无线通讯应用扩张,射频芯片加速微型化

射频元件规格将日益精进。汽车、家庭自动化、智慧电表、医疗与健身/保健等应用，正快速朝向联网和智慧化发展，驱动射频晶片开发商加紧技术创新脚步，以打造整合度更高、尺寸更小且支援多频或多模设计的新方案。

    英飞凌射频/保护元件事业处协理麦正奇

射频元件规格再突破。汽车、家庭自动化、智慧电表、医疗与健身/保健等应用，正快速朝向联网化、智慧化发展，驱动Wi-Fi、蓝牙、GPS、3G、LTE等射频晶片开发商加快技术创新脚步，以打造整合度更高、尺寸更小且支援多频或多模设计的新方案。

射频(RF)技术是半导体中变动快速且成长最快的领域之一，多年来随着人们生活方式的改变，无线连结装置已成为每个人不可或缺的必需品。回顾1980年以前，射频电子显得有点神秘，过去大多应用于军事用途，直至第一个采用低杂讯放大器(LNA)的民间应用--卫星电视出炉，才开启新局面。
    英飞凌(Infineon)在射频技术领域投入超过50年(图1)，第一款射频锗电晶体于1954年推出，距今将近60年，这也是西门子(Siemens) 半导体公司(现为英飞凌)的起点。而1956年，该公司又开发出第一款Si-NPNRF电晶体，当时矽与砷化镓双极性电晶体(GaAs BJT)已开始用于高频率应用。1950和1960年代推出的产品更使电晶体收音机大受欢迎。

图1　50年来射频晶片技术演进过程

随后在1970与1980年代，业界也持续推出射频金属氧化物场效电晶体(RF MOSFET)与变容二极体技术产品，打开射频元件在电视机市场的应用版图。1990年代的生活方式从家用有线电话转变为个人行动装置，20年前行动通讯市场仅有2G全球行动通讯系统(GSM)手机，可让使用者传送、接收语音与简讯，但是随着1992年代无线技术进化，网际网路也逐渐成为分享资讯的通讯平台。

射频技术日新月异　传输频率大跃进

    观察市场趋势的变化，射频元件的传输频率成为晶片商在市场上相互较劲的关键要素。在1990与2000年代，英飞凌射频产品的传输频率以指数成长至超过200GHz，以指数型曲线达到全新等级的优异传输频率，奠定离散电晶体与二极体的射频效能标准。
    几年前，业界没有人想到无线区域网路(Wi-F i)、蓝牙(Bluetooth)、全球卫星定位系统(GPS)及3G/4G等无线技术，能整合至智慧型手机及平板装置之类的产品。另外，随着网际网路工具使用逐渐普及，无线通讯技术和相关装置的互动方式已迈入另一个新阶段。
    以英飞凌为例，该公司已历经七个双极世代的射频技术演进，反映此技术从60年代后期至最新8寸矽锗碳(SiGe:C)制程的大幅转变(图2)。矽锗碳对射频元件而言是一项重要的制程技术突破，透过该制程可提供高达 200GHz及0.6dBNFmin@1.8GHz的fT*BVCEO产品。

    图2　射频晶片矽锗制程演进过程

值得关注的是，2008年第一款以射频互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术、制程与设计专业知识开发的Bulk CMOS RF开关问世，更彻底改变行动通讯前段开关市场，随后在2012年此技术也进一步升级至130奈米。
小型、高整合及多功能设计成显学

    由于各种无线通讯应用设计持续增加，加上用户对提升无线使用体验殷切的需求，包括汽车、家庭自动化、智慧电表、教育、医疗与健身/保健等领域皆需要更具智慧的连线能力，同时也须整合具备3G、长程演进计划(LTE)与Wi-Fi功能的智慧型手机与平板电脑，扩大支援使用者的联网需求。
    据市场研究单位统计，全球Wi-Fi电子产品出货量正快速成长，年成长率约20%。消费者持续选择具有Wi-Fi功能的行动装置以存取网际网路，Wi-Fi热点的数量也持续增加，透过次世代传输量极高(最低目标1Gbit/s)的802.11ac产品，可提供双频段、双并行(DBDC)无线存取点、路由器与闸道器，Wi-Fi讯号将会变得更强。
    即将到来的无线技术，例如IEEE 802.11ac/ad/af、LTE、LTE-Advanced、IMT-Advanced，将改变未来多模式与多频段多重输入多重输出(MIMO)行动装置的射频架构，并以行动产业处理器介面(MIPI)或DigRF V4介面支援愈来愈多的语音、资料及视讯应用。另外，随着4G LTE开始应用于日常生活中，估计下一代行动通讯技术5G也将于2020年推出，进一步提供更快的传输速率。
    在目前的射频元件市场开发中，封装是极重要的技术，因为消费者不断追求轻薄短小的行动装置。随着更多的应用整合至单一平台，预期射频元件设计趋势将聚焦于小型化尺寸、更高的整合度、更多的频段与模式、更强的抗干扰能力，以及可支援多种新兴无线功能共存、多种收发器的控制介面的形式。
    总而言之，行动通讯与Wi-Fi技术将不断演化，资料传输速率是技术的主要改进要点，包括速度、距离涵盖范围与技术标准的提升，皆是射频晶片商未来的投资重点。