以5G為代表的Sub 6G通信射頻系統非常復雜，尤其是那些需要使用高載波頻率和寬頻帶的新技術，包括載波聚合、Massive MIMO等。為此，很多半導體公司在技術上全面開花希望利用先進的半導體工藝技術應對甚至引領新一代的通信技術需求。以ADI為例，該公司全面擁有GaN、GaAs和SiGe以及28納米CMOS等完整工藝，努力打造更具高集成度、低功耗和低成本的整合系統解決方案。

然而，在下一步的5G系統部署以及高端測試應用和衛星及航天應用中，無疑以高帶寬和大功率為優勢的GaN是其中的佼佼者，正在進入許多應用領域。那么，GaN射頻技術將如何發展？

1.襯底技術以SiC為主，襯底外延向大尺寸、低缺陷方向提升

高質量的襯底和外延材料決定著器件的性能，而大尺寸的材料決定著器件的成本。未來5-10年，預計主流SiC、Si襯底將突破到6-8英寸。

（1）SiC襯底技術仍是主流，Si襯底有小部分應用

目前90%以上GaN射頻器件采用高純半絕緣SiC襯底技術，少部分采用Si襯底技術。

▲SiC/Si基GaN技術市場占有率預測

數據來源：Yole，CSA Research

SiC襯底的優勢在于：散熱性能好，可以滿足大功率器件的散熱要求、外延工藝較為成熟，外延片缺陷密度較低、供應鏈體系較為完善；但缺點在于襯底尺寸相對較小。SiC基GaN射頻器件適用于受性能驅動較大的應用領域，其射頻器件的優勢在于優異的器件性能，能同時實現高頻高增益，適用于性能驅動的領域，如國防、宏基站等。

Si襯底的優點在于：生長工藝成熟，可擴展的晶圓尺寸較大，襯底價格較便宜，且基于成熟大尺寸Si襯底加工和與CMOS工藝兼容的器件加工工藝，規模量產后可以實現低成本；但是缺點在于Si襯底與GaN外延層晶格適配較大，外延片存在較高缺陷密度，且由于Si襯底散熱性能較差，主要適用于中小功率器件（因為通常情況下，工作頻率越高，對器件的輸出功率要求會降低，因而對散熱要求也會同步降低）。因此Si基器件適用于受成本驅動較大以及對輸出功率要求相對較低的應用領域，如無線回傳以及小基站、射頻能量（例如微波爐加熱功能）、有線電視（CATV）、衛星通信系統（VSAT）等領域。

▲SiC基、Si基GaN技術適用領域對比

資料來源：Yole，CSA Research

（2）襯底及外延材料向更大尺寸和更低缺陷發展

襯底和外延材料將繼續沿著大尺寸、低缺陷、高均勻性生長方向發展。SiC基和Si基GaN異質外延片作為目前應用廣泛的兩種襯底材料，最大商用尺寸為6英寸。SiC襯底技術在從4英寸向6英寸過渡，為進一步降低器件成本，業界已經研發出8英寸SiC襯底。目前6英寸襯底的位錯密度在100/cm2量級，隨著單晶生長技術的發展，SiC襯底缺陷密度將快速下降，預計未來5年左右，穿透型螺位錯和及平面位錯密度將下降到200/cm2。Si基GaN外延片的技術研發在近幾年尤其活躍，6英寸Si基GaN技術已經成熟，并且也成功研發出8英寸Si基GaN外延片，在不斷降低缺陷密度、提升外延均勻性生長度的前提下，未來將逐步實現商用。2.器件與模塊向高效率、高線性度和多功能集成整體而言，GaN射頻器件將向著高效率、高線性度和多功能集成方向發展。GaN HEMT射頻器件的制程在百納米量級左右，且在不斷微縮。現在GaN工藝尺寸正在從0.25μm至0.5μm向0.15μm轉換，一些領導廠商（例如，Qorvo）甚至在嘗試60nm。一般來說，大多數制造廠提供兩個或三個標準工藝：0.5μm高壓（40至50V）工藝主要處理頻率低于約8GHz的高功率器件，0.25μm中壓（28至40V）工藝處理更高頻率的應用（高達約18GHz）。有的制造廠提供第三個選項，即更小的柵極長度（通常約0.15μm）用于毫米波應用（高達40GHz）。

▲主流廠商的GaN HEMT射頻器件工藝制程節點

資料來源：Yole，CSA Research

（1）高效率、高線性度

在性能指標方面，效率和線性度是GaN功率放大器的核心指標，高效率和高線性度的功率放大器是未來發展趨勢。Doherty技術和包絡跟蹤技術可以有效地提高功放的平均效率和線性度,是目前國內外研究的熱門功放效率和線性度提升技術。將這兩種技術結合,可以使得功放更高效地放大高峰均比信號。在架構層面，Doherty和包絡跟蹤（ET）等將是主流結構。在現代通信系統中，Doherty已經獲得廣泛應用。Doherty功放通過與輸入信號成反比地調整負載阻抗，從而實現高效率的放大。而ET功放通過動態調節偏置電壓，使之隨著信號包絡而變化，從而使得功放一直工作于高效率情況下，且ET功放在提高效率的同時不受射頻頻率的限制。與Doherty功放僅在射頻域上做處理不一樣，ET功放還包含一部分基帶信號的處理。典型的ET功放至少應包含包絡調制器、包絡成形、延遲對齊、射頻放大鏈路。

▲ET功放框架圖

資料來源：網絡資料，CSA Research

（2）多功能集成

全GaN射頻模塊的集成是重要的發展趨勢。除分立的功率模塊外，GaN也已經應用于單片微波集成電路（MMIC）。MMIC是采用平面技術，將元器件、傳輸線、互連線直接制做在半導體基片上的功能塊。單片微波集成電路包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、混頻器、上變頻器、檢波器、調制器、壓控振蕩器（VCO）、移相器、開關、MMIC收發前端，甚至整個發射/接收（T/R）組件（收發系統）。目前國際上主流企業已經推出GaN MMIC PA和MMIC LNA等GaN射頻集成模塊，且正在研發集成多種功能的GaN MMIC射頻前端（FEM）。

▲MMIC示意圖

資料來源：網絡資料，CSA Research

▲不同材料體系的MMIC的工藝及應用

資料來源：Yole，CSA Research

為了提升性能，減小器件尺寸，GaN射頻芯片集成度將不斷提高，并向多功能集成和天線集成方向發展。

1)單一功能芯片集成

功率放大器、低噪聲放大器等單一功能射頻芯片將集成電阻、電容等被動元件。集成方式包括封裝集成和單片集成。封裝集成器件如多芯片組件功率放大器（MCM PA）。單片集成器件如單片微波集成電路功率放大器（MMIC PA）和單片微波集成電路低噪聲放大器（MMIC LNA）等。

2)收發一體多功能芯片集成

GaN射頻芯片將由單一功能芯片向收發一體等多功能芯片發展，在射頻前端模組（FEM）層面實現集成。其中MMIC FEM是重要的發展方向。MMIC FEM將在MMIC中集成功率放大器、低噪聲放大器和射頻開關等器件，在縮小系統體積的同時，使得系統功能更加強大和高效。

▲GaN毫米波MMIC FEM

資料來源：網絡資料，CSA Research

3)天線集成

GaN射頻芯片與天線集成在一起將為系統級無線芯片提供一種良好的天線解決方案，正在受到芯片制造商的青睞。天線是無線系統中的重要部件，同其它射頻器件一樣，集成天線是未來發展趨勢。集成天線包括片上天線（AoC）和封裝天線（AiP）兩種類型。AoC技術是單片集成技術，通過系統級芯片（SoC）方式實現。考慮到成本和性能，AoC技術更適用于太赫茲頻段。而AiP技術是封裝集成技術，通過系統級封裝（SiP）方式實現。AiP技術很好地兼顧了天線性能、成本及體積，在毫米波頻段獲得了廣泛應用。毋庸置疑，AiP技術也將會為5G毫米波移動通信系統提供很好的天線解決方案。3.配套封裝材料及結構不斷演進為了充分發揮GaN的高頻高功率的器件優勢，封裝材料及結構在不斷演進。GaN射頻器件與模塊的封裝主要涉及基板、貼片材料和封裝外殼三個部分。總的來看，目前GaN射頻封裝基板在轉向純銅，貼片材料正在逐步采用納米銀燒結，而封裝外殼也開始采用塑料封裝。

▲射頻器件封裝結構示意圖

資料來源：Yole，CSA Research

▲GaN射頻器件封裝材料演進

資料來源：Yole，CSA Research

（1）基板-向純銅演進

目前，少數企業已經開始采用純銅基板，但只限于中等功率的射頻器件，而高功率的器件仍然采用銅合金或疊層材料。封裝過程中基板主要起導熱、機械支撐作用，部分器件還通過基板來導電。其中，最主要的作用是導熱。封裝基板通常采用高熱導率的材料來減小器件產生的熱量。同時，為了減少溫度變化導致的應變，基板與貼片材料、器件之間的熱膨脹系數（CTE）要盡量匹配。現階段常用的基板材料是銅合金（銅鎢CuW、銅鉬CuMo）或疊層材料，而純銅材料是未來的主流發展方向之一。CuW合金技術比較成熟，可靠性獲得驗證，但是成本比較高；CuMo疊層材料具備更高的熱導率，更加適合高功率器件封裝，并且采用了較少的貴金屬，成本較低；純銅具備比銅合金或疊層材料更高的熱導率，并且沒有使用貴金屬從而降低了成本，而其他具備更高熱導率的材料要比純銅貴得多。然而，純銅與Si或SiC的熱膨脹系數差距較大，帶來較大的技術挑戰，可靠性有待驗證。

▲射頻封裝基板常用材料的熱導率和熱膨脹系數

資料來源：Yole，CSA Research

（2）貼片材料-銀燒結是未來的發展方向

在貼片材料方面，銀燒結是未來的發展方向。目前，GaN射頻器件主要使用的貼片材料包括AuSn（金錫）、AuSi（金硅）。AuSi只適用于Si基GaN器件的封裝，對于SiC基GaN則不適用。得益于物理性能的匹配，AuSi非常適用于Si基器件的封裝。然而，因為含有的Au成分比例較高，AuSi材料的成本較高。封裝過程中，AuSi材料通常采用共晶焊接，加工溫度較高（350-420℃），因而不能用于塑料基板的封裝。目前，AuSn是使用最廣泛的貼片材料。由于含有的Au的比例較低，AuSn的成本低于AuSi，并且AuSn既適用于SiC基器件也適用于Si基器件的封裝。AuSn材料也采用共晶焊接技術，加工溫度較高（270-320℃），同樣不能用于塑料基板的封裝。

▲GaN射頻器件貼片材料

資料來源：Yole，CSA Research

銀燒結是最新發展起來的一種封裝貼片材料。銀的成本要比金低得多。銀的燒結過程有兩種類型：加壓或不加壓。對于較小的芯片，通常采用納米銀粉末，且無需加壓。而對于較大的芯片，通常采用微米銀粉末，并且需要施加壓力，確保鍵合牢固。銀燒結的加工溫度較低（200-280℃），加工時間短，適用于大多數封裝基板材料。 ▼GaN射頻封裝貼片材料簡介

資料來源：Yole，CSA Research

（3）封裝外殼--塑料封裝代替陶瓷封裝

按照封裝密封程度，可以分為氣密性封裝和非氣密性封裝。氣密性封裝可以有效隔絕濕氣或有害氣體，避免造成器件內部結構的腐蝕，增加產品使用壽命。金屬、陶瓷和玻璃是常用的氣密性封裝外殼，而非氣密性封裝外殼通常采用聚合物材料，例如塑料。塑料外殼的優點在于可以降低成本，減輕器件重量，而且如果制作得當，仍然可以實現接近于密封的效果。

▲常用封裝外殼材料

資料來源：Yole，CSA Research

業界正在轉向采用塑料封裝代替陶瓷封裝。GaN封裝最早開始采用的外殼是陶瓷外殼，它們被通常被做成非氣密性封裝的形式，因為通信應用中無需高度的氣密性封裝?，F在，越來越多的企業開始采用塑料外殼封裝。塑封的優勢體現在：成本較低；可降低體積和重量，便于集成；具備成熟的制造標準；具有較低的介電常數，電磁信號損耗小，適用于高頻應用；此外，塑料具備和純銅接近的熱膨脹系數，與陶瓷封裝相比，塑封搭配純銅基板可以顯著改善熱傳導效果。其中，成本是最主要的影響因素。在大規模生產的情況下，芯片制造和封裝構成最主要的成本，而檢測占成本的比例較低。同時，采用塑料封裝可顯著降低成本。在規模量產的情況下，塑料封裝的成本大約只有陶瓷封裝的一半。

▲注塑封裝示意圖

資料來源：Yole，CSA Research

根據封裝形式，GaN射頻器件的封裝分為多層封裝（Multi-level package）和共平面封裝（表面貼裝）。依據經驗，如果器件的耗散功率低于50W、PCB的厚度小于2mm，就可以采用表面貼裝的封裝形式。按是否填充材料，塑料封裝分為注塑封裝和空氣腔（air cavity）封裝。目前，采用多層封裝和表面貼裝的GaN射頻器件均采用注塑封裝。2017年，GaN射頻器件采用注塑封裝實現的最高頻率達到3.2GHz（功率為100W）和6GHz（功率為5W）。 來源：第三代半導體聯合創新孵化中心

責任編輯：xj

原文標題：GaN射頻技術發展趨勢

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