集微網(wǎng)消息，蜂窩技術(shù)即將邁向巨大飛躍，但是在5G毫米波和即將到來(lái)的6G生態(tài)系統(tǒng)中使用的芯片封裝、組裝和測(cè)試將比過(guò)去使用的任何技術(shù)都要復(fù)雜得多，對(duì)此知名半導(dǎo)體分析機(jī)構(gòu)semiengineering做了深入分析。
目前，大多數(shù)5G設(shè)備仍在sub-6GHz的頻率下工作。在未來(lái)幾年內(nèi)，對(duì)毫米波技術(shù)的大規(guī)模推廣將顯著加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋诶硐霔l件下可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10 Gbps的傳輸速率。而6G預(yù)計(jì)將在本十年后期推出，與毫米波相比，數(shù)據(jù)速度將提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，即1Tbps，而5G毫米波的速度為10 Gbps。
5G毫米波和6G都面臨一個(gè)基本挑戰(zhàn)，即信號(hào)容易受到天氣或固體物體（如窗戶和墻壁）的干擾。因此，這些信號(hào)的實(shí)際范圍可能達(dá)到1000英尺甚至更遠(yuǎn)，但信號(hào)強(qiáng)度足以發(fā)揮作用的有效范圍在300到500英尺之間。而對(duì)于6G頻率而言，這個(gè)有效范圍還要更短。6G信號(hào)的傳播距離可以與5G相當(dāng)，但在距離越短的情況下，有效范圍下降得越快。
有一些工程解決方法可以提高這些信號(hào)的傳播距離，但是與4G LTE或sub-6GHz的5G相比，難以保證服務(wù)質(zhì)量，特別是當(dāng)信號(hào)傳播或接收器的一方或兩方處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)。為了充分發(fā)揮5G毫米波的潛力，在高密度地區(qū)，每平方英里估計(jì)需要大約60個(gè)小型基站。而對(duì)于6G來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)字將更高，但目前還不清楚具體有多高。
然而，所有這些對(duì)目標(biāo)應(yīng)用案例都產(chǎn)生了廣泛的影響。例如，毫米波和6G在受控環(huán)境中表現(xiàn)良好，比如在體育嘗公司或工業(yè)設(shè)施內(nèi)。它們也可以用于固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，比如邊緣網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。但是，與4G LTE或sub-6GHz的5G相比，在交通擁擠時(shí)使用移動(dòng)手機(jī)更容易受到干擾，并且在郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)要找到連續(xù)連接更為困難。
芯片和封裝挑戰(zhàn)
所有這些設(shè)備的芯片也變得越來(lái)越復(fù)雜。過(guò)去，基站和手持設(shè)備中通常使用完全不同的芯片架構(gòu)，這是很常見的。但現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是要保持與信號(hào)的連接，這需要圍繞物體和其他潛在的干擾源進(jìn)行波束成形。它還需要將天線陣列集成到封裝中，以減少信號(hào)傳輸距離、降低功率和延遲。這意味著天線需要集成到封裝中，并且與5G相比，在6G中天線需要更多地暴露在封裝之外。
芯片本身將需要構(gòu)建多個(gè)非常薄的層（layer），可以是在重布線層（RDLs）中，也可以使用一些層壓工藝。這兩種方法都容易出現(xiàn)機(jī)械問(wèn)題，比如翹曲，目前尚不清楚哪種方法將成為首選工藝。
“高速射頻的RDL構(gòu)建的一個(gè)致命弱點(diǎn)是無(wú)法輕松堆疊過(guò)孔，這是通道中最高阻抗的問(wèn)題之一，”Amkor Technology的研發(fā)副總裁Curtis Zwenger表示。“如果你在RDL結(jié)構(gòu)中需要使用狗骨式過(guò)孔連接，那將造成相當(dāng)嚴(yán)重的回波損耗問(wèn)題。這就是有機(jī)材料的優(yōu)勢(shì)所在，因?yàn)槟憧梢詫⑦^(guò)孔堆疊在改良型半加成工藝（mSAP）中。在6G時(shí)代，我們同時(shí)在層壓和RDL方面進(jìn)行研究，以確定最終哪種方法更勝一籌。RDL存在挑戰(zhàn)，因?yàn)樗膶訅悍浅１?duì)于三層或四層的層壓結(jié)構(gòu)，總厚度可能只有35μm，因此失去了基板通常提供的結(jié)構(gòu)完整性。然后，它被該模塊的成型部分接管，可調(diào)的參數(shù)有限。但對(duì)于層壓，我們花費(fèi)了很多時(shí)間對(duì)第二級(jí)組裝的翹曲進(jìn)行模擬。所有基帶電路、上/下變頻和模擬波束成形的電路都可以在成型結(jié)構(gòu)中完成，然后將天線置于其上。這就像一個(gè)嵌套式封裝。”
這只是問(wèn)題的一部分。“互連技術(shù)至關(guān)重要，”Zwenger表示， “你必須匹配阻抗線并確保每個(gè)天線都接收到相同的信號(hào)，沒(méi)有任何信號(hào)衰減損失。在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前，需要進(jìn)行大量的前端模擬工作，因此你只能依靠模擬來(lái)幫助你做出這些非常重要的決策。”
基于5G毫米波的有限推出，芯片行業(yè)剛剛開始了解6G的影響。“我們正在摸索不同類型連接的最佳頻率，”國(guó)家儀器戰(zhàn)略業(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)總監(jiān)Chen Chang表示。“七八年前，當(dāng)5G剛開始時(shí)，每個(gè)人都認(rèn)為毫米波將會(huì)主導(dǎo)世界并解決所有問(wèn)題�，F(xiàn)在我們正在吸取教訓(xùn)。我們?nèi)匀恍枰蓄l和低頻來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋，這些頻段在效率、吞吐量以及同時(shí)支持的用戶數(shù)量方面不斷提高。行業(yè)帶來(lái)的所有創(chuàng)新基本上都滿足了消費(fèi)者在持續(xù)連接方面樂(lè)意支付的最佳費(fèi)用需求，但他們還需要在任何時(shí)候都能獲得千兆比特的吞吐量，并且?guī)缀踉谌魏蔚胤蕉夹枰煽慷�(wěn)定的超額服務(wù)。這確實(shí)開始推動(dòng)了許多部署工作。”
這實(shí)質(zhì)上是一個(gè)三層的方法，城市中心和體育場(chǎng)的數(shù)據(jù)下載速度最快，相對(duì)較快的是郊區(qū)，而農(nóng)村地區(qū)的連接速度則低于1 GHz。但在未來(lái)可能會(huì)有更多選擇。
“一個(gè)值得關(guān)注的有趣技術(shù)是衛(wèi)星通信，”Chang說(shuō)道。“這對(duì)于沒(méi)有任何網(wǎng)絡(luò)覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。出于安全原因，緊急連接是絕對(duì)必需的，但它不一定是持續(xù)連接的。”
選擇性用例更多
地理位置仍然起著作用，但設(shè)備的實(shí)際使用方式也將發(fā)揮重要作用。這些用例可能因應(yīng)用、人口密度和地區(qū)而異。例如，Research and Markets的一份報(bào)告預(yù)測(cè)，毫米波技術(shù)將首先在北美和歐洲推廣，緊隨其后的是新加坡、日本、臺(tái)灣和韓國(guó)。該研究機(jī)構(gòu)指出，丹麥、馬耳他和法國(guó)已經(jīng)采用了這項(xiàng)技術(shù)。
2020年，日月光在其智能工廠中引入了5G毫米波應(yīng)用，利用人工智能和自動(dòng)導(dǎo)引車對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)檢查。攝像頭嵌入到智能無(wú)人車中，以檢測(cè)和監(jiān)視生產(chǎn)車間。該公司表示，Wi-Fi基站的覆蓋范圍通常不足以覆蓋大型制造區(qū)域，但通過(guò)使用毫米波技術(shù)，他們能夠最小化延遲并改善無(wú)線連接，使這些車輛能夠在工廠車間內(nèi)無(wú)縫移動(dòng)。毫米波網(wǎng)絡(luò)還允許“在維護(hù)過(guò)程中同時(shí)傳輸高分辨率圖像，以進(jìn)行后端分析。”這反過(guò)來(lái)使公司能夠快速調(diào)整，并提高設(shè)備維護(hù)的效率。
在任何工廠或工業(yè)場(chǎng)景中，可能會(huì)有多種傳輸數(shù)據(jù)的方法，其中一些基于速度或安全性，另一些基于成本和物理限制。“使用工業(yè)以太網(wǎng)，您需要在工廠內(nèi)部線路上布設(shè)大量電纜，”Renesas Electronics的高級(jí)總監(jiān)Tim Nguyen表示。“這就是為什么在這些工業(yè)應(yīng)用中會(huì)看到許多組合，包括工業(yè)以太網(wǎng)和不同的協(xié)議，如EtherCAT，以及5G/6G，這樣能夠提供更大的靈活性。”
安全問(wèn)題
但是，這種靈活性還需要充分理解應(yīng)該使用哪種技術(shù)來(lái)發(fā)送哪些數(shù)據(jù)，每種技術(shù)都存在安全隱患。
“當(dāng)你觀察Wi-Fi時(shí)，一旦信號(hào)穿過(guò)四面墻之外，它就變得相對(duì)自由了，”英飛凌產(chǎn)品安全技術(shù)營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān)Erik Wood表示。“當(dāng)轉(zhuǎn)向5G和未來(lái)的6G時(shí)，我們只是通過(guò)來(lái)回移動(dòng)調(diào)整信號(hào)覆蓋范圍的半徑。但是，一旦它離開了四面墻的范圍，我們必須像對(duì)待來(lái)自外國(guó)的計(jì)算機(jī)終端的攻擊一樣對(duì)待它，因?yàn)橐坏╇x開四面墻，我們就無(wú)法真正定義它。無(wú)論它是一英里遠(yuǎn)還是一萬(wàn)英里遠(yuǎn)的地方，我們無(wú)法對(duì)反措施和支持這些反措施的技術(shù)要求有不同的期望。”
其他人也指出了類似的擔(dān)憂。MITRE Engenuity的首席技術(shù)專家Raj Jammy表示：“我們現(xiàn)在有很多WiFi、藍(lán)牙、LTE、5G系統(tǒng)。我們隨身攜帶著這些設(shè)備。它們?cè)谖覀兗依�、車�(yán)餆o(wú)處不在。這就給人們提供了另一個(gè)機(jī)會(huì)，通過(guò)這些天線發(fā)送信號(hào)并攔截其中一些芯片，并讓它們?cè)跀?shù)據(jù)移動(dòng)時(shí)傳輸信息。指令也在這些芯片之間傳輸。因此，存在明顯的漏洞，每個(gè)公司對(duì)它們已知的漏洞都有一些了解。但通常我們需要擔(dān)心的是未知的未知事物，而且我們知道那里潛伏著許多未知的未知因素。”
時(shí)間表
“6G的推出大約在本十年末，”Keysight Technologies的PathWave軟件解決方案副總裁兼總經(jīng)理Niels Faché表示，“有很多公司正在致力于研發(fā)6G技術(shù)，我們支持市場(chǎng)早期階段的發(fā)展。有時(shí)候?qū)δ稠?xiàng)技術(shù)押注可能不太順利，但在這個(gè)市場(chǎng)上，你肯定知道誰(shuí)是主要的玩家，我們知道如何與他們保持一致。如果想在這個(gè)市場(chǎng)上立足，就必須盡早加入，而不是等到標(biāo)準(zhǔn)最終確定才開始。我們的很多客戶已經(jīng)在構(gòu)建原型了。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)知道頻率范圍、帶寬，并且掌握了足夠的信息來(lái)開始設(shè)計(jì)儀器，因?yàn)檫@些都要非常長(zhǎng)的開發(fā)周期。我們不能袖手旁觀，等著看情況如何發(fā)展。當(dāng)市場(chǎng)準(zhǔn)備好起飛時(shí)，我們也必須做好準(zhǔn)備。”
在設(shè)計(jì)方面，最大的挑戰(zhàn)是這些技術(shù)不斷變化，這給開發(fā)出良好的模型和方法帶來(lái)了困難。“5G的規(guī)范經(jīng)常在變化，現(xiàn)在6G也是如此，”西門子EDA公司的硬件輔助驗(yàn)證副總裁兼總經(jīng)理Jean-Marie Brunet表示。“一旦規(guī)范發(fā)生變化，你就需要將其簡(jiǎn)化，并創(chuàng)建一個(gè)模型，以便將修改應(yīng)用于規(guī)范，并在虛擬環(huán)境中觀察其反應(yīng)。但需要驗(yàn)證的并不僅僅是芯片，還有整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。例如，我們?cè)谄囶I(lǐng)域看到了很多活動(dòng)。如果下雨和不下雨會(huì)發(fā)生什么？天氣變化時(shí)，信號(hào)的表現(xiàn)會(huì)有所不同嗎？”
結(jié)論
無(wú)論涉及哪種通信技術(shù)，移動(dòng)大量數(shù)據(jù)都涉及許多變量，并且目前還有許多懸而未決的問(wèn)題。使用更高頻率進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸存在一系列需解決的挑戰(zhàn)，只有在這些挑戰(zhàn)得到完全解決之后，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)才能得到充分實(shí)現(xiàn)。
“對(duì)于一些先進(jìn)的封裝技術(shù)來(lái)說(shuō)，可靠性至關(guān)重要。”Amkor公司的Zwenger表示， “在汽車行業(yè)，隨著電動(dòng)化和最終的自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的出現(xiàn)，它們將依賴于被認(rèn)為是高度可靠的網(wǎng)絡(luò)，以維持我們期待的自主環(huán)境，同時(shí)還支持人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)以及所有高速云服務(wù)。這將對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大的壓力。”
但這只是已知或疑似的挑戰(zhàn)。就像任何新技術(shù)一樣，需要時(shí)間才能理解可能發(fā)生的問(wèn)題，而且隨著使用量的增加和數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，可以肯定的是，在實(shí)驗(yàn)室、晶圓廠和實(shí)際場(chǎng)景中將出現(xiàn)許多其他問(wèn)題。
