半导体行业观察5G RF前端对先进封装技术的依赖超乎想象

在智能手机电子设计领域， 5G RF前端（RFFE）复杂功能的出现对系统设计提出了一系列新挑战。在智能手机的有限空间内，对多个5G频率、TDD和FDD的需求，甚至多个毫米波天线模块的需求，都促使业界寻求解决方案，以解决这种复杂性问题。
5G设计中应用的主要技术不仅专注在最基础的硅芯片上，还关注封装和组件致密化的进步。在这里，我们分析一下具有代表性的第二代5G智能手机，以观察RF组件行业在多大程度上依靠5G RFFE的高级封装和组件集成。

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三星Galaxy S20系列代表了最新、最复杂的5G RF前端设计。射频不仅支持传统的2G / 3G / 4G ，而且还支持6 GHz以下和毫米波5G 。上面的插图显示了位置多样性几乎遍及设备内几乎所有主要PCB的情况下，射频组件的流行程度。
集成的功率放大器模块是在深入研究了调制解调器和RF收发器之后的主要RFFE组件，展示了后期5G设计的RF致密程度和复杂性。高通X55调制解调器在这里开放了FDD 5G支持，因为全球运营商以低频段提供必要的信号覆盖范围来大规模部署5G 。低频段PAMiD（具有集成双工器的功率放大器模块）对于5G Galaxy S20是必不可少的，但是这种特殊的Skyworks PAMiD也可以像LTE PAMiD一样承担双重职责。通过增加对n71 / n5 / n26（5G）的低频带支持， Skyworks PAMiD几乎囊括了所有可能的低频带组合。
下面的X射线和化学解封装照片重点介绍了支持低频带连接所需的各种5G / 4G RF组件；天线开关，滤波器（SAW），双工器（用于FDD）和功率放大器（上行链路）。由于先进的封装和缩小的硅工艺，与以前的类似尺寸封装相比， Skyworks PAMiD现在支持的低频范围更多。如果设计是离散的，那么这种进步水平是控制5G RFFE失控复杂性的关键，从而造成许多故障点。 RFFE的模块化是下一代无线技术的关键。

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此外，中高频段LTE的PAMiD在5G设计中将LTE部分模块化至关重要。由于大多数5G部署都是基于NSA的，因此存在锚定LTE信号至关重要。在三星Galaxy S20中发现了来自Qorvo的中高频段PAMiD 。

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5G的真正好处最终会在越来越高的频率下实现。在这里，我们有适用于Galaxy S20的TDD频段n41（2.5GHz）的Qualcomm QPM6585 PAMiF（具有集成滤波器的功率放大器模块）。 n41频段支持北美市场，实际上被认为是“中高频段”频率。全球大多数5G部署都处于n78（3.5GHz）的超高频段（UHB）频率。由于5G提供了更大的带宽覆盖范围，因此需要单独的PAMiF 。

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到目前为止，我们已经研究了Sub-6GHz 5G / 4G RFFE组件。随着5G的成熟，预计将需要毫米波频率（24GHz或更高）来继续满足对无线宽带和容量不断增长的需求。在新一代Samsung Galaxy S20 Ultra 5G智能手机中，除Sub-6 GHz的RFFE外还包括mmWave天线模块。与Sub-6 GHz的RFFE相比， mmWave天线模块是RFFE系统集成的终极产品。三星内部的Qualcomm QTM525天线模块包含从相控阵天线一直到RF收发器的所有内容。高集成度的原因与mmWave衰减的性质有关。因此，要捕获这些非常微弱的信号，必须缩短整个mmWave RFFE链，以确保连接链路预算内的信号完整性。