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Discutir la innovación futura de los dispositivos de RF (diseño, proceso y materiales).

Fecha de lanzamiento: 2021-12-28Fuente del autor: KinghelmVistas: 500

 ¿Existe sólo una forma para que los dispositivos de RF innoven en materiales?  Por supuesto que no.  Aparte de las cuestiones profesionales, siempre que se considere que algo tiene un solo camino por recorrer, esta visión es digna de nuestro cuestionamiento y discusión.  ¿Entonces También podríamos discutir la futura innovación de los dispositivos de RF.

 
           

Descripción general de los dispositivos de RF

 El dispositivo RF es el núcleo de la conexión inalámbrica y la parte básica para realizar la transmisión y recepción de señales.  Los dispositivos de RF incluyen interruptor de RF y LNA, PA de RF, filtro, sintonizador de antena y FEM de onda milimétrica. Entre ellos, los filtros representan aproximadamente el 50% del mercado de dispositivos de RF, los RF PA representan aproximadamente el 30%, los conmutadores de RF y LNA representan aproximadamente el 10% y otros representan aproximadamente el 10%.  Se puede ver que el filtro y el PA son partes importantes de los dispositivos de RF. PA es responsable de la amplificación de la señal del canal de transmisión y el filtro es responsable de filtrar la señal recibida del transmisor.  En la actualidad, los principales mercados de dispositivos RF son los siguientes:  Mercado de teléfonos móviles y módulos de comunicación, que representa alrededor del 80%;  mercado de enrutadores WiFi, que representa alrededor del 9%;  Mercado de estaciones base de comunicaciones, que representa alrededor del 9%;  Mercado NB IOT, que representa alrededor del 2%.  Hoy en día, con la creciente madurez de la tecnología 5g, la tendencia de comercialización se está acelerando.  5g debe admitir nuevas bandas de frecuencia y sistemas de comunicación. Como núcleo de la conexión inalámbrica, los dispositivos centrales como filtros, amplificadores de potencia, interruptores, antenas y sintonizadores en el front-end de RF se han convertido en la tobera del mercado actual.  Los analistas predicen que para 2023, se espera que la escala del mercado de front-end de RF supere los 35.2 millones de dólares, con una tasa de crecimiento compuesto anual del 14%.  El mercado de rápido crecimiento brinda oportunidades a la industria. Constantemente surgen nuevas empresas de RF. Los fabricantes nacionales de RF se han convertido en el objetivo de muchos fabricantes de construir su propia cadena de suministro de RF. Sin embargo, si se analiza la situación actual, la brecha sigue siendo obvia.  Centrándonos en el mercado nacional, con los esfuerzos conjuntos de los fabricantes locales de RF, la tasa de reemplazo de los dispositivos 2G RF llega al 95%, la de 3G es del 85% y la de 4G es solo del 15%, mientras que la de 5g RF es básicamente cero.  
 
 
       

   Los fabricantes nacionales de dispositivos de RF son los siguientes:  Fabricante de filtros  
  • Fabricantes nacionales de filtros de sierra:gooden comunicarse, 26 Instituto yMai Jie, integración de San'an, Instituto 55;
  • Fabricante nacional de filtro BAW:Norte de Tianjin, comunicación Xiamen Kaiyuan, Suzhou hantianxia
Principales fabricantes de 4G pa  
  • Núcleo Vijet:Los envíos de 4G PA son los más grandes de China y se han integrado con loda
  • Loda:Adquirido por MTK y vendido según la plataforma MTK.
  • Línea de productos Zhanrui RF:Ventas basadas en plataforma Spreadtrum.
  • Huizhiwei:Confíe en la innovación de la arquitectura SOI para lograr un bajo costo.
  • Angruiwei:3G PA es el principal proveedor y algunos clientes de 4G lo adoptan.
  • Tecnología Feixiang:La base de clientes es buena.
Principales fabricantes nacionales de PA 3G  
  • Loda:La base de clientes es buena, el precio es elevado.
  • Angruiwei:El costo de PA es bajo y el rendimiento es bueno a través del proceso CMOS. Es el principal proveedor de PA 3G del mercado.
  • Tecnología Feixiang:El envío principal es el proyecto Reliance en India.
  • Línea de productos Zhanrui RF:No hay muchos envíos, principalmente el proyecto de dependencia de la India.
Principales fabricantes de WiFi doméstico PA/FEM:    
  • Electrónica de producto vertical:Las empresas que cotizan en Taiwán, con envíos aceptables, han erosionado gradualmente el mercado del cielo.
  • Electrónica Kangxi:En 2018 se lanzaron los productos y algunos clientes comenzaron a importarlos. En la actualidad, el volumen de envío es pequeño.
  • Línea de productos Zhanrui RF:La producción y el envío en masa comenzaron en 2018, y varios clientes importantes de Netcom han sido importados a Huawei.
  • Sanwuwei:Fundada en 2018, se centra en WiFi PA/FEM, y sus productos se encuentran en etapa de I+D.
Principales fabricantes de interruptores nacionales:  
  • Zhuo Shengwei:El mayor proveedor de interruptores de China.
  • Línea de productos Zhanrui RF:También es un proveedor de Samsung, que representa solo una pequeña parte, y la cantidad total de envíos de conmutadores es general.
  • Electrónica de producto vertical:Los interruptores se produjeron y enviaron en masa en 2018, con un cierto volumen de envío.
Además, los fabricantes nacionales pueden realizar la prueba de fabricación y sellado de dispositivos de RF.  La cadena de la industria nacional de chips de RF ha sido básicamente madura y se ha formado una cadena industrial completa desde el diseño hasta el OEM de obleas y luego hasta el embalaje y las pruebas.  Sin embargo, en términos de competitividad internacional, el nivel de diseño de RF nacional todavía se encuentra en el extremo medio y bajo. Todavía existe una gran brecha en las ventas y la participación de mercado entre los fabricantes de dispositivos de RF mencionados anteriormente y los grandes fabricantes internacionales.  Se puede observar que los fabricantes nacionales todavía se encuentran en la etapa inicial y todavía hay mucho margen de crecimiento.  


 En contraste con la distribución del mercado de la industria internacional de RF, según las estadísticas de las instituciones pertinentes, el 80% de la cuota de mercado global de filtros SAW está ocupada por Murata (productos de filtrado típicos:  SF2433D、SF2038C-1、SF2037C-1Tdkqualcomm rf360 (productos de filtro típicos:  DEA162690LT-5057C1、DEA165150HT-8025C2、DEA252593BT-2074A3)Taiyo Yuden (dispositivo de RF:  D5DA737M5K2H2-Z、AH212M245001-TEtc.), los filtros BAW aplicados en 4G/5G ocupan el 95% del espacio de mercado por Broadcom y qorvo, y más del 90% del mercado global de chips PA se concentra en skyworks, qorvo y Broadcom.  Además de ocupar la mayor parte del mercado, los fabricantes de RF mencionados anteriormente básicamente han completado el diseño de toda la línea de productos frontales de RF, tienen una cadena de fabricación y empaquetado especial y consolidan sus grandes ventajas en capacidad de diseño, rendimiento del producto y control de capacidad. con modo IDM.  Al mismo tiempo, la reserva de tecnología de patentes también brinda a los gigantes de RF un foso más amplio, lo que dificulta que los recién llegados lo superen en el corto plazo.
 


   

Retos e innovaciones de los dispositivos RF.


Durante la evolución de 4G a 5G, la complejidad de los dispositivos de RF está aumentando gradualmente, y los productos sufrirán cambios progresivos en diseño, proceso y materiales.  Al mismo tiempo, la interfaz de RF todavía enfrenta muchos problemas técnicos, como el consumo de energía, el tamaño, la cantidad de antenas, el diseño del chip, la deriva de temperatura, la interferencia de la señal, la coexistencia armoniosa de diferentes tipos de señales, etc.  Cómo resolver estos problemas se ha convertido en el foco de la industria y la innovación de los dispositivos de RF.  Con el desarrollo de materiales semiconductores, la mejora del consumo de energía, la eficiencia, los problemas de calentamiento y el tamaño gracias a la sustitución de materiales de RF como Si, GaAs y GaN y materiales de sustrato de embalaje como cerámica y vidrio es, naturalmente, una innovación importante para el desarrollo. de dispositivos de RF.  Pero además de la innovación material, ¿cuáles son las formas innovadoras de los dispositivos de RF?  
 


 
 proceso de fabricación  En la actualidad los principales procesos implicados en los dispositivos RF son GaAs, SOI, CMOS, SiGe, etc.  GaAs:  GaAs tiene una buena tasa de migración de electrones y es adecuado para circuitos de alta frecuencia con largas distancias y largos tiempos de comunicación.  Debido a que la tasa de movilidad electrónica de los componentes de GaAs es mucho mayor que la del Si, se adoptan procesos especiales. En la etapa inicial, era el transistor de efecto de campo semiconductor metálico MESFET, y luego evolucionó a HEMT (transistor de alta movilidad de electrones), PHEMT (transistor de alta movilidad de electrones con tensión de interfaz) y ahora es HBT (transistor de doble portador de heterounión).  El modo de producción de GaAs es muy diferente del modo tradicional de producción de obleas de silicio. El GaAs debe fabricarse mediante tecnología epitaxial. El diámetro de esta oblea epitaxial suele ser de 4 a 6 pulgadas, que es mucho más pequeño que 12 pulgadas de una oblea de silicio.  Las obleas epitaxiales necesitan máquinas especiales. Al mismo tiempo, el costo de las materias primas de GaAs es mucho más alto que el del silicio, lo que eventualmente conduce a un alto costo de los circuitos integrados de GaAs terminados;  ASIQUE:  La ventaja del proceso SOI es que puede integrar funciones lógicas y de control sin chips de control adicionales;  CMOS:  La ventaja de la tecnología CMOS es que puede integrar RF, frecuencia fundamental y componentes de memoria en uno, y al mismo tiempo reducir el costo de los componentes;  SiG:  En los últimos años, SiGe se ha convertido en una de las tecnologías de procesos de circuitos integrados de comunicaciones inalámbricas más valoradas.  Según las características del material, SiGe tiene buenas características de alta frecuencia, buena seguridad del material, buena conductividad térmica, proceso maduro, alta integración y bajo costo.  SiGe no solo tiene las ventajas de integración, rendimiento y costo del proceso de silicio, sino que también tiene las ventajas de velocidad de los semiconductores de clase 3 a 5, como el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de indio (INP).  Siempre que se agreguen laminaciones metálicas y dieléctricas para reducir la capacitancia y la inductancia parásitas, la tecnología de semiconductores SiGe se puede utilizar para integrar componentes pasivos de alta calidad.  El proceso SiGe es compatible con casi todas las nuevas tecnologías de proceso en semiconductores de silicio VLSI, que es la tendencia en el futuro.  Sin embargo, SiGe necesita seguir trabajando en la tensión de ruptura, la frecuencia de corte y la potencia para poder sustituir el GaAs.  Los procesos utilizados para RF PA son GaAs, SOI, CMOS y SiGe respectivamente;  El interruptor de RF adopta tecnología SOI y GaAs;  Los procesos adoptados por LTE LNA son principalmente SOI y CMOS.  En la era 5G, los materiales y tecnologías de los componentes de RF pueden cambiar en las etapas de ondas milimétricas y por debajo de 6 GHz.  SOI puede convertirse en una tecnología importante, con potencial para fabricar una variedad de componentes, y conduce a una integración posterior.  



     Resolver problemas de antena  Tomando como ejemplo los teléfonos móviles, debido a los requisitos especiales de la tecnología 5g, 5g requiere una mayor velocidad de datos y más antenas desde la perspectiva de la arquitectura del sistema de teléfonos inteligentes.  Estas antenas incluyen agregación de portadoras multibanda, 4x4 MIMO y Wi Fi MIMO.  Esto plantea desafíos en la sintonización de antenas, la linealidad del amplificador y el consumo de energía, y otras interferencias del sistema.  Al mismo tiempo, el número de antenas aumenta, dejando cada vez menos espacio para las antenas.  Por lo tanto, los fabricantes de RF pueden compartir una antena para canales de RF como GPS, WiFi, if, HF y UHF, lo que puede reducir la cantidad de antenas y ahorrar espacio.  En la actualidad, el esquema convencional y maduro de antena de onda milimétrica es el diseño modular de AIP (antena en paquete). El esquema AIP tiene principalmente la ventaja de una baja pérdida de trayectoria porque su RFIC está cerca de un conjunto de antenas de ondas milimétricas. Por lo tanto, el esquema AIP ha sido profundamente estudiado y diseñado por muchos académicos y expertos.  En la actualidad, la tecnología de antenas encapsuladas AIP se está desarrollando siguiendo dos caminos técnicos.  Una se llama tecnología de antena encapsulada en abanico (fo-aip) y la otra se llama tecnología de antena encapsulada con chip invertido (fc-aip).  La diferencia entre ambos es que uno tiene sustrato y el otro no tiene sustrato.  


 Grado de integración  En el futuro, los dispositivos de RF, como los filtros, se miniaturizarán, mejorarán y combinarán.  Al igual que el 4G hace diez años, la conexión LTE se basa en la tecnología 3G existente;  La función 5g inicial se realizó agregando un conjunto de chips independiente al diseño LTE existente, lo que significa que los componentes 5g están básicamente atornillados al diseño del teléfono inteligente en lugar de integrados en el conjunto de chips central, pero tiene un cierto impacto en el tamaño del chip, el rendimiento y el consumo de energía.  Por ejemplo, un módem 5g monomodo, un transceptor RF 5g y un front-end RF 5g de banda única, que son independientes del enlace LTE RF existente.  Este diseño de módem 5g de primera generación también requiere componentes de soporte adicionales.  Por lo tanto, con la madurez de la industria, mejorar la integración de dispositivos de RF es una dirección de desarrollo inevitable. La industria esperará una mayor optimización del diseño de circuitos centrales.  Una arquitectura de RF compacta y altamente integrada que admita sub 6GHz y banda milimétrica 5g en un solo dispositivo se convertirá en la expectativa de la gente.     



   Modo de embalaje  En la era 5g, los fabricantes de RF prestan más atención a la innovación en el embalaje de las soluciones frontales de RF, como una disposición más ajustada de los componentes, montaje de doble cara, blindaje conformado/zonificado, SMT de alta precisión/alta velocidad, etc.  La banda de frecuencia de 5g se divide en onda milimétrica y sub-6g. Cuanto mayor sea la banda de frecuencia, mayores serán los requisitos para los envases miniaturizados. A través de nuevas formas de empaque, se logra gradualmente la miniaturización, la producción en masa, el bajo costo, la alta precisión y la integración del empaque de dispositivos.  Para integrar elementos de antena y componentes de RF para comunicaciones móviles 5g, se proponen en el mercado una variedad de soluciones de empaquetado con diferentes arquitecturas.  Según el costo y la cadena de suministro madura, el paquete WLP/PLP en abanico se beneficia de un alto rendimiento de señal, bajas pérdidas y un tamaño total reducido. Es una solución de integración AIP prometedora, pero requiere una capa de recableado de doble cara (RDL).  Con la excepción de unos pocos fabricantes, la mayoría de los OSATS no están preparados para utilizar esta tecnología en la fabricación a gran escala.  En la parte del empaque a nivel de sistema (SIP), se divide en el empaque primario de varios dispositivos de RF, como filtros, interruptores y amplificadores de nivel de chip/oblea, y el empaque SIP secundario en la etapa de montaje en superficie (SMT), en el que se encuentran varios dispositivos. se ensamblan en el sustrato SIP junto con dispositivos pasivos.  SIP proporciona el tamaño pequeño requerido, una ruta de señal más corta y una menor pérdida.  Al mismo tiempo, a medida que las funciones en aumento tienen mayores requisitos de integración, el mercado también plantea más requisitos para los métodos de empaquetado SIP.  Se puede observar que en los últimos años existen muchas investigaciones sobre la solución ideal de empaquetamiento de dispositivos de RF, que apuestan por buscar un equilibrio entre costo, volumen y requisitos de rendimiento. También será una de las formas innovadoras de dispositivos de RF en el futuro.

 
 
 

epílogo

La búsqueda y sustitución de dispositivos de RF requiere que los fabricantes nacionales tengan la determinación y la perseverancia de "sentarse en el banquillo", y también requiere que el gobierno y las instituciones de inversión den más paciencia a las empresas. Bajo la tendencia general de 5g e Internet de las cosas, aprovechar los avances de los dispositivos de RF en nuevos diseños, nuevos procesos, nuevos materiales y nuevos empaques, y aprovechar la oportunidad del mercado para ponerse al día en innovación continua.  

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