SiP在5G手机中运用

Griffin

SiP 在 5G 手机中运用日益广泛由于历史原因，3GHz 以下可用于公众移动通信的低频段已基本被前几代通信网络瓜分完毕，且频段分散，无法提供 5G 所需的连续大带宽，因而 5G 必然向更高的工作频段延伸。目前世界范围内对于 5G 的频谱已基本达成共识，3~6 GHz 中频段将成为 5G 的核心工作频段，主要用于解决广域无缝覆盖问题，6GHz 以上高频段主要用于局部补充，在信道条件较好的情况下为热点区域用户提供超高数据传输服务，例如对于 26GHz、28GHz、39GHz 毫米波应用也逐渐趋向共识，5G 的频段分为 Sub-6 和毫米波两个部分。
▲5G 需要 sub-6 和毫米波两套射频系统
5G 手机需集成更多射频器件。手机射频模块主要实现无线电波的接收、处理和发射，关键组件包括天线、射频前端和射频芯片等。其中射频前端则包括天线开关、低噪声放大器 LNA、滤波器、双工器、功率放大器等众多器件。从 2G 时代功能机单一通信系统，到如今智能机时代同时兼容 2G、3G、4G 等众多无线通信系统，手机射频前端包含的器件数量也越来越多，对性能要求也越来越高。

▲手机射频结构复杂
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5G 手机所需射频器件数量将远超前代产品，结构复杂度大幅提升。5G 手机需要前向兼容 2/3/4G通信制式，本身单台设备所需射频前端模组数量就将显著提升。据 Qorvo 预测，5G 单部手机射频半导体用量将达到 25 美元，相比 4G 手机近乎翻倍增长。其中接收/发射机滤波器从 30 个增加至75 个，包括功率放大器、射频开关、频带等都有至少翻倍以上的数量增长。器件数量的大幅增加将显著提升结构复杂度，并提高封装集成水平的要求。
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) _) [' K; O% p! y3 }. g▲单部 5G 手机所需射频器件数量将显著提升
7 D" v% ?" w2 `' q+ F. u0 u5G 的频段分为 Sub-6 和毫米波两个部分，Sub-6 部分信号的性能与 LTE 信号较为相似，射频器件的差异主要在于数量的增加，毫米波部分则带来射频结构的革命性变化。SiP 技术将在 5G 手机中应用日益广泛，发挥日益重要的作用：1）第一步：5G 需要兼容 LTE 等通信技术，将需要更多的射频前端 SiP 模组；2）第二步：毫米波天线与射频前端形成 AiP 天线模组；3）第三步：基带、数字、内存等更多零部件整合为更大的 SiP 模组。
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▲SiP 在 5G 手机中的应用日益广泛
8 B$ w% ?' n$ R# H6 G1 U由于现在仅仅韩国、北美等少数地区支持毫米波频段，在三星、华为、小米、Oppo、Vivo 等已发布的 5G 手机中，仅有三星 Galaxy S10 支持 5G 毫米波信号。随着更多地区开始支持毫米波频段，毫米波将成为 5G 手机的标配。
) D7 v& i, e/ Z) k5 K. B' W通信技术的持续升级推动射频相关器件的不断整合，SiP 技术的提升为这种更高程度的整合提供了技术保障。在 2G GMS 时代，射频前端采用分立式技术，天线也置于机身外。单面 SiP 技术在3G WCDMA 时代开始获得应用，射频前端中的收发器开始模组化（ FEM），功放（ PA）仍然独立存在，天线开始集成到机壳上。在 4G LTE 时代，射频器件数量成倍增长，FEM 与 PA 进一步集成，天线也开始采用 FPC 工艺。在 5G Sub-6 阶段，频段数量 20 个以上，射频器件数量继续增长，更先进的双面 SiP 获得运用。在 5G 毫米波阶段，毫米波的波长极短，信号容易衰减，天线和PA 等射频前端器件需要尽可能靠近，集成阵列天线和射频前端的 AiP 模组将成为主流技术路线。
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) X# R+ x3 ~9 T2 a" U' ]! V▲移动射频前端模组封装趋势
& a# g$ M* l; Z$ i" E4 c# y3、5G 毫米波拉动 AiP 需求
5G 毫米波频段需要更多的射频前端器件；天线、毫米波高频通信易损耗的特性要求射频前端器件和天线之间的距离尽可能缩短；毫米波天线尺寸可以缩小至 2.5mm；同时需要屏蔽天线的高频辐射对周边电路的影响。以上的需求，需要将天线与射频器件集成为模组，天线尺寸变小，为该模组的可行性提供了保障。
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0 q7 j  Z2 B# ~& z▲多因素促进 AiP 天线模组需求
6 e1 T7 L0 q' X+ `毫米波手机需要更多的射频前端和天线：毫米波高频通信将需要集成 3 个以上的功放和几十个滤波器，相比覆盖低频模块仅需集成 1-2 个功放、滤波器或双工器在数量上有大幅提升。此外，毫米波通信需要尺寸更小、数量更多的天线。一般天线长度为无线电波长的 1/4，而一旦采用 30GHz 以上的工作频段，意味着波长将小于 10mm，对应天线尺寸 2.5mm，不足 4G 时代的 1/10。同时，由于高频通信传播损耗大，覆盖能力弱，因而将引入更多数量的天线，并通过 MIMO 技术形成天线阵列以加强覆盖能力。根据 Qrovo 预测，单部 5G 手机的天线数量有望达到 10-12 个。
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3 C  S- A( D7 [) q) ^' o# j▲毫米波天线缩小至 2.5mm
高通已经商用 5G 毫米波天线模组 AiP 标准品 QTM052，三星 Galaxy S10 5G 毫米波版手机即采用三个该天线模组，放置于顶部、左边和右边中框的内侧。多个天线模组可以避免用户不同的手握位置对信号带来的干扰。
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) e8 K4 B5 H* w▲高通已商用毫米波天线模组 AiP
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▲三星 Galaxy S10 采用三个高通毫米波天线模组
天线的效能因手机的外观设计、手机内部空间限制及天线旁边的结构或基板材质不同，会有很大的差异。标准化的 AiP 天线模组很难满足不同手机厂商的不同需求。苹果等厂商有望根据自己手机的设计开发自有的订制化 AiP 天线模组。我们测算，仅仅苹果的 AiP 需求有望在 3 年后达到数十亿美元。
$ z% h' N* T9 ~  y& k4、 SiP 有望整合更多零部件
在未来，SiP 有望整合基带等更多的零部件，进一步提升手机的集成度。高通已成功商业化Qualcomm Snapdragon System-in-Package（ QSiP）模组，QSiP 将应用处理器、电源管理、射频前端、WiFi 等连接芯片、音讯编解码器和内存等 400 多个零部件放在一个模组中，大大减少主板的空间需求，从而为电池、摄像头等功能提供了更大空间。同时，QSiP 工艺也大幅简化手机的设计和制造流程、节省成本和开发时间，并加快整机厂的商业化时间。

▲QSiP 集成射频、应用处理器等更多芯片
为了保障 QSiP 的顺利量产，高通与环旭在 2018 年 2 月成立合资公司，以运用环旭及日月光集团在 SiP 领域的技术积累和量产经验。2019 年 3 月，华硕发布两款采用 QSiP 的手机 Zen FoneMaxShot 和 Zen FoneMax Plus M2。从拆解图来看，QSiP 确实大幅简化手机的主板电路设计，并缩小主板面积，为三摄等新功能留下更充分的空间。
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4 `9 K+ z# Z( A▲相比传统电路板， QSiP 方案大幅缩小面积
高通在持续拓展自身的产品线以扩大市场空间，已从早期的基带和应用处理器拓展至射频前端、电源管理、蓝牙、WiFi、指纹识别等丰富的产品线，但不少新产品缺乏突出的竞争力。通过 SiP 技术高通可以用优势突出的基带等芯片捆绑一些弱势芯片，从而实现各种不同芯片的打包销售，扩大了自身的市场空间。

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▲QSiP 给高通和整机厂带来较大好处
" r% d* t' e3 D  E; B( w! r对于整机厂来说，采用高通的 QSiP 方案可以简化手机的设计和制造流程，节省成本，并缩短开发时间，加快机型的商业化时间。但因为 QSiP 方案可能会降低产品的差异化程度，未来可能主要用于非旗舰机型，成为成本和抢占市场先机竞争的利器。但 QSiP 有望成为 SiP 在手机大规模中应用的推手，旗舰机型有望采用更为订制化的类似于 QSiP 的系统级 SiP。

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Bill168

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wushy

这里面细节这么多？