方面,日月光技術處處長林弘毅博士表示,現在整體產業的問題在於摩爾定律逐漸趨緩,但市場上行動設備通訊需求與雲端運算概念所帶來的資料傳輸量卻越來越龐大,目前半導體產業中任何一種晶片技術的提升速度,因此異系統整合就成為頻寬問題的解決之道,現在客戶對委外封測廠商的要求除了數位CMOS制程外,還必須提供射頻與光學等技術的解決方案。

現在行動設備的射頻模組與資料中心的矽光子模組,是目前雲端運算平臺的關鍵元件,這兩類元件都需要有多元材料包括化合物半導體、矽和被動元件或特殊晶體等異材質的高速連通晶片,其中阻抗匹配和低插入損耗將是關鍵性能指標,在演講過程中,林弘毅展示的射頻模組和矽光子模組的新封裝平臺,同時具備了小型化、高效能與功能整合等特色,提供臺灣產業最佳解決方案。
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