Развитие 5G RF-дизайна: сочетание гибридного соединения и RFSOI для модулей фронтального тракта следующего поколения

С развитием 5G-технологий и их повсеместным распространением значительно возрастает число радиочастотных (RF) компонентов в смартфонах и других подключенных устройствах. Этот рост требует новых инженерных решений, которые позволят не только эффективно интегрировать дополнительные модули, но и сохранить компактность и энергоэффективность устройств. В ответ на эти вызовы производители полупроводниковых решений все чаще используют гибридные соединения в сочетании с технологией кремния на изоляторе (RFSOI).

Такой подход значительно оптимизирует проектирование модулей фронтального тракта (RFFE), делая их более производительными, устойчивыми к помехам и экономичными. Одним из главных преимуществ RFSOI-технологии является снижение паразитных потерь и повышение линейности сигналов, что особенно важно для высокочастотных и многодиапазонных 5G-устройств. Это позволяет не только улучшить качество связи и передачи данных, но и снизить энергопотребление, что критично для мобильных решений.

Благодаря такому инновационному подходу становится возможным создавать более компактные и функциональные устройства, включая смартфоны, носимые гаджеты, упакованные в сотовую крафт бумагу а также AR/VR-устройства, которые требуют высокой интеграции компонентов при минимальных габаритах. Таким образом, RFSOI играет ключевую роль в дальнейшем развитии 5G-инфраструктуры, обеспечивая повышенную производительность и стабильность соединения в современных мобильных и беспроводных технологиях.

Усложнение дизайна 5G RFFE

Переход от 4G к 5G привел к резкому увеличению площади, необходимой для радиочастотных полупроводниковых компонентов. По данным Yole Développement за 2022 год, флагманские 5G-смартфоны требуют в три раза больше RF-компонентов по сравнению с базовыми 4G-устройствами, при этом физические размеры мобильных устройств практически не изменились. Это приводит к сложностям с интеграцией компонентов, электромагнитными помехами и тепловым управлением, которые станут еще более значительными при переходе на 6G.

Гибридное соединение: прорыв в технологии 3D IC

Традиционные методы 3D-упаковки микросхем используют сквозные кремниевые переходы (TSV) и пайку на основе бамперов для вертикальной интеграции кристаллов. Гибридное соединение — это передовая технология 3D IC, которая устраняет необходимость в TSV и бамперах, обеспечивая более плотные межсоединения и компактную упаковку.

Для сравнения: при использовании стандартных методов упаковки высота финального пакета при укладке двух кристаллов может составлять от 1500 до 2000 мкм, что более чем в два раза превышает толщину одного пласта. Однако при применении гибридного соединения упаковка сохраняет первоначальную толщину пластины — около 750-770 мкм. Это позволяет повысить плотность интеграции без увеличения размеров, а также оптимизировать производственные процессы.

Одним из главных преимуществ гибридного соединения является упрощение производственного процесса. В традиционных методах перед сборкой пластины разделяются на отдельные кристаллы, что занимает много времени. Поскольку одна 12-дюймовая пластина RFSOI может содержать от 40 000 до 50 000 кристаллов, применение гибридного соединения до разделения пластин значительно сокращает время соединения и межсоединений, устраняя этапы TSV и пайки.

Уменьшение размера кристалла без потери RF-производительности

Технология RFSOI в основном применяется при производстве RF-микросхем, таких как малошумящие усилители (LNA), RF-коммутаторы и тюнеры антенн. Компания UMC, один из ведущих игроков в области полупроводникового производства, предлагает широкий ассортимент RFSOI-технологий от 130 нм до 40 нм. В своем 55-нм процессе RFSOI UMC внедрила технологию гибридного соединения, что позволило добиться сокращения площади кристалла на 45% по сравнению с традиционными схемами на печатных платах (PCB), сохраняя высоту упаковки практически идентичной толщине одной пластины.

Сохранение RF-производительности в многослойных структурах является важной задачей, однако решение UMC на основе гибридного соединения эффективно минимизирует помехи RF-сигнала. Согласно внутренним тестам, такие параметры, как изоляция сигнала, потери на вставку и гармоники коммутаторов, демонстрируют аналогичную производительность по сравнению с однослойными пластинами. Кроме того, пассивные компоненты (конденсаторы и индукторы), интегрированные с использованием этой технологии, показали сокращение площади на 45-47% без ухудшения RF-характеристик.

Для поддержки разработчиков UMC предлагает комплект процессорного дизайна (PDK), который позволяет моделировать работу микросхем, анализировать RF-помехи и оптимизировать проекты в популярных средах САПР (EDA) до начала производства.

Решение проблем теплоотведения и пассивных компонентов с помощью технологии UTM

Эффективный отвод тепла — еще один важный фактор в 3D-интеграции RF-компонентов. UMC использует технологию ультра-толстого металла (UTM), которая минимизирует тепловые колебания и улучшает стабильность RF-сигнала. Дополнительно пассивные компоненты, такие как конденсаторы, могут быть интегрированы непосредственно в структуру UTM, что снижает потребность во внешних элементах на PCB, экономя пространство и повышая производительность системы.

Будущее: гибридное соединение для интеграции RF-компонентов 6G

По мере развития отрасли в сторону 6G интеграция RF-компонентов будет продолжать усложняться. UMC уже работает над внедрением гибридного соединения в своем 40-нм процессе RFSOI, стремясь еще больше уменьшить размер микросхем без потери RF-производительности. Решая ключевые проблемы, такие как ограниченный форм-фактор, помехи сигналов и управление тепловыми нагрузками, гибридное соединение станет важным элементом в развитии беспроводных технологий нового поколения.

Благодаря достижениям в области гибридного соединения и RFSOI UMC готова удовлетворять растущие потребности рынка 5G и будущих стандартов связи, обеспечивая дальнейшее повышение эффективности и производительности модулей фронтального тракта RF.