射频集成电路技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

射频移动通信技术的总趋势是走向高速化、大带宽。移动通信在微电子技术基础上与计算机技术密切结合，正在产生革命性的飞跃，各种新技术新系统不断涌现，短短的10多年间，第一代模拟移动通信系统已广泛应用，第二代数字移动通信正日益普及，第三代3G全球综合移动通信系统也即将面世。为了适应图像编码、话音处理和加强型存储技术，3G移动通信终端手机将比现有的GSM移动终端复杂得多，3G手机将要求集成很多不同的技术，如多个可变速率语音编码器、多频带和宽频带射频部件、不同形式的调制和多址访问以及遵循各种无绳、PCS/PCN、寻呼、传信、蜂窝和卫星通信技术标准的不同接收机体系结构。

在当前高数据传输速率、大频带要求的条件下，接收机要有大的动态范围，而发射机具有高线性度的信号放大。这些就导致了RFIC开发者和半导体器件制造技术的激烈竞争。例如，接收机混频器的噪声降低，但又保持良好的大信号性能，且在不损失系统的灵敏度前提下适当减小予放大器的增益。为实现上述的特性研究人员试图采取多种技术和方法设计RFIC。已报道采用降低混频器输入三阶截距点（IIP3）而不损害总体大信号工作性能，实现接收机功耗的减小。也有通过降低滤波器性能来取得功耗和成本之间的折中获得低功耗。如果功耗足够低，在电路设计中就可通过采用镜像抑制混频器来取替昂贵的无源滤波器，进一步减小供电电压和制造成本。总而言之，器件的高性能和低成本是满足上述竞争的关键。

3G手机要求集成很多不同的技术，如多个可变速率语音编码器、多频带和宽频带射频部件、不同形式的调制和多址访问的不同接收机体系结构。其RFIC设计需要对功放、低噪声放大器、混频器、上变频器、压控振荡器、滤波器等直至前端和整个收发系统进行集成。因此是个复杂设计问题。减小功率的最简单方法是降低手机IC的工作电压。第一代和第二代手机芯片都是采用5V，现在新的手机芯片采用的是3V，而第3代手机芯片将采用2V甚至更低。降低电压要求的关键就是制造更小几何尺寸的晶体管。

手机工作于干扰严重的电磁环境，为满足众多用户通信而互不干扰的要求，其性能必须达到通信标准的要求。此外还必须达到人们可接受的价格和便携方式。因此手机用的RFIC应同时满足对价格、功耗、封装和性能的要求。价格低的要求意味着易于大规模生产；低功耗意味着采用功效尽可能高的方法设计系统和芯片；而封装方面的要求是重量轻和尺寸小。其中重量轻要求降低电池的重量，即要降低功耗并间接意味着小型化：尺寸小意味着要求尽量减少芯片和外接元件的体积。可见这些要求对IC实现来讲就是要尽量提高系统功能模块的集成水平，减少片外元件数目。另外由于近期封装及测试的费用在IC成本中所占的比例上升，故IC数目的减少也间接地降低了整个终端的成本。总之开发手机用的RFIC要实现低成本、低功耗和小型化。在现有技术的实现条件下。将RF模拟前端和基带部分分开实现。但各自的设计目标不同。RF前端的设计主要是提高集成度，减少外接元件；而基带部分的设计主要是根据可编程性、复杂性、成本等因素确定功能模块的集成。完成RF前端功能可有许多不同于传统的结构，但哪一种能适合于技术提供的可能，解决好集成性和性能要求之间的矛盾仍有待探索。在CMOS上研制RF前端是最为引人注目的尝试。

第二节 产品工艺特点或流程

根据器件所用的半导体材料，采用的工艺技术有Si、SiGe、SOI、CMOS、BiCMOS、GaAs、InP、AlGaAs、GaN、SiC等等。当前在射频通信领域应用最富有生命力的模拟电路的集成工艺技术是：双极、CMOS、GaAs和BiCMOS工艺。标准集成电路工艺技术与专用集成电路工艺技术之间还是有所不同的。因为标准IC工艺技术是商业上成熟的并被广泛采用的工艺技术，这些工艺技术势必尽可能地限制掩模数目。

对于无线应用，BJT仍是高性能低功耗射频应用所选用的器件。MOSFET是功率放大器和高密度数字电路应用所选择的器件。由于CMOS工艺技术能制做优质电容和良好的开关和低的功耗。CMOS工艺技术已成为主要的模拟工艺技术。GaAs工艺目前提供的是MESFET，GaAs工艺技术将在微波领域得到发展。随着硅双极工艺技术的不断改进，GaAsFET超过硅双极工艺的优势就迅速减小。与MOS硅相比，双极硅能实现更高的截止频率。这就促成了BiCMOS工艺技术的迅速发展。

BiCMOS工艺技术将双极工艺技术与CMOS工艺技术结合，集中了二者的优点，形成的单个工艺技术，从而实现了低功耗和高速度。已成为主要的模拟工艺技术。长期以来，双极工艺技术是集成电路工艺技术的主流。现在的双极工艺技术有小到0.1um工艺线宽的器件，并采用沟槽隔离技术，以减小隔离扩散所需要的面积。双极工艺技术的一些优点是噪声低、跨导高和开关速度快，此外，双极工艺技术随着器件尺寸减小，结构和工艺处理就更简单了。在RFIC发展的初期阶段里，都是采用价格高昂的GaAs、InP等材料制造。而硅基（Si）器件（BJT等）并未受到人们的重视，这是因为其作为衬底的晶片电阻率极低1-20Ωcm），损耗太大，加之工作频率低，仅被用于制造数字IC。最近几年在材料方面的研究进展表明，在硅基器件中掺入锗（Ge）材料可制造出异质结双极晶体管（HBT），实现了更高的工作频率，获得更高的性能。硅基半导体已不再局限于低频模拟和数字处理电路使用，成为当今高性能/价格比无线产品首选的标准有源器件技术。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

1、传统超外差射频接收／发射机基本电路结构向零中频和低中频结构发展

无线通信RF系统的主要功能是完成高频信号的传输，是整个无线电接收、发射过程中的关键。随着硅集成技术的发展，射频接收机系统结构也在发生变化，正在由传统的超外差接收机结构向零中频接收机和低中频接收机结构发展。

传统的RF接收／发射机电路普遍采用成熟的超外差结构，但这种结构需要采用二级混频和片外声表面滤波器，成本高。低中频或直接转换体系结构只需要采用一级混频，不需要片外声表面滤波器，又可以将RF模拟电路、基带处理器及A／D、D／A转换器集成于一个芯片。这种含射频、基带及A／D、D／A转换电路的单片集成电路的可靠性高、功耗低，成本也低。因此，硅单片集成无线通信RFIC是目前发展的主流。

2、多模、多系统及SOCRFIC设计成为热点

当今的移动终端设备，已由单纯的通信工具逐步演变为一台个性化的多媒体设备。因此，移动终端设备向多系统和多模方向发展，接收／发射机RF—1C的整合已取得突破，利用现有的硅技术已能将原本各自独立分散的接收端与发送端的组件（如混频器、滤波器），以及锁相环（PLL）整合，并以硅技术集成为接收／发射机SOC。在手机中集成卫星导航、无线局域网、数字电视以及蓝牙等功能，也是移动通信技术发展的趋势，移动通信RFIC将单片系统集成通信接收机／发射机射频功能、卫星导航射频功能、WLAN射频功能、数字电视射频功能，向3、RFIC设计工具迅速发展由于RFIC的市场驱动，导致RFIC设计工具迅速发展。目前，RFIC设计中具有代表性的设计软件工具有安捷伦（Agilent）公司的ADS（Ad—vancedDesignSystem），AppliedWaveResearch公司的MicrowaveOffice和AnalogOffice，Ansoft公司的HFSS、CST及AnsoftDesigner，Cadence公司的RFIC设计软件等。它们都具有不同特色，一般具有友好的设计界面，灵活、开放的架构，具有从综合到版图设计等不同层次的设计模块，支持第3方设计、测试软件，带有使用方便的物理设计工具和模型提取工具；涵盖了小至元器件，大到系统级的设计和分析。连接系统级的设计环境，能轻松定制设计平台中的关键性新功能，可从RF前端到后端进行电路设计，可解决行为建模、电路仿真、版图、寄生提取和后仿真等问题，从而大大提高复杂电路的设计效率，已成为RF设计的有效工具。

另外，利用IC设计环境中使用的系统级模型和测试台，可在单一系统环境下完成IC验证，或者在一个通用的环境下，依据一个跨系统和跨数字、混合信号、模拟及射频等多个设计域的系统级规范，对所设计的电路进行验证，从而缩短设计周期，增加可预测性，并保证芯片性能的顺利实现。

但RFIC设计工具中仍然存在很多问题，需要深人研究和解决，特别是对电路的很多潜在影响因素尚缺乏深刻认识。射频电路中许多比较关键的元件，如电感、电容等，缺乏实用的准确等效电路或集总模型。在RFIC设计中，即使拥有比较精确的元器件模型，但使用这些元器件模型构成电路之后，因采用布局方法的不同，将会对电路性能带采极大的差异。另外，面对射频电路与数字和模拟电路单芯片集成的明显发展趋势．迫切需要涵盖数字／模拟／射频混合信号设计的配套EDA工具，但在短期内仍有很多技术难点难以突破。总之，目前RFIC的设计精度和自动化程度仍然落后于数字电路设计，有待继续提高。

3、人工测试正向自动化测试快速进步

RFIC一般包含低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、可变增益放大器（VGA）、锁相环（PLL）、调制器／解调器等单元电路，具有功能复杂、通讯协议多、工作频率高等特点。因此，在测试RFIC时面临协议、频段、参数、功能等多种技术挑战。目前RF测试的现状是：

1）采用常规仪器，如数字示波器、频谱分析仪等，进行人工测试，手工记录数据，效率低，易出错，测试数据的随时查阅、分析和进一步处理困难，已不适应目前的RFSOC测试。

2）将广泛应用的传统电子测量仪器和计算机及软件结合起来，利用计算机强大的数据处理、管理和发布能力，拓展传统电子测量仪器的测量功能，实现自动化测量。这种方法测量效率高，数据准确度高，查阅、分析、处理方便，克服了传统测量存在的诸多问题。这是一种改进的较先进狈4量方法，目前还有一定的应用市场。

3）SOC技术，正在把射频电路、模拟及数字电路集成在一起，已推出具备RF、模拟、数字、嵌入式存储和扫描等综合能力及优良片上探针台结构，可与片上探针台方便接口的ATE（自动测试设备），同时，这种ATE的测试工作还可与设计工作很好地结合。目前，能提供此类设备的厂商有Agilent、Teradyne、LTX等。Agilent公司的AgilentCon—nectionManager可与各种RFDE无线测试基准一起使用，可在开发周期的早期进行系统验证。这也是测试系统未来的重要发展方向。

4、传统的金属陶瓷封装转向低成本塑料封装

封装所涉及的典型技术课题有组装技术、互连技术与包封技术。由于RF电路的工作频率高，RF封装需要考虑的因素很多。

由于引线键合发展较早，工艺简单成熟，目前它在RF产品中仍占主导地位，但引线丝较大的电感将限制其在更高频段下的应用。倒装焊技术具有较短的导电路径，电阻小，寄生效应也小，与表面安装技术兼容等；焊球阵列焊接技术具有自对准特性，封装成品率高，它们在RF封装中也都占有重要地位。

在低频下，倒装焊和引线键合两种互连的电学性能相差不多。但应用在射频范围时，两者便出现数量级的差异。利用近似计算或电磁场模拟结果显示，如果管芯引出端数较高时，引线带来的互感高，单个凸点电学性能好，距离大的面阵列凸点倒装焊技术的优势更明显。但一些特殊结构芯片可能给凸点的制作带来困难，需要针对整个系统综合考虑。在射频条件下，电磁波不但在导线中传播，同时也在周围的电介质中传播，会对信号造成一定的损耗和干扰。因此，对RF系统中应用的基板材料、互连材料以及封壳材料等，必须慎重选择。

在RF封装中，通常采用损耗较低的低温共烧陶瓷（LTCC）作为封装基板；在封装中也须注意互连材料的选用，不同种类凸点将造成电阻值、寄生电感、寄生电容以及互感的很大差异。

在组装或封装形式方面，SiP封装由于可缩短连线距离，减小寄生效应，提高系统的集成度和电性能，成本也相对较低，所以它是近年来的主流RF封装技术。2004年，皇家飞利浦电子公司采用这种RF封装技术，使PCB上RF单元的器件数比传统封装产品的器件数减少了35个，高度集成RF接收／发射机的封装面积不到2．50cm2。这种RFSiP技术，比业内最好的同类产品体积小30％，比业内具有先进RF功能的普通产品的体积小50％；同时，还能为系统制造商节约成本。

另外，美国Tessera科技公司还推出了一种柔性底板的立体封装技术（肚ZFold—Over），可将RF前端部分集成于一个封装中。该技术实际上是将半导体芯片与柔性底板的一部分相接合，然后将多余的柔性底板折叠起来。在柔性薄膜中事先嵌人布线，然后利用焊锡球与半导体芯片相接合。该方法不仅可以在封装内集成多个半导体芯片，而且在柔性底板上还可以层叠其他的封装器件。

皇家飞利浦公司推出的RF应用的超薄无铅封装技术，采用特殊的基板和专用蚀刻工艺，封装面积很小，几乎是大部分同类含铅和无铅封装产品的二分之一。这种超薄无铅封装（UTLP）技术不仅封装面积小，而且电阻小、热阻低，对湿度的敏感低，有良好的降噪性能，非常适合高达24GHz的高频应用。

在包封方面，金属陶瓷封装一直是RF器件采用的主要封装形式。基于成本因素，民用RFIC已大量采用塑料封装。杰尔系统公司推出一种射频超模压无铅塑料封装，可使封装成本下降25％。

总之，多层陶瓷／倒装焊封装技术高频性能优良，但成本高昂，适合应用于高性能但成本因素可降到次要地位的场合；有机材料衬底的塑料封装性价比高，适用于最计较成本因素的场合。出于成本与价格压力的考虑，整个RF行业的多数器件供货商正转向使用塑料封装。

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