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IPD在5G智慧手機的應用 [趨勢新知]
種類:其他公告  發布單位:技術處  發布日期:2021-08-18 10:50
作者:林松耀/工研院

一、IPD具備優良元件特性,滿足5G智慧手機通訊需求

隨著智慧手機通訊技術從4G往5G的持續進展,需支援的頻段越來愈多(包含5G新頻譜以及原本向下相容的4G頻段),使得射頻元件的數量呈倍數的增加(包含Filter、LNA、Switch、Tuner、PA等),而被動元件MLCC的顆數亦從約800顆提升至1,000顆左右,這些元件都必需組裝在限制大小的PCB板上,頻段則將提升至3-6GHz以及毫米波的28/39 GHz,此亦將衍生更多高頻傳輸損耗以及更多功耗與散熱等問題挑戰,因此,具備優良特性的IPD (Integrated Passive Devices)的元件,則成為可因應5G智慧手機在高頻通訊應用需求的關鍵零組件之一。

IPD元件的生產大多是採用半導體元件製程方式來生產,藉由在Si基板蝕刻出高深寬比的Trench結構,再蒸鍍上不同的金屬層材料與不同層別種類的配置,可製造出不同的被動元件產品,如在不相通的層別間蒸鍍Cu/ Al/ Cu等金屬材料,可生產出電感產品。

在5G智慧型手機的設計中,要在有限空間的PCB板上,放置高達上千顆的各式被動元件產品,不僅要面臨元件尺寸日益小型化的生產難度挑戰,更要面對PCB板子上SMT更高精密度鍵結製程的良率與風險控管,因此,具備尺寸小、薄型化特性的IPD,對於繁雜的PCB設計更可迎合其設計之考量。例如,相對於MLCC元件,IPD薄型化的元件厚度,可獲得更佳的阻抗連續性之表現,對於PCB板的走線性能亦能有更好的表現。由於IPD採用Si基板的元件結構,具有平坦性較佳的電極表面,在打線過程中能獲得更強的鍵結能力表現。

在5G通訊時代,高頻的介電損耗將扮演非常重要的關鍵因素,而IPD在1GHz的Dk為0.005,在10GHz的Dk為0.015,Dk的性能表現相當優異。另外,IPD在高頻時的等效串聯阻抗(ESR,Equivalent Series Resistance)以及等效串聯電感(ESL,Equivalent Series Inductance)的性能,亦都相對於MLCC元件的表現更為優異,以上特性對於在高頻的設計考量,都是非常重要且關鍵的要素。另外,由於5G通訊的損耗相對大,因此對於所產生的熱問題亦變得更加棘手,而IPD具有較高的溫度耐受性與穩定性,相對於MLCC元件產品,皆能有更佳優異的表現,以上種種皆顯示IPD對於5G智慧型手機的整體性能以及可靠度特性,皆能有相較於MLCC具有更加的表現能力。

二、IPD的主要應用領域與製造廠商

目前IPD元件已廣泛應用於電子產業各個應用領域,包含光通訊模組產業、汽車電子產業、通訊基礎建設產業、智慧手機產業、醫療器材產業等領域,尤其5G智慧手機通訊應用市場中所使用到射頻模組中的(RF) IPD,因需與MMIC、濾波器等射頻元件作阻抗匹配與去耦合等高頻電路設計,成為目前IPD市場成長性最高的應用領域,預估此市場在2019-2025年的年複合成長率(CAGR)為8.2%,到2025年該市場規模將超過3.6億美元。

在tsmc的CoWoS® -L技術平台,亦可看到IPD元件已整合應用於此CoWoS技術平台之中。CoWoS®-L 的主要特點包括:運用通過多層Sub-微米銅線實現高佈線密度晶片到晶片互連的LSI芯片。LSI晶片可以在每個產品中具有多種連接架構(例如SoC到SoC、SoC到chiplet、SoC到HBM等),也可以在多個產品中重複使用。在具有寬間距的RDL層與基於molding方式的interposer結構,透過front-side和back-side的TIV (Through Interposer Via)方式以達到信號和功率傳輸的連結,可在高速傳輸中達到較低的高頻信號損耗的表現。特別的是,在SoC晶片下方整合了IPD (Integrated Passive Device)元件,以達到更好的PI/SI通信信號的高性能表現。隨著5G智慧手機滲透率的不斷提高,具備薄型化、高穩定性、較低的高頻損耗等特性的IPD元件,將扮演愈來愈關鍵的角色。

三、結論

全球IPD元件製造的供應鏈方面較為多元分散,包括純IPD製造廠商、IDM & Foundry廠商、基板與封裝廠商(含OSAT)以及研發機構。其中,主要的IPD生產廠商,包含AVX、Johanson Technology、Vishay、STMicroelectronics、Qorvo、Skyworks、Infineon、NXP、On Semiconductor、ipdia/Murata等公司,其中Murata於2016年10月併購了法國IPD專業廠商ipdia,ipdia公司是一家設計、開發、生產、銷售Si被動元件的廠商,並為醫療設備、產業設備、通信設備等要求高可靠性電容器應用領域提供3D結構Si電容器的領導企業。此次收購,使得Murata可以在既有的產品陣容中加入ipdia公司的Si電容器產品業務範圍,Si電容器具有可靠性高、耐熱、體積小、厚度薄、高集成等優良特性,使得Murata的電容器事業部門不僅在其強項的通信應用市場,更可望在汽車產業、醫療設備等等的應用市場上也能得到強化和擴大。

另一方面,在IDM & Foundry廠商方面,包括Vishay、STMicroelectronics、Qorvo、Skyworks Infineon、NXP、On Semiconductor等IDM大廠,或是tsmc等晶圓代工廠商,皆有生產符合對應客戶的IPD元件,以應用在汽車電子、醫療設備、通訊設備、智慧手機等應用領域,如tsmc即生產供應Apple iPhone手機包括AP處理器等應用領域的IPD元件。另外,在基板與封裝(OSAT)廠商方面,包含日月光控股、Amkor、新科金朋(STATS ChipPAC)等封裝OSAT廠商,以及Shinko Electric.(新光電氣)、Ibiden、欣興電子等基板廠商亦都有生產IPD相關產品。

面對未來5G或B5G下一代通訊技術的發展趨勢,在IPD具有優良特性的前提之下,卻面臨著IPD生產成本相對較高、市場規模侷限性等問題,而臺灣具有極佳的4G/ 5G/ B5G射頻元件生產供應鏈,以及完整的半導體產業發展基礎,可把握5G通訊產業的發展契機,持續IPD技術精進並擴大產業應用範疇,才能在未來快速變動的5G/ B5G通訊世代掌握先機,並提升相關產業附加價值。

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更新日期:2020-04-28

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