为获得低成本的手机解决方案,过去已经发展了几种集成方法,包括集成外部器件、将混合信号构建单元与数字功能合并等,主要的目的就是减少外部元器件数量(分立芯片器件、电阻、电容、电感器件,以及外部调节器件等),从而减少需要处理的器件并最终降低生产成本。朝SoC的方向再前进一步就是将数字(包括存储器)部分、混合信号和射频功能利用同一种工艺集成到单块芯片上,或者将这些构建模块组装到一个封装单元中。每种方法都有其优点和缺点,但单芯片方法能够提供最经济的解决方案,因为所需要的处理和封装成本最少,并且有可能实现最优测试理念。
英飞凌公司单芯片GSM/GPRS解决方案E-GOLDradio 在单个纯CMOS裸片上集成了手机应用所需要的基本构建模块,如基带功能、内部存储器(RAM和ROM)、混合信号和射频功能。高度集成的这一完整GSM/GPRS系统可以容纳在9×9 mm2 LF2BGA-233倒装片封装中。其MODEM功能支持高达12级的多时隙GPRS传输。
用标准CMOS工艺达到最高集成度
为达到最高的集成度,需要考虑不同的晶圆工艺技术。BiCMOS, SOI 或SiGe工艺都可以使用,但最适合的还是标准CMOS技术,因为CMOS技术被广泛用于几乎所有逻辑元器件的生产。为了获得成本优化的解决方案,必须对这些不同技术(如CMOS和BiCMOS)之间进行仔细的分析和折衷。例如,与相应的BiCMOS工艺比较,由于需要的掩膜和工艺步骤较少,典型的0.25mm CMOS工艺成本约降低30% ~ 50%。SOI 和 SiGe工艺也是可能的选择,但相应的原材料比较昂贵,而且工艺复杂性也更高。这些都与经济的CMOS技术形成鲜明的对比。
当然,最适合的工艺技术在很大程度上也与芯片架构和芯片划分有关。显然,对于真正意义上的单片集成来说,射频宏单元必须采用与基带部分同样的技术实现。因此,所选择的工艺技术参数必须能够同时满足两者的要求。其中一个方面就是相关工艺所能够达到的速度,或者更准确地说,是特定工艺技术的跃迁频率(ft)。在选择最适合工艺技术的时候,这一参数具有关键作用。作为一个基本原则,所选择工艺技术的ft必须是不同构建模块中所处理的最高信号频率的10倍。
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但是,如果数字设计和射频设计采用同样的工艺技术,那么必须考虑到这一技术并非是针对"模拟"要求而优化的。对于典型的射频设计构建模块,晶体管、电阻、电容和电感器的射频和噪声性能对于整个系统的行为和性能有很大的影响。因此通常必须特别考虑到CMOS制造工艺的变化,特别是电路缺陷和CMOS的特有缺点(如1/f噪声)对接收器和发射器行为的影响。为了满足GSM/GPRS射频参数所提出的极为苛刻的系统技术要求,就要采用特殊的设计方法,必须能够在较宽的额定温度范围内达到并保持这些性能参数。一方面要考虑到供电电压变化对性能参数的影响,另一方面也必须考虑到CMOS工艺不稳定所带来的影响。