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          無線通信系統呼喚無源和有源器件的集成

          2015-07-06

          無線通信系統要求無源器件具有更小的占板空間和更強的功能,這使得無源元件供應商面臨的壓力也與日俱增。為了滿足這一需求,無源元件供應商開發出新的藍牙、射頻(RF)及DC/DC轉換器模塊,將無源和有源元件集成到一個完整的封裝中。


          通過這種集成,可有效降低產品尺寸、減少成本、增強可靠性。AVX 公司的應用工程經理Ron Demcko稱,采用這些模塊后,設計者可降低生產成本、提高產品合格率、增加產量并優化電氣響應特性。


          當然,模塊化產品也存在一些不足。這種集成同時也限制了設計靈活性,而且還必須解決靜電放電敏感性、散熱等技術問題,并要考慮不同材料間不同的介電常數和收縮率。


          無源元件集成呼聲由來已久,從前幾代產品開始,無源元件供應商便努力將封裝尺寸降低到0402和0201。當時“無源元件集成”的定義主要針對電容、電阻及阻容陣列。毫無疑問,倒裝芯片及芯片級封裝(CSP)的出現節省了板上空間。


          無源元件集成的下一步則針對濾波及電磁輻射(EMI)抑制器件,這些器件通常在單一封裝里集成了電容器和電感器。例如,AVX的饋電電容器結合了電感器和電容器,在單一電路內實現濾波功能。AVX用于RF產品的薄膜諧波低通濾波器也將電容器和電感器集成到單一封裝中。


          California Micro Devices (CMD)公司則進一步將兩個功能,如ESD和EMI濾波元件集成到一個芯片級封裝中。該公司的專用集成無源器件主要針對消費類移動產品、個人數字助理(PDA)及無線手機??蓾M足各種音頻、數據口、鍵盤、LCD及USB應用中不同的EMI濾波及ESD保護要求。CMD推出的CSPEMI306A產品,將30個元件(12個電容器、12個ESD二極管和6個電阻器)集成到單芯片中,以進行數據口和USB口應用中高達±15KV的EMI濾波和ESD保護。該公司稱,這一芯片設計用于保護數據口并濾掉其它無用頻率。


          盡管如此,無線系統制造商,尤其是那些設計藍牙產品、手機和PDA的公司,還希望元件尺寸能進一步縮小。元件生產商對此倍感壓力,他們必須生產出外形尺寸小、功能強大同時成本低的產品。通常的做法是將有源和無源元件一起集成到單芯片或模塊中。這一改進的最大好處是節省了占板空間。同時這些高集成度器件也使得設計者得以縮短設計周期、減少元件數、降低購買總成本并增加產品功能。


          多數集成模塊設計用于藍牙產品、手機和PDA。它們通常采用低溫煅燒陶瓷(LTCC)和薄膜技術,將各種無源元件與半導體集成在一起。村田電子北美公司和Taiyo Yuden公司等推出和改進的藍牙模塊中便采用了這種方法。


          村田推出的一種藍牙模塊,在一個表面貼裝陶瓷芯片上集成了約60個器件,包括無源元件及IC。采用LTCC技術,將無源元件和相關電路嵌入芯片的基底中,從而不用在印制電路板上安裝IC及無源元件、存儲器等支持元件和匹配部件。該模塊包含了一個功率放大器、低噪音放大器、帶通濾波器、不對稱變壓器、無源器件、開關二極管、閃存及晶振,所占空間僅為14.5×11.9×2.3 mm。這一模塊可用于手機、鍵盤、筆記本電腦、PDA和無線打印機,村田市場部經理Scott Kettke稱,它減少了庫存采購及運輸成本、降低了板上占用空間并使得設計者可集中于其核心功能開發。


          Klettke說,盡管核心功能開發的成本很難降低,不過模塊化設計的確比離散設計節約一些成本。此外,對于多數并不自行設計生產RF模塊的OEM廠商來說,他們無需花費時間精力去研究某種以前不懂的技術。Klettke指出,許多手機生產商主要關注于產品的功能,如是否具有上網功能?是否可以下載視頻流?這些才是其核心競爭力,而RF設計則可以交給元件生產商來完成。


          Taiyo美國研發中心業務開發董事Mike Tanahashi說,手機的小型化推動了模塊的發展。Taiyo推出一種用于手機和PDA等藍牙無線通信產品的超小型RF模塊。這款產品尺寸僅為7×7 ×1.8mm,是業界最小的藍牙RF模塊,它的功率比其它藍牙模塊的1/3還小。該模塊已于6月份開始量產。與村田類似,Taiyo也采用了LTCC基底來嵌入電容器、濾波器及電感器,并采用倒裝芯片技術來進行半導體的安裝。該模塊集成了一個Silicon Wave RF芯片組,以提供與藍牙1.1兼容的二級(最大4dBm)輸出。該模塊設計了多種工作時鐘頻率,為設計者提供了極大的靈活性。這使它可使用已有的應用頻率而不用改變頻率來迎合模塊要求。


          同時,Taiyo還與無線及工程服務公司Stonestreet One簽署了一項授權協議,將藍牙技術協議堆棧Bluetopia嵌入評估工具套件中,用來測試Taiyo的藍牙模塊。


          另一方面,元件巨頭Vishay國際公司正忙于解決手機、數字相機、筆記本電腦及其它器件的DC/DC同步轉換問題。Vishay聲稱它的FunctionPAK轉換器可在單一BGA/LGA封裝中提供完整的電路功能,而該封裝尺寸僅為14.7×12.2×1.8mm。通常一個同步DC/DC轉換電路需要約20個元件,包括若干無源元件。Vishay這種多芯片模塊減少了占板空間,并將效率提高到95%,同時無需外部元件。


          Vishay的FunctionPAK模塊最近新增了一款10瓦、3安培的DC/DC降壓轉換器。它將功率密度提高到380瓦/立方英寸,輸入電壓為2.7V-6V,輸出電壓為1.8V-3.3V,并帶有編程脈沖寬度調制和PSM控制。該轉換器工作溫度范圍為-40℃到85℃??蓱糜陔姵貍溆秒娫?、相機、無繩電話、PDA和便攜式PC。DC/DC轉換器通常用于鋰電池和鎳氫電池等充電電池中。


          Vishay的CEO助理兼高級營銷副總裁Glyndwr Smith 稱,盡管FunctionPAK可以節省占板空間、簡化產品開發、加速上市時間并降低元件數、庫存及安裝成本,但模塊集成度并非無線通信中的萬金藥。


          許多元件生產商表示,由于采用模塊設計,工程師的設計靈活性受到影響。如果將所有的電路功能集中在一塊芯片中,設計者就不容易對電路進行改動或改變芯片組的參數。Smith說:“這成了固定設計?!?/p>


          AVX的Demcko也指出,模塊設計使輻射問題變得困難,如果在離散設計中,只需改變阻值便可做到。


          Demcko說,在某種情況下,ESD敏感性也會成為問題,尤其是元件生產商減少部件并將其集成在模塊中時。他說:“一旦業界意識到由于靜態放電引起損耗有多大時,它將成為頭號設計標準?!?/p>


          Taiyo的Tanahashi認為,他們面臨的困難是要處理各種具有不同介電常數的材料和收縮率。

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