Módulo frontal de RF, este artículo es suficiente.
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Introducción a la tecnología del módulo frontal de RF integrada en la Guía Niudu
¿Frontal RF Niubi integrado? ¿Filtrar?
¿Cómo pueden las empresas chinas superar el “endeudamiento” y desarrollarse rápidamente de forma iterativa?
Texto de vaca incrustado
El chip RFFE (Radio Frequency Front-End) es el componente central que realiza las funciones de comunicación de los teléfonos móviles y varios terminales móviles, con un mercado global de más de 10 mil millones de dólares estadounidenses. El aumento general de los teléfonos móviles locales en los últimos 10 años ha sentado una base industrial sólida para el desarrollo de la industria local de front-end de radiofrecuencia, el uso comercial de 5G en China y los cambios en el entorno comercial global han agregado dos paquetes de ventajas; leña a la industria local de radiofrecuencia. La industria de chips frontales de radiofrecuencia tiene una historia de desarrollo de más de 15 años en China. Las actividades de innovación y emprendimiento son muy activas, con docenas de empresas de diversos tipos, y también es un área de gran preocupación para el mercado. y capital. El autor de este artículo ha tenido la suerte de trabajar en la industria de chips de radiofrecuencia durante 11 años, desde la era 2G hasta el 5G actual. También ha trabajado en empresas extranjeras, privadas y estatales, y ha desarrollado y producido en masa directamente todo tipo de productos de RF. Este artículo resume las discusiones entre el autor y algunos amigos de la industria en los últimos años, tratando de aclarar el mercado técnico y la lógica comercial de los productos de módulos de radiofrecuencia. Al mismo tiempo, la radiofrecuencia local se viene desarrollando desde hace más de diez años. La competencia es el principal hilo conductor de la industria y la cooperación y la amistad son recursos muy escasos. Este artículo se centrará en compartir conocimientos sobre la modularización, con la esperanza de que más fabricantes locales compartan las enormes oportunidades de la modularización a través de la cooperación.
Introducción
Según el discurso de apertura pronunciado por el profesor Wei Shaojun en la "Cumbre Global de CEO 2020" titulado "El camino correcto en el mundo son las vicisitudes de la vida - Sobre la determinación estratégica bajo grandes cambios", las estadísticas muestran que las empresas estadounidenses son las que más dependen del mercado chino (calculado en términos de índice de ingresos), como se muestra en la siguiente figura. Podemos ver a SKYWORKS, Qualcomm, Qorvo y Broadcom, los cuatro gigantes americanos de la radiofrecuencia (SKYWORKS y Qorvo se dedican principalmente al negocio de la radiofrecuencia; Qualcomm y Broadcom (incluidos los servicios de radiofrecuencia) acaban de ocupar los cuatro primeros puestos del ranking.
La situación internacional del front-end de RF
La tecnología de front-end de RF se centra principalmente en filtros PA, amplificadores de potencia (PA), amplificadores de bajo ruido y conmutadores de RF. En la actualidad, la RF global. El mercado está dominado por Skyworks y Qualcomm, las cuatro principales empresas de RF de los Estados Unidos, Qorvo, Broadcom y Murata dominan
Los cinco principales gigantes de RF tienen más del 90% de participación de mercado en PA y LNA. para los filtros, se dividen en dos tecnologías principales de ondas acústicas de superficie, ondas acústicas de superficie (SAW) BAW y Bulk Acoustic Wave (BAW). Actualmente, Murata representa la mitad del mercado de filtros SAW, Skyworks representa aproximadamente. 65.438.000, Qorvo representa aproximadamente 4, y el resto lo dividen grandes fabricantes como Taiyo Inductor y TDK. El 90% está ocupado por empresas estadounidenses.
Se puede ver que el front-end de RF es. un mercado enorme que puede acomodar el desarrollo continuo de los cinco gigantes internacionales. Los gigantes internacionales tienen una gran gama de tecnología y una fuerte modularidad; cada gigante tiene tecnología BAW o sus sustitutos. >
La situación interna de las interfaces de RF
Hay muchos artículos sobre la situación interna de las interfaces de RF, por lo que no entraré en detalles aquí. Se dan varias conclusiones:
1. Las empresas locales generalmente se centran en dispositivos discretos; los dispositivos discretos son actualmente la principal vía de competencia local. 2. Las empresas locales carecen de tecnología y productos de filtración avanzados y generalmente no son sólidos. p>La fuente de desafíos y oportunidades para la modularización 5G
Los desafíos del espacio de cableado de PCB y el tiempo de depuración de RF han recaído en los teléfonos móviles de nivel básico, abriendo el camino a las actualizaciones iterativas de los chips de módulos domésticos. /p>
Los chips de módulos RF no son una serie de productos nuevos. De hecho, el uso de chips de módulos RF casi coincide con la comercialización de LTE.
En los últimos 10 años, se han utilizado ampliamente varios módulos de radiofrecuencia complejos en teléfonos móviles emblemáticos de varias marcas al mismo tiempo, en una gran cantidad de teléfonos móviles de nivel básico, las soluciones de dispositivos discretos pueden cumplir plenamente con todos los requisitos; Así, en los últimos 10 años han surgido dos mercados completamente diferentes: soluciones modulares para modelos emblemáticos y soluciones discretas para modelos básicos; La solución modular requiere "alta integración y alto rendimiento", por lo que el precio también es alto; la solución discreta requiere "integración media-baja, rendimiento medio" y el precio es relativamente bajo. Existen enormes diferencias técnicas y de mercado entre las dos soluciones, lo que podemos llamar la "brecha de módulos" en la era 4G.
La “brecha de módulos” en la era 4G
La llegada del 5G ha cambiado por completo esta situación.
En comparación con las 2 a 4 antenas de los teléfonos móviles de nivel básico 4G, la cantidad de antenas en los teléfonos móviles de nivel básico 5G ha aumentado de 8 a 12 las bandas de frecuencia y combinaciones de bandas de frecuencia que necesitan; Las posibilidades de soporte también han aumentado significativamente basadas en 4G. Se sabe que la cantidad de componentes de RF tiene una fuerte correlación con la cantidad de antenas y bandas de frecuencia, lo que significa que la cantidad de componentes de RF aumenta dramáticamente. Al mismo tiempo, debido a los requisitos de diseño estructural, el área de PCB que queda para la parte frontal de RF de los teléfonos móviles 5G no se puede aumentar, por lo que el área de la solución discreta excede con creces el área de PCB disponible. Ésta es la limitación que trae el espacio.
Otro desafío proviene del tiempo de depuración. El tiempo de depuración de radiofrecuencia 4G utilizando soluciones de dispositivos discretos suele ser de una semana. Con el aumento significativo en la complejidad de la radiofrecuencia 5G, suponiendo que se utilice una solución separada, el tiempo de depuración puede aumentar entre 3 y 5 veces en términos de costo, también se requerirán equipos de prueba 5G más costosos y recursos de ingenieros familiarizados con las pruebas 5G. Si usa módulos, en el proceso de diseño del módulo, la mayor parte de la depuración se implementará internamente y una mayor parte de la carga de trabajo de depuración se trasladará al lado del software, por lo que la eficiencia de la depuración mejorará enormemente. Ésta es la limitación impuesta por el tiempo.
Las limitaciones de tiempo y espacio son poderosas y omnipresentes. Por lo tanto, en los teléfonos móviles 5G de nivel básico, existe una demanda natural de módulos de "rendimiento medio-bajo y alta integración", que se integran con los módulos de "rendimiento medio-alto y alta integración" de los teléfonos móviles emblemáticos. Dado que todos necesitamos módulos altamente integrados pero tenemos diferentes requisitos de índice, los chips de módulos domésticos pueden evolucionar iterativamente desde "rendimiento medio-bajo" (teléfonos móviles de nivel básico 5G) hasta "rendimiento medio-alto" (teléfonos móviles emblemáticos 5G). De este modo se llena el "vacío del módulo".
Todo tiene dos caras. Una vez superada la "brecha de módulos", también han surgido riesgos en el espacio del mercado separado; para las empresas locales que se centran en chips discretos, también necesitan enormes recursos y fuerza para encontrar su propio posicionamiento en productos de módulos; Entrará en una etapa de cuello de botella en un futuro próximo.
En la fase inicial del 5G, también existe en el mercado una solución híbrida, es decir, una solución que mezcla dispositivos y módulos discretos. Hay muchas razones objetivas para el surgimiento de esta solución, incluida la "brecha de módulos" que se ha formado históricamente. Este plan es producto de un compromiso, sacrificando algunos indicadores clave y haciendo concesiones en el área. Si no hay empresas de chips que se centren en módulos nacionales, no habrá chips de módulos nacionales excelentes, si no hay chips de módulos nacionales excelentes, el precio de las soluciones de módulos siempre será alto;
Breve clasificación de la tecnología de filtrado
Filtro BAW: Filtro de ondas acústicas corporales. Tiene las ventajas de una pequeña pérdida de inserción, una gran atenuación fuera de banda y no es sensible a los cambios de temperatura. El tamaño del filtro BAW se reducirá a medida que aumente la frecuencia, por lo que es particularmente adecuado para comunicaciones de frecuencia media a alta por encima de 1,7 GHz y tiene ventajas obvias en aplicaciones 5G y sub-6G.
Filtro SAW: Filtro de ondas acústicas de superficie. Los materiales piezoeléctricos como los cristales estacionales, el niobato de litio y las cerámicas piezoeléctricas son dispositivos de filtrado especiales que utilizan su efecto piezoeléctrico y sus propiedades físicas de propagación de ondas superficiales. El filtro SAW tiene las ventajas de un rendimiento estable, fácil uso, amplia frecuencia, etc., y es una aplicación principal para frecuencias inferiores a 1,6 GHz. Sin embargo, tiene algunas desventajas, como una gran pérdida de inserción y graves problemas de calentamiento al procesar alta frecuencia. Señales y no es adecuado para procesar las señales de alta frecuencia de 1,6 GHz.
Filtro tipo LC: es decir, filtro inductor-condensador. Los filtros LC generalmente constan de condensadores de filtro, reactancias y resistencias. Los inductores y condensadores juntos forman un circuito de filtro LC.
Breve clasificación de los módulos de RF
Los módulos frontales de RF integran dos o más dispositivos discretos, como interruptores de RF, amplificadores de bajo ruido, filtros, duplexores y amplificadores de potencia en un solo módulo. mejorando así la integración y el rendimiento, y logrando la miniaturización. Según los diferentes métodos de integración, el enlace de RF de la antena principal se puede dividir en: FEMiD (conmutador, filtro y duplexor de RF integrado), PAMiD (PA y FEMiD multibanda multimodo integrado), LPAMiD (LNA, multibanda integrada modo multibanda PA y FEMiD). El enlace de radiofrecuencia de antenas de diversidad como banda de frecuencia PA y FEMiD) se puede dividir en DiFEM (interruptor y filtro de radiofrecuencia integrados) y LFEM (interruptor de radiofrecuencia integrado, amplificador y filtro de bajo ruido). ).
Enlace RF de antena principal
Enlace RF de antena de diversidad
La "densidad de valor" del front-end de RF
Debido a la El área de PCB de los teléfonos móviles 5G es un recurso limitado. Necesitamos "exprimir" más dispositivos funcionales de radiofrecuencia en los teléfonos móviles 5G. Por lo tanto, cuando evaluamos cada tipo de dispositivo de radiofrecuencia, debemos establecer un parámetro para describirlo de manera uniforme. un reflejo de su valor y ocupación de PCB Indicador integral de superficie.
ValorDensidad=(Precio de venta promedio ASP)/(Tamaño del paquete de chip)
A continuación, utilizamos el valor VD como herramienta para analizar las condiciones de filtros, amplificadores de potencia y módulos de RF. respectivamente.
1. Valor VD del filtro
En primer lugar, dado que el filtro generalmente requiere un circuito de adaptación externo, el valor VD real es menor que el valor VD del dispositivo. Ignoremos este factor por ahora. Con base en los datos anteriores, podemos sacar algunas conclusiones: de LTCC a tetraploide, el valor de VD continúa aumentando, de 1,2 a 10,0, el aumento es relativamente rápido.
2. Valor VD del amplificador de potencia
Con base en los datos anteriores, también podemos ver: a) De 2G a 4G, el valor VD aumenta de 0,6 a 1,5. b) El valor VD de los productos miniaturizados que evolucionan de 4G a CAT1 y los PA de alta potencia que evolucionan a HPUE o Phase5N aumenta a aproximadamente 2.
3. Valor VD del módulo RF
Según los datos anteriores, se puede observar: a) El valor VD del módulo receptor es alrededor de 5 b) El H/; M/ de los paquetes pequeños y medianos del módulo receptor L Los valores LFEM y VD son muy prominentes, mayores que 10 c) Módulo transmisor (excepto FEMiD), el valor VD está entre 4-6 D) FEMiD tiene; el valor VD más alto del módulo transmisor. Por lo tanto, se puede lograr una eficiencia razonable en el diseño de PCB cuando FEMiD se mezcla con MMMB PA con un valor VD bajo.
Al mismo tiempo, también agregamos datos de referencia sobre la tasa de localización de tecnología y la tasa de localización de mercado. En términos generales, si la tasa de localización del mercado es baja o la tasa de localización de tecnología excede con creces la cifra de la tasa de localización, el valor de VD será falsamente alto. Una vez que aumente la cuota de mercado de los productos locales correspondientes, habrá margen evidente para reducir los precios en el futuro.
Módulo de transmisión RF Five Mountains
transmisión 1: la integración de filtros PA y LC se utiliza principalmente en la nueva banda de frecuencia 5G de 3 GHz a 6 GHz. Los productos típicos son n77 y. n79 PAMiF o LPMIF. El diseño 5GPA de estas nuevas bandas de frecuencia es muy desafiante, pero debido a que el espectro de las nuevas bandas de frecuencia es relativamente "limpio", los requisitos para los filtros no son altos y los filtros LC (IPD, LTCC) pueden hacer el trabajo. En conjunto, este tipo de producto es un producto desafiante pero no complicado, y su tecnología y costo están absolutamente controlados por PA.
Lanzamiento 2: Integración de PA y BAW (o SAW de alto rendimiento). Los productos típicos son los productos n41 PAMiF o Wi-Fi iFEM. La banda de frecuencia es de alrededor de 2,4 GHz. El producto es una banda de frecuencia común, las especificaciones técnicas de la parte PA son desafiantes pero no altas. Debido a que opera cerca de 2,4 GHz, la banda de frecuencia está muy saturada, por lo que es necesario integrar filtros BAW de alto rendimiento en productos típicos para lograr * * * almacenamiento. Debido a que la función de filtrado de este tipo de producto no es complicada, el PA todavía tiene control técnico pero en términos de costo, el filtro puede exceder al PA;
En términos generales, este tipo de producto es desafiante pero no complicado, y la Autoridad Palestina tiene cierto grado de control.
Lanzamiento 3: Módulo transmisor de banda baja. LB (L)PAMiD suele integrar bandas de frecuencia 4G/5G (como B5, B8, B26, B20, B28, etc.) por debajo de 1 GHz, incluidos amplificadores de potencia de alto rendimiento y varios duplexores de baja frecuencia. En diferentes soluciones, también se pueden integrar GSM850/900 y 2GPA de DCS/PC para mejorar aún más el nivel de integración. Los duplexores de baja frecuencia normalmente requieren tecnología TC-SAW para lograr especificaciones óptimas del sistema. Según las necesidades de la solución del sistema, si se integra un amplificador de bajo ruido (LNA) sobre la base de LB PAMiD, este tipo de producto se denomina LB LPAMiD. Se puede ver que la complejidad de dichos productos ya es relativamente alta: en términos de PA, es necesario integrar 4G / 5GPA de alto rendimiento y, a veces, es necesario integrar núcleos 2GPA de alta potencia para filtros, de 3 a 5 obleas; Generalmente se requieren paquetes de nivel (WLP) duplexor TC-SAW. Desde la perspectiva del costo total (suponiendo que es necesario integrar 2GPA), las proporciones de la parte PA/LNA y la parte del filtro son básicamente las mismas. LB (L)PAMiD requiere capacidades técnicas relativamente equilibradas, por lo que el tercer paso aparece en la unión de PA y filtros.
Lanzamiento 4: Femid. Estos productos suelen incluir varios filtros/duplexores/multiplexores de frecuencias bajas a altas, así como interruptores de antena en la ruta principal, no hay PA integrado; Los productos FEMiD generalmente requieren interruptores LTCC integrados, ondas acústicas de superficie, TC-SAW, BAW (o I.H.PSAW de rendimiento equivalente) y SOI. La definición que Murata da a este tipo de producto es que ha ocupado una posición dominante absoluta en este mercado en los últimos ocho años. Los fabricantes de teléfonos móviles como Samsung y Huawei han utilizado o utilizan este tipo de productos en un gran número de teléfonos móviles de alta gama. Como se mencionó anteriormente, los proveedores competitivos de PAMiD se concentran principalmente en América del Norte; teniendo en cuenta la diversificación de la cadena de suministro, algunos modelos de teléfonos móviles con envíos muy grandes pueden considerar el uso de la arquitectura MMMB (multifrecuencia multimodo) más FEMiD. Los proveedores calificados de MMMB PA están ampliamente distribuidos en América del Norte, China y Corea del Sur, y la capacidad de producción FEMiD de Murata es muy grande (principalmente en LTCC y SAW). Como se mencionó anteriormente, el valor VD de FEMiD es muy alto y la utilización del espacio de la solución general también está dentro de un rango razonable.
Emisión 5: m/h (l) PAM ID. Este tipo de producto tiene el valor más alto en el mercado de front-end de RF y también es el campo más difícil de sintetizar. Es el pináculo del segmento de mercado de front-end de RF. M/H normalmente cubre el rango de frecuencia de 1,5 GHz a 3,0 GHz, que es la banda de frecuencia dorada para las comunicaciones móviles. Las primeras cuatro bandas de frecuencia FDD LTE Band1/2/3/4 están dentro de este rango, las primeras cuatro bandas de frecuencia TDD LTE B34/39/40/41 están dentro de este rango y todas las bandas de frecuencia comerciales de TDS-CDMA están dentro de este rango. La primera solución comercial de agregación de operadores también apareció en este rango (implementada por el multiplicador cuádruple de frecuencia B1 B3), y comunicaciones importantes no celulares como GPS, Wi-Fi 2.4G y Bluetooth también funcionan en este rango. Como puede imaginar, las características más importantes de esta banda de frecuencia son la "aglomeración" y la "interferencia". Este también es un escenario amplio para que los filtros BAW de alto rendimiento muestren sus habilidades. Dado que esta banda de frecuencia ha estado disponible comercialmente durante mucho tiempo, la tecnología PA en esta banda de frecuencia es relativamente madura y el desafío principal proviene de los dispositivos de filtrado.
Primero, expliquemos por qué esta frecuencia es la frecuencia de oro para las comunicaciones móviles. En el largo proceso de desarrollo, la fuerza impulsora de las comunicaciones móviles proviene de la popularidad de los terminales móviles, y el desafío principal de la popularidad de los terminales móviles radica en el rendimiento y el costo de los terminales. Si la frecuencia es demasiado alta, como por ejemplo por encima de 3 GHz o por encima de 10 GHz, las características del transistor semiconductor disminuirán rápidamente, lo que dificultará lograr un alto rendimiento. Pero para frecuencias demasiado bajas, como por debajo de 800 MHz y por debajo de 300 MHz, el tamaño de la antena será muy grande y la inductancia y capacitancia utilizadas para la adaptación de RF también serán muy grandes. Bajo la limitación del tamaño del terminal, es difícil que el rendimiento de radiofrecuencia de la banda de frecuencia ultrabaja cumpla con las especificaciones del sistema.
En resumen, desde la perspectiva del rendimiento de los dispositivos activos (transistores), esperamos que la frecuencia sea menor; desde la perspectiva del rendimiento de los dispositivos pasivos (condensadores, inductores, antenas), se espera que la frecuencia sea mayor; El conflicto esencial entre dispositivos activos y pasivos, el compromiso en el lado de la aplicación y la integración dentro del módulo son como dos poderosas corrientes frías y corrientes cálidas, que convergen en la banda de frecuencia de 1,5 ~ 3 GHz, el canal principal más magnífico de la telefonía móvil humana. comunicaciones, formando la terminal más popular del Complejo RF, la pesquería de oro más valiosa: M/HB (L)PAMiD. ¡maravilloso!
En la actualidad, el mercado de productos de alta gama está ocupado principalmente por fabricantes estadounidenses como Broadcom, Qorvo y RF360. La siguiente imagen es el análisis de apertura de fichas proporcionado por Qorvo en su cuenta oficial de WeChat. Se puede ver que este tipo de producto incluye más de 10 BAW, 2~3 HBT de GaAs, 3~5 SOI y 1 controlador CMOS, y es el más complejo técnicamente entre los productos de RF. Estos productos suelen requerir la integración de dispositivos de VD ultraalto, como multiplicadores de frecuencia cuádruple o multiplicadores de quinta/sexta frecuencia.
Vista descubierta del M/H LPAMiD
Módulo receptor de RF de cinco montañas
El modelo de cinco montañas del módulo receptor se muestra en la imagen de arriba.
Recepción 1: El conmutador RF y el LNA se implementan en un único chip utilizando tecnología RF-SOI. Aunque es solo un troquel, también es un chip de módulo de radiofrecuencia con funciones compuestas. La principal tecnología para este tipo de productos es RF-SOI, que tiene algunas aplicaciones en 4G y 5G.
Recepción 2: Utilice la tecnología RF-SOI para implementar las funciones de LNA y conmutador, y luego intégrelo con un paquete de chip de filtro tipo LC (IPD o LTCC). El filtro LC es adecuado para los requisitos de gran ancho de banda y baja supresión de 3 ~ 6 GHz, y es adecuado para la banda de frecuencia n77/n79 de la parte 5G NR. Este tipo de producto también se basa en tecnología SOI y se utiliza principalmente en 5G.
Recepción 3: a partir de la recepción 3, el módulo de recepción necesita integrar varios filtros SAW al principio y el nivel de integración es cada vez mayor. Normalmente, es necesario integrar un conmutador SOI unipolar multidireccional (SPnT) o bipolar multidireccional (DPnT) y varios canales de filtro SAW que admitan la agregación de portadoras (CA). En términos de métodos de empaquetado, hay muchos caminos posibles porque no hay límite para el nivel de integración de "Shou 3". Entre ellos, los productos de fabricantes internacionales son principalmente la tecnología WLP. Además de sus ventajas en confiabilidad y espesor del producto, también se puede reutilizar en otros productos con mayor integración.
Receptor 4: Este producto se llama MIMO M/H LFEM. La tecnología MIMO se utiliza principalmente en bandas de frecuencia M/H (como B1/3/39/40/41/7) para aumentar la velocidad de comunicación, que es un requisito obligatorio para que algunos teléfonos móviles de gama media a alta accedan. la red. Parece que a la industria de las comunicaciones realmente le encanta la banda de frecuencia dorada M/H. Desde un punto de vista técnico, este tipo de producto es un conmutador LNA plus basado en tecnología RF-SOI, y luego integra de 4 a 6 canales de filtros SAW de alto rendimiento M/H. Los fabricantes internacionales han comenzado a utilizar ampliamente la tecnología TC-SAW en estas bandas de frecuencia para lograr el mejor rendimiento general.
Receptor 5: El chip receptor más complejo es el H/M/L M/L LFEM. Este tipo de producto implementa el filtro SAW, RF-Switch y RF-Switch en la banda de frecuencia 10~15. un tamaño muy pequeño de mejora de señal (LNA), con una densidad de valor ultra alto (aproximadamente 10), puede ayudar a los clientes a reducir significativamente el área de PCB ocupada por la parte Rx en proyectos 5G y reducir el área valiosa. Este tipo de producto requiere las más altas habilidades integrales y básicamente requiere el uso de métodos de embalaje avanzados en forma de WLP para cumplir con los requisitos de tamaño, confiabilidad y rendimiento.
Resumen
1. El requisito principal del módulo de radiofrecuencia es la miniaturización de varios componentes y la integración de módulos.
2. Ya sea un módulo transmisor o un módulo receptor, los módulos 5G puros son difíciles pero no complicados. Los módulos más desafiantes y valiosos son los módulos de alta complejidad compatibles con 4G/5G simultáneamente.