近年来，随着全球电信自由化潮流及技术日益成熟，无线通信产业趋于活络而使产品类别更多元化，其应用层面包栝传统的家用无线电话、无线局域网络（Wireless LAN）、个人无线通信系统及最热门的蓝芽无线技术（Bluetooth）等。而整个无线通信系统中射频功率放大器是非常重要的关键性组件，因为它的输出功率决定了通讯距离的长短，它的使用效率决定了电池的消耗与使用时间。因此，功率放大器将是业界研发的重点。

移动电话的零组件与基本运作模式

一具完整的数字式手机具备外观看得见的按键、液晶显示、机构外壳、识别卡（SIM）机构，以及内部的功能。（图一）简单画出数字式手机内部的功能方块图；由于芯片不断整合的结果，手机的功能方块可粗略分为射频（RF，Radio Frequency）、中频（IF，Intermediate Frequency）和数字基频（BB，Digital Baseband）三部分；但由于技术的演进，一些业者发展出直接转换技术（Direct Convert）或称零中频（Zero IF），直接由射频降频转换基频可处理的讯号。

以整体的系统而言，射频部份电路约占整体成本的三至五成，其主要的零组件包含功率放大器（PA；Power Amplifier）、低噪声放大器（LNA，Low Noise Amplifier）、传送/接收器、合成器、频率多任务器（Diplexer）、多任务器（Duplexer）、表面声波滤波器（SAW filter）及TR Switch等功能；中频部份有AD/DA调变与解调器、锁相回路（PLL）、电压控制震荡器（VCO）、表面声波滤波器（Saw Filter）等；基频部份有数字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）和内存（Flash、SRAM）等。

《图一 数字移动电话内部功能方块图》

和无线讯号传送接收有直接关联者为射频IC。射频IC让该通讯产品能够以射频频带（900Hz~3GHz）传输和接收数据或语音等信息。在接收的程序上，射频与中频IC将来自天线的讯号，经过放大、射频与中频滤波、合成等功能，将接收到的射频讯号，经一次或两次降频为基频，以便接下来的基频讯号处理。发射时，射频与中频IC将上述过程反向程序操作；将低频讯号在基频区域经多次升频之后转换成射频的频率经由天线发射出去，因此射频电路须具备良好的接收特性和抗噪声干扰的能力。

射频与中频IC在数字式移动电话中所占的功能方块，包含调变器、频率合成器、升降频转换和功率放大器等等，大约消耗手机约六成的功率。射频与中频模块主要的功能是接收射频讯号，将讯号降频至基频，以便处理；发射时，则将基频传来的讯号升高到射频，以便发射。早期射频电路几乎全部都是分离式组件，之后才逐渐整合成至单一芯片。大部分的移动电话使用三颗IC在射频系统 电路，包括一颗整合的射频讯号接收与发射器芯片、一颗IF组件和一颗RF功率放大器。除了IC之外，还包括上百颗被动组件和分离式组件，占了手机的大部份空间，所以如何将这些被动组件整合是业者努力的方向。

目前各大移动电话发展趋势朝向复合化前进，复合化包括多频与多模两种形式。所谓的双频（三频）手机或多频手机，就是同一手机可接收多种频率区域的讯号，如900MHz、1800MHz与1900MHz不同频带。而多模的意思是一只手机可同时接收两种或两种以上的通讯系统，如日本同一手机上，可接收简易式行动话（PHS）及PDC两种通讯系统的服务，美国则可同时接收数字行动系统讯号与模拟讯号，这就是一种多模的应用。由于手机朝多频、多模的方向发展情况下，使得每只手机内所需的RF零件，需求量也随之增加，其中以功率放大器（PA，Power Amplifier）及表面声波滤波器（SAW Filter）最明显。

功率放大器负责提供整个手机在发射与接收时的运作功率，在整个数字手机中属于相当重要的线性IC，评估一个放大器的性能，尤其是在接收的系统电路中，通常会以检视其处理微弱讯号的能力，作为判定性能优劣的依据，若放大电路处理小信号能力强，其在抑制或消除噪声的能力也愈强。

另外用户评估手机除了通讯质量，还有一项重点是通话与待机时间，而功率放大器是整个发射端最耗电的组件，大部份的功率消耗在此电路中，因此，功率放大器的设计与制造是非常重要的一项工作。任何无线通信产品要将讯号发射出去，都透过电路最后一级的功率放大器，因此，功率放大器可以依不同的需求，例如操作频率、带宽、供应电压、输出功率、效率及放大器操作类别适用在不同的通讯产品上。

移动电话内部组件组装趋势

轻薄短小的体积要求下，手机IC朝单芯片与模块化趋势发展，目前以基频IC的整合性最积极，以往各别由内存、微处理器和DSP主要组件组成的基频电路，演进为DSP与微处理器整合，目前也完成将部分SRAM嵌入芯片中，使得手机组件分成射频芯片与基频芯片两块，这将减化手机设计的困难度。

依目前移动电话整合趋于来看，未来手机中IC数量将可能减少到9或8颗，其中射频IC为2至3颗，基频IC约1至2颗，语音、影像或蓝芽等1至2颗数字或混和讯号处理器，1至2颗内存芯片。先进的混和讯号制程技术、SoC设计经验与电路模块化整合能力，这些都是想成功进入手机市场的关键。虽然手机IC整合趋势相当确定，但是无法达到制造成本效益也是枉然。

移动电话之轻薄短小仍是发展的趋势，整合型被动组件、复合组件、单芯片通讯模块等概念，已在市场成为新的发展方向。为达到压缩零组件所占空间、避免电磁波干扰（EMI）问题及PA会因为高频产生高温，唯有选择正确的电路构装方式或具有模块化技术，才能达到模块小型化的目标。由于移动电话重量及厚度的下降，相关的零组件无论在重量、体积、性能都要做相当的提升，未来移动电话用的印刷电路板仍朝更轻、更小的高密度方向发展，且每台手机上将来用到的IC数目会比现在少很多。(图二)为移动电话的零组件及组装的分类及所使用的封装方式。

目前已有厂商研发积层式树脂材料基板，兼具降低产品成本与小型化的特色。以树脂加上介质及磁性物质混合成基板材料，与多层陶瓷基板堆栈组件技术相比，在材料方面成本似乎较为低廉，良率也较高。若采用树脂方式时，可以将不同介电率的树脂堆栈在一起，此应用性更为广泛。

在整合性模块技术方面，目前有几种作法，包括目前一般的印刷电路板、增层式印刷电路板以及模块（Module）基板等方式。现在模块（Module）基板常使用三种材质：陶瓷、低温共烧（LTCC，Low Temperature Cofired Ceramics）、塑料薄板（Laminate）。以整合性模块技术的发展来看，目前以低温共烧陶瓷技术（LTCC）、整合式被动零组件技术（IPD，Integrated Passive Devices）及增层式印刷电路板的薄膜技术（Thin Film）等方式。

《图二 移动电话的零组件及组装的分类〈数据源：Amkor, Fujitsu, Prismark, Conexant, TechSearch〉》

功率放大器的特性

无线通信正是现今热门的重点科技领域，无论在个人手机或基地台通讯系统方面，前端之射频电路模块扮演相当重要的角色，而功率放大器更是射频模块中之关键组件，功率放大器的线性度、输出功率以及效率深深影响着无线系统中的讯号质量、通讯距离以及待机时间。

基本放大器之设计包括大讯号功率负载相关参数的取得、直流偏压电路以及匹配网络设计等，而每一项都攸关功率放大器制作之成败。另外放大器设计的功率愈来愈大，因此散热也成为设计的重点之一。

(图三)为一个简单的晶体管放大电路，包括直流晶体管偏压电路；电感与电容组成的匹配网络设计。晶体管偏压电路是为了建立良好的工作点，提供晶体管放大的能量，并能隔离DC与AC讯号，因此，一电路的稳定性与其偏压电路有很大的关系。直流偏压的选择与放大器的用途（如低噪声、高增益、高功率等）、放大器的类别（如A类、B类、AB类）及晶体管的种类（如BJT、FET）相关。

晶体管两旁的匹配网络，分为输入匹配网络与输出匹配网络，由电感器与电容器组成，具有调整输入阻抗、输出阻抗与选择频率的滤波功能，调整输入阻抗与输出阻抗使输入及输出达到最大的功率传输。

《图三 一个简单的晶体管放大电路》

但基本放大器和功率放大器的设计观点有所不同，基本放大器都是利用小讯号来设计，且工作在晶体管的线性区内，所以设计的考虑在讯号的增益方面。但功率放大器的目的在于获得最大输出功率，使得晶体管工作在趋近饱和区，无论输入功率如何变动，功率放大器的输出功率只会维持在一个饱和区的位准。

在PC时代，半导体制程主要以硅（Si）制程为主，经过长时间的研究发展，使其具有制程技术成熟、组件稳定度高、易于生产、低成本、具高度整合性等特色，再加上原料成本较低，而成为大部分集成电路使用的制程材料。早期模拟式的800/900MHz移动电话，要求频率与线性度标准较低，大部份RF组件仍可由硅制程的BiCMOS技术来制作。但目前的数字移动电话GSM、CDMA的RF组件中要求的组件需具备高频、线性效果佳、高效率、低噪声等效果，因此，硅制程由于先天特性上的问题，对于无线通信所要求的高频化，己无法胜任，也使得砷化镓制程找到发挥的空间。

目前功率放大器所使用的材料有砷化镓（GaAs）、硅锗（SiGe）等，但随着无线通信高频化的要求，采用异质接面双极晶体管（HBT）制程与砷化镓材料的半导体组件逐渐成为主流。砷化镓以其材料本质上的优势，在高频响应特性良好，噪声值低、效率高、增益值大、线性度佳，又可做成单晶微波集成电路功率放大器（MMIC PA）等特性下，在无线通信领域的应用逐渐增加。

功率放大器之封装模块化

PA module组装的关键技术在于PA module没有标准，必须配合IC公司的设计，形状包装多样，也就是非常客制化，甚至测试程序也非常不同。

另外手机朝多频、多模方向发展的情况下，使得每只移动电话内可能包含多个不同频率或模式的功率放大器，因此使得功率放大器的分类更为复杂。

以往在移动电话功率放大器部份，是采用分离式组件（Discrete）进行组装，但在阻抗的匹配问题上，会有微调（Tune）的困难，因此，有些PA芯片厂商会设计功率放大器模块，将功率放大器（PA）芯片与几个被动组件封装一起，提供输出与输入端达50奥姆的阻抗匹配电路，除了使产品在高频讯号更?定，还能大幅减少无线通信产品所需之外部组件。模块化设计只是初步，最后终将整合为单一系统化的封装（SiP）结构发展，采用SiP设计的好处︰IC公司已经为下游系统客户解决了部份的兼容问题，且SiP会让产品体积小，缩短设计时间，符合time to market的重点，也省成本。

电子系统之轻薄短小趋势，市场对多芯片模块封装 （MCM）的需求与日俱增，行动用功率放大器 （PA）模块及蓝芽 （Bluetooth）模块皆是未来趋势，GPRS 功率放大器、蓝芽模块之整合构装及光电通讯之发射及接收模块皆是未来发展重点。

功率放大器之封装的电性寄生效应

由于封装的寄生效应相当于产生一组电感、电容、电阻的等效寄生电路，此封装的寄生电路将改变功率放大器原设计的抗匹配网络，使得输入阻抗与输出阻抗改变，造成电路阻抗无法匹配降低功率传输与操作频率飘移的现象。

因此设计高频组件的封装时，对于组件之高频特性需详加分析，最好能透过实际测量建立各别封装电性参数数据库，以提高电路仿真之准确度。

分析一个利用导线架的封装方式，如目前商用的包装如LCC、SSOP、SOIC、TSOP，其完整信号传递路径包括：芯片与导线架的金线连接、导线架的线路、导线架至PCB的引脚长度，其接脚电感加上打线电感约2 nH至6 nH左右，若RF IC之设计在3 GHz以下，考虑封装杂散效应，使用导线架的封装方式仍然可以正常操作，在进入4 GHz以上，匹配电路的电感值将接近这个范围，因此封装将势必成为设计的一部分。

BGA的封装方式则将导线架引脚改为BGA钖球数组的方式，并且钖球直接设计在芯片的下方，可大大降低封装体积，也缩短导体线路的距离。但连接芯片与封装基板的连接，仍采用打线连接的方式，因为金线连接两者仍有一段距离且金线本身相当细，因此含有相当大的寄生电感参数。若将此连接的方式再改为覆晶接合（Flip-Chip），以覆晶凸块连接芯片与封装基板，对电气特性的效能也会有所帮助。覆晶的特色是以凸块连接芯片与基板，不过使用凸块有许多因应力而造成可靠度不佳的现象，业界于是想到于凸块间灌入底胶（Underfill）来改善。但是，灌入底胶其程序相当繁琐，再加上封装后成本的始终居高不下，是目前覆晶封装所面临到的瓶颈。

另一种无凸块式覆晶技术（Bumpless Flip-Chip）的连接方式，一样没有打线方式的金线长度，也减少了覆晶凸块的高度，芯片与封装导体几近直接连接在一起，目前已有Intel推出的BBUL及钰桥的B2 Technology。因此，除了在电气特性的效能会有更明显的改善外，也符合未来产品走向轻、薄、短、小的趋势。

嵌入式被动组件与MEMS组件的发展

一种关于被动组件整合的热门话题，就是所谓的嵌入式被动组件（Embedded Passives）技术，目前的技术分别有：陶瓷基材的低温共烧技术（LTCC）、有机（Organic）基板配合高介电系数的介电层材料或利用嵌入式高分子厚膜等的方法，将系统所需要的被动组件整合在封装基板内，达到系统化封装的需求。嵌入式被动组件的优点除了减少被动组件占用的基板表层面积，以及将被动组件更加接近主动组件外，由于无被动组件的封装接脚所产生的寄生效应，因此电气特性在高频讯号的表现上更稳定。

另外有别于将被动组件整合在基板的技术，是将被动组件直接制作在芯片中，但目前集成电路制作以硅作为底材的CMOS制程，所谓的低Q值一直是为人所攻击，因为高频时由于受到基板寄生效应影响，Q值皆小于10，但为了维持高信号／噪音比，所以组成组件最好能具有高Q值以避免信号损耗，但这个缺点在微机电（MEMS）技术的参与发展下，将使移动电话整合单芯片的实现成为可能。如(图四)为利用MEMS所制作的电容器被动组件，具有电容值可调整的功能，利用覆晶（Flip-Chip）方式整合至封装基板上的例子。

《图四 MEMS所制作的可调式电容器被动组件与覆晶封装方式〈数据源：IEEE Paper〉》

功率放大器之散热问题

近年来功率晶体管体积愈来愈小，而输出功率愈来愈大，热量容易累积而使功率晶体管容易因高温受损。为了提升晶体管工作的可靠度，在设计功率放大器时，除了要求高功率放大性能之外，对于散热的要求也是封装设计的重点。

功率晶体管的散热效应，决定于晶体管的热阻抗（Thermal Resistance），使用散热片能确保组件的接面温度（Junction Temperature）在最大值以下，散热片的尺寸决定于散热片的材料、晶体管功率消耗、散热片周围的通风、与操作时周遭的温度，通常组件直接附着在散热片上，如此可增加散热的效率。芯片与散热片之间的热传导信道愈短愈好，且应为良好之热导体，例如铝材。在外型设计上，采用散热面积较大的散热片将能增加散热的效果。

另外可采用覆晶接合（Flip-Chip）方式与数组锡球（BGA）的引脚方式，这两种方式可以弹性的在芯片下方设计热传导球（Thermal Ball） ，直接将热由锡球引导出去，增加封装散热途径。

国外厂商之功率放大器发展状况

目前移动电话的功率放大器中，由于前四大厂商：RF MD、Hitachi、Conexant与Motorola已掌握近七成的市场，市场寡占的情形相当明显，其中北美厂商即拥有超过一半的市场占有率。全球占有率近20%的RF MD，以供应Nokia为主，因此产品多为GSM系统所使用；排名第二的Hitachi则以供应日制手机为主；紧追在后的有Conexant与Motorola，Conexant以量产CDMA系统为主，主要供应Ericsson与Samsung使用，而Motorola则是以供应自制移动电话为优先，不足的部分则向Conexant采购。

功率放大器是半导体产业中相当奇特的一部分，在全球硅半导体走向垂直分工的情形下，生产功率放大器的厂商大多不为所动（包括Si PA与GaAs PA在内的厂商），仍是一手包办设计、IC制造、封装、测试等。有些厂商甚至连磊芯片都自己量产，RF MD就是一例，而Conexant则算是功率放大器产业中最早走向垂直分工的厂商，将功率放大器的砷化镓IC制造分成：砷化镓磊晶制造、IC设计、IC代工、封装与测试，目前Conexant将磊晶交给全新；将代工交给博达；封装、测试、模块部分亦已委由其他厂商来执行。

目前大厂之功率放大器封装方式介绍

Conexant针对全球各个主要无线通信标准，包括宽带分码多重存取（WCDMA）、多频式全球行动通讯（GSM）、分码多重存取（CDMA）、动态分时多重存取（TDMA）、先进移动电话系统（AMPS）及无线区域回路应用提供了涵括各式解决方案之广泛的功率放大器产品，并且大量组合多个不同频率或模式的功率放大器于单一封装设计，即所谓多芯片模块封装（MCM）产品。(图五)为Conexant所使用的MCM封装（称为Micromodule package）的尺寸及外观图。

《图五 Micromodule Package的尺寸及外观图〈数据源：Conexant公司〉》

Maxim公司推出MAX2242线性功率放大器，适用于2.4GHz ISM-Band无线局域网络相关产品，如IEEE802.11b、Wireless LANs、Home PF、2.4GHz Cordless Phones、2.4GHz ISM radios，此功率放大器采用超小型芯片级包装（UCSP：Ultra-Chip-Scale Package），面积只有1.5mm × 2.0mm (图六)，因此适用于PC Card型式的无线局域网络（Wireless LAN）产品。UCSP封装除了有体积小的优点外，因为无金线连接芯片与封装基材，可降低芯片与电路板之间的电感杂散效应，因而提升射频（RF）讯号的效能。

《图六 3 x 4 UCSP封装的尺寸图〈数据源：Maxim公司〉》

结论

在无线通信的环境下，发射机的发射讯号对其他用户可能是一种干扰，这现象称为EMI干扰；同样的，接收机也会受到其他人为或自然讯号源的干扰，称为EMC防干扰能力，即使是所欲接收的讯号，也会由于讯号的多重路径（multi-path）传播、建筑物的遮蔽（Shadowing）效应，以及组件的非线性特性产生的失真与量化噪声，造成讯号还原时的解调困难。而现今系统都朝数字化发展，对讯号质量都有一定的要求，因此在整体射频?组的整合过程中，除了掌握整体性能与各组件的适合性外，还要克服组件封装杂散效应所造成的EMI或EMC干扰及与芯片的匹配问题，所以模块化的设计与选用的封装适当与否将是影响成败的关键。

随着无线通信产品的荙勃发展与系统之轻薄短小的趋势，市场对模块化封装与高效能的封装技术需求与日俱增，功率放大器是目前无线通信电路中之核心组件，具有最高的附加价值，厥为最佳之研发领域。

（本文作者任职于钰桥半导体）