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硅基氮化镓如何改变5G射频前端生态

时间:2019-04-18 作者:邵乐峰 阅读:
2016年,MACOM宣布战略性放弃SiC基氮化镓产品,将战略方向转移至研发基于硅衬底的高功率氮化镓(GaN)技术。3年过去了,MACOM无线产品中心资深总监成钢日前在接受采访时表示,硅基氮化镓(GaN-on-Si)相比于横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术的性能优势在4G LTE基站中已经得到了充分验证,将是最适合5G无线基础设施的实际促进技术。未来十年,氮化镓市场规模有望突破10亿美元。
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2016年,MACOM宣布战略性放弃SiC基氮化镓产品,将战略方向转移至研发基于硅衬底的高功率氮化镓(GaN)技术。3年过去了,MACOM无线产品中心资深总监成钢日前在接受本刊采访时表示,硅基氮化镓(GaN-on-Si)相比于横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术的性能优势在4G LTE基站中已经得到了充分验证,将是最适合5G无线基础设施的实际促进技术。未来十年,氮化镓市场规模有望突破10亿美元。pxEEETC-电子工程专辑

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MACOM无线产品中心资深总监成钢pxEEETC-电子工程专辑

硅基氮化镓的市场潜力pxEEETC-电子工程专辑

十年来,LDMOS一直是射频半导体市场的主导技术。但如今,这种平衡很有可能由于硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术的出现而被打破。pxEEETC-电子工程专辑

硅基氮化镓器件工艺能量密度高、可靠性高,其原始功率密度比当前LDMOS技术的原始功率密度高百分之十。晶圆直径可以从目前的8英寸提升至12英寸,晶圆长度可以拉长至2米。同时,硅基氮化镓器件还具有击穿电压高、导通电阻低、开关速度快、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势。理论上相同击穿电压与导通电阻下的芯片面积仅为硅的千分之一,目前能做到十分之一。pxEEETC-电子工程专辑

与LDMOS相比,硅基氮化镓可提供超过70%的功率效率,将每单位面积的功率提高4-6倍,并且可扩展至高频率。这意味着,氮化镓裸片尺寸将只有LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。同时,综合测试数据已证实,硅基氮化镓符合严格的可靠性要求,其射频性能和可靠性可媲美甚至超越昂贵的碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)替代技术。pxEEETC-电子工程专辑

成钢认为,这种高效率优势对于即将商用的5G基站系统来说尤为重要,尤其适用于3D-MIMO天线系统。pxEEETC-电子工程专辑

众所周知,由于大规模MIMO天线配置的密度很大(单个5G基站中可扩展超过256个发射和接收元件),可用的PCB空间极为珍贵,特别是在较高频率下。为了应对这一挑战,目前业界正在用多功能MMIC取代5G基站设计中的分立IC和单功能MMIC。pxEEETC-电子工程专辑

“越来越多的客户开始倾向于在设计中采用高集成度射频前端模块搭配天线的方式。也就是说,在这样一个独立的射频单元中,会包含发射/接收通道、无源隔离器、开关、电源管理IC等多个器件,从而大幅提升效率,降低部署成本。”他说。pxEEETC-电子工程专辑

采用硅基底的另外一个优势,则是能够帮助用户在单芯片上同质集成氮化镓器件和CMOS器件,这为多功能数字辅助射频MMIC集成片上数字控制和校准以及片上配电网络等奠定了基础。pxEEETC-电子工程专辑

而在5G小基站的布局方面,随着国内3.5GHz/4.9GHz频段的提出,小基站要想承担起热点覆盖的职责,提高单机发射功率势在必行。成钢表示,对于具备1W以上功率放大器的小基站来说,其峰值功率将达到10-15瓦,这一数值对于砷化镓器件来说已经达到了极致,但对于功率半导体器件而言则完全没有问题。考虑到相比传统蜂窝基站,小基站实现全覆盖的时间节点会晚1-3年,所以MACOM的策略是先向用户提供方案进行验证,时机一旦成熟,便可大规模量产出货。pxEEETC-电子工程专辑

MACOM前进到哪里?pxEEETC-电子工程专辑

在MACOM的产品路线图上,硅基氮化镓产品已经发展到第四代。例如全新的MAMG-100227-010 PA模块利用MACOM的高性能硅基氮化镓实现225-2600 MHz极宽频带、10W连续波输出功率、高达40%的典型功率附加效率(PAE)、22dB典型功率增益,以及高达36V的工作电压(典型值28V)。采用带有集成镀金铜散热器的14x18mm紧凑型气穴层压封装,可以避免PA架构不匹配的情况,因此无需额外的组件和PCB空间。此外,其顶端和底端安装可配置性有助于提升PA模块的安装灵活性和散热敏捷性。pxEEETC-电子工程专辑

成钢说,就半导体器件层面而言,第四代硅基氮化镓(Gen4 GaN)的定位非常明确,就是要作为LDMOS的替代者来服务于5G基站的部署,尤其是对于3.5GHz及以上频率。如果加以适当利用,它与LDMOS器件之间的频效差量能够在系统层面上对商业5G应用产生巨大影响,特别是对于多封装层需要专门解决高温问题的解决方案更是如此。pxEEETC-电子工程专辑

此外,基于氮化镓的功放与基于LDMOS的器件相比,支持的带宽更宽,因而减少了覆盖5G基站内主要手机频段所需的部件数量。运营商可借助第四代氮化镓技术实现高带宽和高频率,进而能够灵活地实现更广泛的载波聚合频带。pxEEETC-电子工程专辑

按照MACOM方面的估算,未来,5G基站的部署规模会是当前4G基站的1.5-2倍,单基站射频通道数量也会由当前的4/8通道上升至64通道以上,在这种倍乘关系下,射频器件的需求量将会达到目前的60倍以上。因此,能否在出货量方面赶上当前仍然占据优势的LDMOS器件,是硅基氮化镓面临的挑战之一。pxEEETC-电子工程专辑

为此,2018年2月,MACOM与ST就硅基氮化镓晶圆的开发达成一项协议,即由ST负责生产,供MACOM在各种射频应用中使用。在扩大MACOM供应来源的同时,该协议还赋予ST针对手机、无线基站和相关商业电信基础设施应用以外的射频市场生产及销售其自己的硅基氮化镓产品的权利。pxEEETC-电子工程专辑

通过这项协议,MACOM有望提高硅晶圆生产能力、改进成本结构以取代现有的硅LDMOS技术,还可加速硅基氮化镓在主流市场的普及。ST和MACOM已合作多年,一直在ST的CMOS晶圆厂生产硅基氮化镓。按照目前的计划,ST的样片生产已经于2018年开始。pxEEETC-电子工程专辑

除基站外,MACOM还准备将硅基氮化镓产品推向微波炉、咖啡加热机、汽车点火器、射频照明(RF lighting)等射频能量(RF Energy)市场。例如在微波炉中取代磁控管,MACOM目前已经可以利用该芯片提供300瓦的连续功率输出,并使得加热部分做到信用卡大小。成钢表示。此外,在汽车点火器中,采用硅基氮化镓替代其中的LDMOS,将可以节约15%的能量;在医学中利用微波进行手术,可对患者肿瘤进行精准的射频消融。pxEEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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