從設(shè)計(jì)、測試到封裝，5G毫米波技術(shù)面臨哪些挑戰(zhàn)？

運(yùn)營商、設(shè)備廠商和芯片廠商正在齊心協(xié)力地推動第五代移動通信標(biāo)準(zhǔn)（即 5G）的制定。5G 是現(xiàn)在 4G（也稱為長期演進(jìn)項(xiàng)目，Long term evolution，即 LTE）移動通信標(biāo)準(zhǔn)的下一代，5G 數(shù)據(jù)傳輸速率可超過 10Gbps，是現(xiàn)在 LTE 標(biāo)準(zhǔn)的 100 倍。5G 技術(shù)能否成為現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在還是一個(gè)疑問。

不過，5G 市場已經(jīng)開始升溫。Anokiwave、博通、英特爾、Qorvo、高通、三星以及其他不斷涌現(xiàn)出來的廠商，正在開發(fā) 5G 芯片。完成 5G 網(wǎng)絡(luò)部署還面臨諸多挑戰(zhàn)，舉個(gè)例子，雖然設(shè)備商和芯片廠商已經(jīng)在開發(fā) 5G 產(chǎn)品，但 5G 標(biāo)準(zhǔn)還沒有確定。

現(xiàn)在的 LTE 網(wǎng)絡(luò)工作頻率從 700MHz 橫跨至 3.5GHz，5G 網(wǎng)絡(luò)則不僅要兼容 LTE 網(wǎng)絡(luò)，還須支持公用免費(fèi)（unlicensed，設(shè)備廠商不需要購買許可費(fèi)用）或毫米波頻段（注：目前毫米波波段基本免費(fèi)，但免費(fèi)波段不等于毫米波波段）。嚴(yán)格意義的毫米波頻率為 30GHz 至 300GHz，對應(yīng)波長分別為 10mm 到 1mm，毫米波通信將極大提高無線數(shù)據(jù)傳輸的速率。

早期的 5G 新工作頻率會是 28GHz（美國）與 39GHz（歐洲），后面將引入其他頻率，例如 60GHz（注，通信行業(yè)不太看好 60GHz，因?yàn)?60GHz 信號傳播的大氣衰減比較嚴(yán)重）、71GHz 至 86GHz，甚至可能用到 300GHz。

要支持毫米波通信，移動系統(tǒng)和基站必須配備更新更快的應(yīng)用處理器、基帶以及射頻器件。事實(shí)上，5G 標(biāo)準(zhǔn)對射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術(shù)來支持，例如支持相控天線的毫米波技術(shù)。毫米波技術(shù)最早應(yīng)用在航空軍工領(lǐng)域，如今汽車?yán)走_(dá)、60GHz Wi-Fi 都已經(jīng)采用，將來 5G 也必然會采用。

把毫米波技術(shù)從航天軍工領(lǐng)域引入到商用市場并不容易。“毫米波技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，”GlobalFoundries 射頻市場總監(jiān) Peter Rabbeni 說道，“設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及毫米波產(chǎn)品測試都會遇到不少困難。這主要是因?yàn)楹撩撞l率太高了。”

設(shè)計(jì)毫米波芯片很難，但測試會更難。“在業(yè)內(nèi)，我們很早就開始測試毫米波產(chǎn)品，但這些毫米波芯片主要用于航天軍工市場。”NI 銷售與市場執(zhí)行副總裁 Eric Starkloff 說道，“毫米波測試的成本很高，我們正在努力大幅度降低毫米波測試的成本，這樣才有可能大規(guī)模推廣毫米波。”

雖然 5G 技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，但 Verizon 計(jì)劃 2017 年的時(shí)候在美國提供部分 5G 服務(wù)，韓國電信與三星則計(jì)劃 2018 年冬奧會期間提供 5G 服務(wù)，但大規(guī)模 5G 部署不會早于 2020 年。

"我很懷疑，即使到 2020 年，5G 能否提供較為完善的移動服務(wù)，”Forward Concepts 總裁 Will Strauss 說，“當(dāng)然，2018 年會有 5G 試運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)提供高速移動通信服務(wù)，不過那時(shí)候能夠買得起 5G 手機(jī)的人非常少。”

雖然離 5G 真正實(shí)現(xiàn)尚有很長時(shí)間，但業(yè)界需要認(rèn)真審視 5G 技術(shù)，以跟隨發(fā)展到步伐。下面我們就從芯片、工藝、測試和封裝等角度來詳細(xì)分析一下 5G 技術(shù)現(xiàn)狀。

什么是 5G？
到底什么是 5G？為什么我們需要 5G？現(xiàn)在，多數(shù)運(yùn)營商部署的 4G 移動通信標(biāo)準(zhǔn)被成為 LTE 升級版（LTE Advanced ，為 LTE 標(biāo)準(zhǔn)的第 10 版，簡稱 LTE-A）。根據(jù) 4G 技術(shù)規(guī)范，運(yùn)營商部署了第四級（Cat 4）與第六級（Cat 6）LTE-A 移動通信網(wǎng)絡(luò)，第四級 LTE-A 下載速度可達(dá) 150Mbps，第六級 LTE-A 下載速度更高，可達(dá) 300Mbps。

再過一段時(shí)間，運(yùn)營商將部署 LTE-A Pro（為 LTE 標(biāo)準(zhǔn)的第１３版），LTE-A 被認(rèn)為是 4.5G 技術(shù)，被看作通向 5G 的跳板。根據(jù) NI 的資料，LTE-A Pro 支持 32 個(gè)載波單元（LTE-A 是 5 個(gè)），大規(guī)模多入多出技術(shù)（Massive MIMO）以及免費(fèi)頻段 LTE 技術(shù)等。這些技術(shù)都是 5G 技術(shù)的一部分，不過 5G 技術(shù)將進(jìn)一步把工作頻率拓展到毫米波頻段。對于 LTE-A Pro，運(yùn)營商會部署第十級(Cat 10）移動網(wǎng)絡(luò)，支持 450Mbps 下載速度，部分運(yùn)營商會部署下載速度達(dá) 1Gpbs 的第 16 級（Cat 16）移動網(wǎng)絡(luò)。

雖然現(xiàn)在 4G 網(wǎng)絡(luò)速度還不錯(cuò)，但根據(jù)愛立信的估計(jì)，從 2015 到 2021 年，移動數(shù)據(jù)流量每年增長率在 45%左右，到 2021 年每部手機(jī)每月數(shù)據(jù)流量將從 2015 年的 1.4GB 增長到 8.9GB 左右。

因?yàn)橐苿訑?shù)據(jù)流量飛速增長等原因，人們對 5G 技術(shù)的需求是真實(shí)存在的。不同運(yùn)營商提供的 5G 服務(wù)可能互有區(qū)別，但大體上每家運(yùn)營商選擇的 5G 技術(shù)都包括以下三項(xiàng)：增強(qiáng)型移動寬帶、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器通信。

增強(qiáng)型移動寬帶引入毫米波技術(shù)，可使移動數(shù)據(jù)傳輸速率超過 10Gbps。5G 網(wǎng)絡(luò)容量是 4G 的 1000 多倍，傳輸延遲降低到 4G 的十分之一。物聯(lián)網(wǎng)主要是指基于無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，為了物聯(lián)網(wǎng)更好的發(fā)展，現(xiàn)在業(yè)界也制定了一個(gè)窄帶無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，成為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIOT）。同時(shí)，5G 包含一種單獨(dú)的機(jī)器對機(jī)器通信協(xié)議（M2M），5G 中規(guī)定的 M2M 協(xié)議被稱為 LTE-M。

“5G 中對低功耗和長電池壽命提出了要求，”NI 首席市場經(jīng)理 David Hall 說，“ NBIOT 和 LTE-M 都是為機(jī)器與機(jī)器通信而設(shè)計(jì)的，在現(xiàn)有移動通信協(xié)議上進(jìn)行了修改，它們在射頻方面都比較簡單。”

那么引入這些標(biāo)準(zhǔn)的副作用在哪里？ WiFi 等無線技術(shù)都能被置于 5G 概念內(nèi)，將是整個(gè)市場變得復(fù)雜、不確定甚至混亂。例如，5G 或許會把 60GHz 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WiGig）包含進(jìn)來，其他的無線標(biāo)準(zhǔn)也在不斷涌現(xiàn)，例如 LoRa 和 Sigfox。

但是不太可能（如果不是不可能）設(shè)計(jì)出一顆射頻芯片支持所有國家的所有無線通信標(biāo)準(zhǔn)。“你能同時(shí)滿足所有的需求嗎？不能！”ADI 公司通信基礎(chǔ)設(shè)施部門首席技術(shù)官 Thomas Camerson 斬釘截鐵地說。所以，將來運(yùn)營商只會支持一部分 5G 標(biāo)準(zhǔn)。“（運(yùn)營商的）目標(biāo)是建成一個(gè)靈活的網(wǎng)絡(luò)，可以滿足細(xì)分的垂直市場需求。”Camerson 說道。

此外，相比 4G，毫米波信號傳輸距離變短，由于波長變短和空氣吸收等因素影響，5G 信號傳播距離大約為 200 米。為了滿足短距離傳輸范圍的數(shù)據(jù)流量需求，5G 將采用大規(guī)模多入多出技術(shù)（Massive MIMO），通過使用多根天線來倍增系統(tǒng)通信容量。從這個(gè)例子可以管窺 5G 網(wǎng)絡(luò)有多復(fù)雜。

透視 5G 手機(jī)
4G 手機(jī)里面的數(shù)字部分包括應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器，射頻前端則包括功率放大器（PA）、射頻信號源和模擬開關(guān)。功率放大器用于放大手機(jī)里的射頻信號，通常采用砷化鎵（GaAs）材料的異質(zhì)結(jié)型晶體管（HBT）技術(shù)制造。

未來的 5G 手機(jī)也要有應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器。不過與 4G 系統(tǒng)不同，5G 手機(jī)還需要相控陣天線。相控陣天線由一組可獨(dú)立發(fā)射信號的天線組成，利用波束成型技術(shù)，每根相控天線都可以根據(jù)波束來調(diào)整方向。

5G 智能手機(jī)中可能需要 16 跟天線。“每根天線都有獨(dú)立的 PA 和移相器，并與一個(gè)覆蓋整個(gè)工作頻率的信號收發(fā)器相連，”Strategy Analytics 行業(yè)分析師 Chris Taylor 說道，“理想的狀況是把天線放在信號收發(fā)器上面，或者與收發(fā)器做在一起，所以信號收發(fā)器要有多個(gè)由小的 PA 組成的發(fā)射通道。所有進(jìn)出天線的信號都在模擬域處理。”

用毫米波器件設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)非常有挑戰(zhàn)性。“很多客戶不但關(guān)心系統(tǒng)的架構(gòu)，還想知道究竟用什么技術(shù)來具體實(shí)現(xiàn)，”GlobalFoundries Rabbeni 說道，“這很大程度上取決于系統(tǒng)要集成多少功能，以及如何劃分子系統(tǒng)。”

“此外，布局布線對于毫米波的影響很大，”Rabbeni 說，“各個(gè)部件之間靠得很近以減小損耗。處理毫米波電路不是一件容易事。”

相控陣器件通常由不同的工藝制造而成，不過現(xiàn)在多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝和硅鍺（SiGe）工藝。“在毫米波相控陣 / 主動天線應(yīng)用中，硅鍺工藝已經(jīng)得到了證明。”TowerJazz 高級戰(zhàn)略市場總監(jiān) Amol Kalburge 說。

"此外，硅鍺材料可以把先進(jìn) CMOS 工藝和片上無源器件集成在一起，這樣就減小系統(tǒng)級芯片（SoC）的面積以提高集成度，并在成本與性能的平衡上做到更好，”Kalburge 說，“我們認(rèn)為硅鍺材料將在 5G 射頻前端 IC 發(fā)揮重大作用，當(dāng)然也會用到其他三 - 五價(jià)材料。”

“在 6GHz 頻率以下的應(yīng)用中，SOI 工藝的開關(guān)將繼續(xù)是主流，但 SOI 開關(guān)在毫米波頻率的應(yīng)用研究還不充分，其可發(fā)揮的作用與可能遇到的問題還是個(gè)未知數(shù)。波束成型天線可以支持不同的收發(fā)通道，所以在毫米波中有可能不需要天線開關(guān)也能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的完全隔離。如果毫米波應(yīng)用仍然需要模擬開關(guān)，現(xiàn)在的 SOI 工藝開關(guān)由于插入損耗高，很有可能不可用。SOI 工藝的不足將給 MEMS 工藝開關(guān)或其他新技術(shù)帶來機(jī)會。”Kalburge 說道。

硅鍺采用 8 英寸晶圓的標(biāo)準(zhǔn) CMOS 制造流程，晶圓代工廠也在持續(xù)提高硅鍺工藝的性能。例如，GlobalFoundries 最近推出的 130nm 硅鍺工藝，其工作頻率最高可達(dá) 340GHz，比舊工藝提高了 25%。此外，TowerJazz 最近也推出了 130nm 硅鍺工藝。

與 4G 手機(jī)一樣，5G 手機(jī)也需要功率放大器。“毫米波應(yīng)用中，功率放大器將是系統(tǒng)功耗的決定性因素，”三星美國研究中心的主任工程師 Jeffery Curtis 說道，“毫米波系統(tǒng)中有現(xiàn)成的功率放大器可用，但現(xiàn)在的毫米波系統(tǒng)對于射頻前端的要求與移動通信中的要求有很大區(qū)別。”

三星已經(jīng)為 5G 應(yīng)用開發(fā)了一款 28GHz 的集成了低噪聲放大器（LNA）和模擬開關(guān)的功率放大器。該器件使用 0.15 微米的 GaAs 工藝，“根據(jù)應(yīng)用場景，對 PA 和 LNA 進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，我們把功耗降低了 65%，”Curtis 說，“將這些器件集成在一起減小尺寸，是把其應(yīng)用到手機(jī)的關(guān)鍵一步。”

除了 GaAs，業(yè)界也在嘗試其他的三五價(jià)材料來制造 PA，例如硅鍺。“與制造 PA 所使用的其他工藝相比，GaAs 在效率、線性度和頻率范圍等方面都有優(yōu)勢，”Strategy Analytics 分析師 Eric Higham 說，“與硅基工藝相比，GaAs 工藝的缺點(diǎn)是成本比較高，不易集成。”

Higham 表示，GaAs 代工廠大部分還采用 4 英寸晶圓來生產(chǎn)，但是為了降低成本，很多廠商開始把產(chǎn)線升級到 6 英寸。

在低頻段，GaAs HBT 的柵極長度通常在 0.25 至 0.5 微米之間，“要做到毫米波頻率，多數(shù)器件廠商會選用柵極長度在 0.1 至 0.15 微米的工藝，”Higham 說，“Qorvo 推出了 90nm 的 GaAs 工藝，不過 90nm 已經(jīng)是現(xiàn)在量產(chǎn) GaAs 工藝的極限尺寸了。”

基礎(chǔ)設(shè)施
實(shí)際應(yīng)用中，帶相控陣天線的手機(jī)將發(fā)射信號給基站和微蜂窩基站，基站和微蜂窩基站將與相控陣天線對接以實(shí)現(xiàn)信號連接。

要實(shí)現(xiàn)上述功能，還有一些問題要解決。例如，天氣狀況會影響信號路徑。“在毫米波頻段，由于氧氣和吸收造成的路徑損失會更大，”Anokiwave CEO Robert Donahue 說道，“解決方法是采用波束成型技術(shù)。”

Anokiwave 剛剛發(fā)布一款被稱為“5G 四核”的 IC，工作頻率為 28GHz，具備相控陣功能。這款 IC 使用硅鍺工藝，可用于微蜂窩基站等系統(tǒng)。

理論上，這種芯片可與基站通信。與 4G 不同，4.5G 和 5G 設(shè)備必須支持大規(guī)模 MIMO 技術(shù)。基站使用的射頻功率管一般采用 LDMOS 工藝，但現(xiàn)在 LDMOS 工藝正在被氮化鎵（GaN）工藝取代。

“和 LTE-A 一樣，5G 基礎(chǔ)設(shè)施也會移到更高的頻率以拓寬數(shù)據(jù)帶寬，”穩(wěn)懋半導(dǎo)體高級副總裁 David Danzilio 說道，穩(wěn)懋半導(dǎo)體提供 GaAs 和 GaN 工藝代工服務(wù)。“隨著 LTE 邁向更高頻率，GaN 技術(shù)已經(jīng)開始擴(kuò)大市場份額。”

現(xiàn)在，大多數(shù) GaN 器件使用 3 英寸或者 4 英寸線來生產(chǎn)，但據(jù) Strategy Analytics 的消息，Qorvo 在 2016 年底可以將其 GaN 產(chǎn)線升級到 6 英寸。GaN 工藝尺寸正在從 0.25 至 0.5 微米向 0.15 微米轉(zhuǎn)換，技術(shù)領(lǐng)先的廠商已經(jīng)在嘗試 60 納米。

“GaN 是一種寬禁帶材料，”Strategy Analytics 的 Higham 說，“這意味著 GaN 能夠耐受更高的電壓，也意味著 GaN 器件的功率密度和可工作溫度更高。所以，與 GaAs 和磷化銦（InP）等其他高頻工藝相比，GaN 器件輸出的功率更大；與 LDMOS 和 SiC（碳化硅）等其他功率工藝相比，GaN 的頻率特性更好。”

將來，5G 手機(jī)中的 PA 甚至也可以用 GaN 來制造。“GaN 也會被采用，特別是在高頻率應(yīng)用。”Qorvo 無線基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理 Sumit Tomar 說。

軍用手機(jī)中已經(jīng)開始使用 GaN 器件，但普通智能手機(jī)用上 GaN 器件還要等上一段時(shí)間，因?yàn)橹挥性诘凸β?GaN 工藝上取得突破，GaN 器件才能放入智能手機(jī)。

測試難題
測試測量大概是 5G 生產(chǎn)制造流程中最困難的一環(huán)。與 4G 射頻芯片相比，毫米波的測試測量有明顯區(qū)別。

“現(xiàn)在幾乎所有的射頻芯片測試都是用一根線纜把射頻芯片和測試設(shè)備連起來，”NI 的 Hall 說，“采用線纜連接射頻芯片和測試設(shè)備是為了避免測試由于路徑損失等原因?qū)е碌牟淮_定性。”

不過藍(lán)牙等射頻芯片在測試時(shí)，也會進(jìn)行輻射測量。量產(chǎn)測試時(shí)，芯片廠商則會采用相應(yīng)的自動化測試設(shè)備（ATE）來進(jìn)行測試。

但是，毫米波器件的測試測量完全是另外一回事。例如，相控陣天線可能是綁定在射頻前端器件上。“（射頻前端器件）封裝就把天線包在里面了，”是德科技 5G 技術(shù)架構(gòu)師 Mike Millhaem 說，“所以在器件上沒有射頻接口和端子來連接到測試設(shè)備上。”

所以，傳統(tǒng)的采用線纜連接的測試方法對于毫米波不適用。那么，該怎么來測試毫米波器件呢？

每家廠商有不同的測試方案，不過需要把幾臺昂貴的機(jī)器組合在一起才能完成對毫米波的測試測量。

“現(xiàn)在，毫米波測試的困難之一是這些頻率的很多信號帶寬很寬，”NI 的 Hall 說，“毫米波器件的量產(chǎn)測試方法有現(xiàn)成的，但調(diào)制測試還沒有。工程師能夠買到 100GHz 或更高頻率的矢量信號分析儀（VNA），但矢量信號分析儀只適合測量 S 參數(shù)。”

矢量信號分析儀適合測量濾波器、耦合器與功放。“然而，矢量信號分析儀無法測試調(diào)制質(zhì)量，但調(diào)制質(zhì)量是射頻芯片的重要參數(shù)。”Hall 說道。

不過 Hall 認(rèn)為 28GHz 器件是可以測量的，“28GHz 5G 的標(biāo)準(zhǔn)要求 500MHz 帶寬，這可以做沒有問題。”

但是測量 60GHz 器件還是有難度，“有幾家公司在開發(fā) 802.11ad 測試方案，但現(xiàn)在我相信沒有一家 WiGig 的測試方案可以商用。”Hall 說，“由于缺乏測試方法，工程師只能依靠‘標(biāo)準(zhǔn)被測器件’的方法，如果一顆 WiGig 射頻芯片能夠進(jìn)行通信，我們認(rèn)為這顆芯片就是好的。這種方法很不可靠，因?yàn)槿狈y試手段，所以現(xiàn)在市場上的 WiGig 產(chǎn)品很多都有質(zhì)量問題。”

封裝
軍用毫米波產(chǎn)品大多采用陶瓷或者金屬封裝，這些封裝可靠性很好，但是成本很高。

所以民用市場在考慮采用 QFN 封裝和多芯片模組，以及其他適合毫米波的先進(jìn)封裝。“廠商也在扇出和嵌入式封裝方面進(jìn)行嘗試。”日月光副總裁 Harrison Chang 說。

實(shí)際上，在毫米波芯片封裝上，封裝工程師必須考慮更多的因素，嘗試更多的方法。“（毫米波的）射頻前端要復(fù)雜得多，”Chang 說，“我們必須保證封裝的結(jié)構(gòu)，例如連線、墊盤（pad）和通孔，使之不會妨礙到芯片上的射頻設(shè)計(jì)。”