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手机用电子元器件技术展望
Mobile Phone Component Developments and Technology Directions
■iSuppli公司

预计到2006年,用于手机的电子元器件市场将从2001年的334亿美元增长到441亿美元。其中半导体所占的市场份额相对稳定;显示器件市场份额将增大,2006年将占总收入的12.6%;无源元件市场份额下跌至23.7%。

 

显示屏

 

2000年彩屏手机首先在日本推出,随后遍及全球市场。由于彩屏手机在日本的市场占有率超过50%,彩色显示屏在2000年一度供不应求。2001年,由于LCD产量迅速增加,同时手机市场出现下滑,因此尽管有多种新型彩色显示屏推出,市场仍出现了供大于求的情况。

除了手机用彩色LCD的需求强劲外,随着智能电话市场的不断扩张以及各种集成了虚拟键盘的新型设计日益涌现,大尺寸显示屏的需求也有所增加。此外,手机中的各种图形及视频功能也刺激了对有源矩阵彩色显示屏的需求。预计2006年有源矩阵彩色显示屏的市场需求将达62%。

手机LCD显示屏主要的供应商包括精工爱普生(Seiko Epson)、三星SDI、Optrex、精工电子株式会社(Seiko Instruments)、飞利浦、卡西欧、西铁城(Sitizen)和三五系统公司(Three-Five Systems)。夏普和日立公司进入本市场的时间不长。2000年彩色LCD供应商仅有精工爱普生和夏普两家。NEC也宣布与卡西欧共同开发及生产彩色LCD,以便增强两家公司的实力,共同打入这一市场。

有机发光二极管显示屏(OLED)的潜在优势引起平板显示屏业界的极大关注。此类显示屏非常适用于手机等移动应用。

不过,OLED显示屏仍处于早期开发阶段,还具有明显的局限性。例如,它需要12V到15V的驱动电压,而通常手机电池电压仅为3.6V。此外它的功耗变化较大。在弱光下,OLED中只有部分LED点亮,因此它的功耗比TFT-LCD低。然而在强光下,三星的OLED功耗会达22毫瓦,而无源LCD功耗仅为2-5毫瓦,有源TFT-LCD功耗为5-20毫瓦。不过OLED显示屏的寿命有了很大提高。

目前有两种主要的OLED显示技术:柯达的"小分子"OLED显示技术和剑桥显示技术公司提出的聚合体OLED显示技术,也称为发光聚合体(LEP)。目前有20家OLED生产厂正在兴建工厂或进行技术开发。

通常手机显示屏需要三至四个驱动IC。领先的驱动IC厂商有精工爱普生、飞利浦、三星、Rohm、新日本无线株式会社(New Japan Radio)、东芝、NEC、LG电子、夏普和德州仪器(TI)。显示驱动IC通常采用原有的0.35 m工艺技术制造。一些新的LCD面板设计正努力将驱动电路集成到LCD面板中,从而无需单独的驱动IC。

 

视频/图像采集

 

除了彩色显示屏外,将数字摄像头集成到手机中也成为热点趋势。受手机市场的推动,2002年的CCD和CMOS成像传感器需求强劲。预计这一趋势会持续发展,更多的手机将会增加这一功能。

 

RF架构及技术

 

近年来基带部分的解决方案大有改进,相比之下,射频(RF)部分则较难集成。但通过对射频功能进行集成并采用模块化封装,可节省大量成本。

直接变频/技术

当今所有主要的手机供应商都在产品中使用了直接变频设计。不过一些旧款手机采用的是超外差设计,而且现在仍在生产。新推出的各种GSM手机用芯片组几乎都是直接变频的。

iSuppli估计,2002年生产的GSM手机中约有60%采用直接变频设计。随着更多的直接变频设计投入量产,这些产品的市场占有率也会稳步上升。预计到2005年,只有不足5%的GSM手机仍然采用超外差设计。

CDMA手机现在也开始采用直接变频技术,高通公司(Qualcomm)在2002年4月推出其直接变频解决方案radioOne的样品。目前CDMA设计才刚刚开始集成radioOne解决方案。如果高通公司这一方案获得成功,radioOne便会迅速在CDMA手机设计中获得采用,2003年会有25%的手机集成这一方案。

全CMOS射频解决方案

由于手机中不断地增加如蓝牙接入和全球定位(GPS)跟踪等新功能,它们需要将多种射频功能集成在同一封装中,这给设计工程师带来了一定的困难。目前有多家供应商提供射频前端解决方案,可支持多个蜂窝频段和标准。不过,可以支持如蜂窝、GPS及蓝牙等多射频的多模式RF芯片开发仍处于初始阶段。

目前已推出了用于手机的全CMOS收发器。最初开发的全CMOS射频解决方案用于蓝牙及无线LAN等其它通信产品。

硅实验室(Silicon Laboratories)公司专门开发低成本通信解决方案,它通过改进架构来实现基于全CMOS的解决方案。该公司推出一种用于GSM手机的全CMOS收发器。该设计采用了台积电(TSMC)的0.18微米和0.25微米标准工艺,实现了一种三芯片解决方案:一个收发器、一个基带接口和一个RF合成器。

新加坡特许半导体公司(Chartered Semiconductor)将CMOS RF市场作为其晶圆代工业务的战略性投资领域。该公司已开发了一种0.13微米工艺用于RF CMOS产品,可适应1V、2.5V和3.3V的工作电压。该公司还投资开发模拟和高频电路技术,并与爱立信和日本冲电气(OKi)等公司合作。特许半导体公司开发的RF CMOS模块带有RF应用所需的无源元件,包括螺旋电感、金属层-绝缘层-金属层电容、可变电容器及多晶硅电阻。

硅锗(SiGe)技术

硅锗(SiGe)技术在手机用RF半导体市场获得了高度成功,并与飞利浦半导体等公司推出的BiCMOS工艺相竞争。经过多年开发,IBM微电子公司成功地改进了用于无线通信市场的硅锗工艺,成为各种半导体公司最大的硅锗技术供应商。继IBM获得成功后,杰尔系统公司(Agere)、科胜讯(Conexant, 现为Skyworks Solutions)、英飞凌、Maxim、德州仪器(TI)及其它公司均宣告了它们自己的硅锗技术及开发进展。

功率放大器

显然,今后的功率放大器(PA)都将采用模块化封装。通常一个PA需要各种外部离散元件。而在PA模块中,这些元件被集成到芯片上或封装内。
所有领先PA厂商都供应PA模块iSuppli预计,到2004年所有的PA都会采用模块化封装。

单芯片解决方案

业界正在讨论将手机中的射频部分集成在单芯片中,甚至将手机中所有的功能集成到单芯片中。目前已出现了用于蓝牙等其它无线技术的单芯片解决方案。
TI在2002年9月宣布了该公司的计划,在手机设计中采用单芯片方案。这块单芯片将集成所有的RF和基带元件。唯一的外部元件是PA模块,以及约25个离散的无源元件。

 

无源元件

 

目前手机设计中开始采用集成无源元件(IPD)。采用IPD可减少在PCB上放置离散器件所需的额外费用,从而获得较低的生产成本。

IPD在一块集成芯片中提供多个无源元件的功能。iSuppli预计2003年5%的手机中的无源元件被IPD替代,到2005年这一比例会增加到12%。尽管IPD元件的价格比离散元器件要贵,但手机设计者关注的是采购总成本,包括离散元件的放置成本和库存管理成本等,因此他们会尽可能地使用IPD。不过,目前最为流行的IPD为四芯片阵列。只有当包含了10个或更多无源元件的IPD流行时,IPD的成本才会与购买和放置同等数量的离散元件的成本相当,届时IPD市场才会真正地繁荣起来。

除了IPD外,厂商还努力采用其它方法来减少手机中离散无源元件的数量。直接变频IC也可取代RF前端的无源元件,主要的是声表面波中频(SAW IF)滤波器。采用直接变频IC后便不再需要声表面波中频滤波器。随着越来越多的直接变频IC投入使用,SAW IF滤波器市场会在今后几年内慢慢地缩减。

手机厂商在采用IPD和直接变频IC来减少产品中的离散无源元件的同时,也不断给产品增加各种新的功能。对现有各种移动技术中的无源元件数进行加权平均计算表明,每只手机所包含的无源元件为440个。而每部三模CDMA手机则带有多达1,000个离散无源元件。由于下一代手机中的功能不断增加,对离散无源元件的需求也在增多,这样可抵消IPD和直接变频IC对这一市场的影响。

用于手机的主要无源元件及其主要供应商如下:
钽电容:AVX、大宇(Daewoo)、Elna、EPCOS、日立、Kemet、Lelon、松尾电子(Matsuo Electric)、NEC、Nichicon、Ningxiao、松下电工、Rohm、三星、Vishay及我国宁夏和深圳的一些厂商。

多层陶瓷电容:AVX/Kyocera、村田制作所(Murata)、三星电子、Taiyoyuden、TDK、国巨电子(Yageo)。

声表面波(SAW)滤波器:EPCOS、富士通多媒体部品株式会社(Fujitsu Media Devices)、松下电子部品(Matsushita Electronic Components)、村田制作所、Thales Microsonics、TriQuint。
温补晶体振荡器(TCXO):AVX/Kyocera、CTS、大真空株式会社(KDS, Daishinku)、Kinseki(KSS)、日本电波工业株式会社(NDK, Nihon Dempa Kogyo)、东京电波(TEW, Tokyo Denpa)、东洋通信(Toyocom, Toyo Communications)。

天线:村田制作所、日本天线(Nippon Antenna)、三省电机(Sansei Electric )、SMK、Yakowo。

 

无线基带及多媒体处理器

 

由于手机中增加了多媒体功能,它需要基带具有更强大的处理能力。通常新型的无线多媒体芯片采用与无线通信基带处理器类似的方法将微处理器(MCU)和数字信号处理器(DSP)集成在同一封装中。这些芯片主要用于处理MPEG4视频流等内容,而通信基带处理器则主要用于通信。

开发出无线多媒体处理器的公司包括德州仪器(OMAP架构,C55X DSP、ARM9 MCU)、英特尔/模拟器件公司(个人因特网用户架构、微信号架构DSP、Xscale处理器)、高通(BREW架构、MSM基带、移动终端处理器(MSP))、东芝、松下及GEO互动媒体集团 ( Emblaze A2)。不过,芯片组供应商正努力将基带处理器和多媒体处理器集成到一块芯片中。

随着2.5G和3G手机的推出,市场上开始出现新一代的DSP内核,它们可用于功效更高的无线通信基带处理器。DSP技术及架构的领先供应商包括德州仪器、SarCore(朗讯与摩托罗拉的合资公司)、模拟器件公司(ADI)、英特尔、DSP集团、高通及英飞凌(Infineon)。

在未来一段时间内,各种标准会在市场中共存并相互竞争,软件定义无线电(SDR)的产品开发也在持续进行。在这种情况下,经过开发设计,一些基带处理器可支持不止一种无线通信协议。

 

存储技术

 

在过去两年内,集成了闪存和SRAM的堆迭式存储器在手机中获得了广泛应用。下一步则是将堆迭式存储器和处理器集成在一个封装内。

将两块同时工作的芯片集成在同一封装内可获得理想的热性能,这便是系统级封装技术的一个好处。一些公司开发出专门用于闪存器件和工作频率为100MHz的DSP处理器的同步接口。这些封装方法可满足2.5G和3G手机所需的高性能和小尺寸要求。英特尔有自己的处理器和闪存技术,可开发这种组合解决方案。德州仪器和AMD则结成联盟,将AMD的闪存集成到OMAP平台中。手机存储器市场还有许多类似的封装及技术协议,它们都会改变手机用存储器的封装和性能。这一发展趋势将基带和存储器产品的设计和营销联系得更紧密。

手机用NOR型闪存领先的供应商包括AMD/富士通和英特尔。意法半导体、Atmel、三菱和硅存储技术公司(SST)也在该市场占有一定份额。NAND型闪存领先供应商三星电子也开始加大投资,提高产能,供应手机用NOR型闪存。由于手机对存储器的位密度要求增加,这些供应商也会面临着价格压力。为了解决这一问题,英特尔开发了Strataflash产品。这种技术使每个存储器单元可以读写两位的数据,目前产品的密度已达128MB。为了进一步增加每存储单元的位密度,英特尔与Azalea 微电子公司展开了合作。两家公司开发的技术使一个单独的存储单元可分为16层。英特尔和Azalea预计首枚4位/单元的闪存产品会在2003年上半年推出。意法半导体公司和硅存储技术公司也在推出2位/单元的产品。

2000年12月,IBM微电子公司及英飞凌宣布开发一种称为磁随机存储器件(MRAM)的移动设备用新型存储技术,引起了业界的关注。这种存储技术基于IBM公司在过去4年间的研究成果。IBM发现了一种方法,可将磁性薄膜与可承受后端半导体退火处理的电阻材料结合在一起。从而可采用标准的CMOS工艺来生产MRAM芯片。MRAM技术可望结合高速SRAM的性能、非易失性数据存储和极低的功耗等性能。

 

天线

 

目前市场上有多种技术可实现手机用的小天线及嵌入式芯片式天线。由于运营商即将推出高数据速率业务,业界越来越关注智能天线技术。多数此类技术开发均面向手机基站设备。开发天线技术是为了增加基站容量并提高数据传输性能。通过目前市场中已有的技术,基站天线的覆盖面积可在一天内动态地分配给不同地区,以平衡通话容量。

 

电源管理及电池

 

3G手机的出现对电池的化学成份、尺寸大小、充电控制器及电压调节器都提出了新的要求。不过,由于电池性能发展得十分缓慢,目前讨论的电池及电源管理革新都针对降低功耗而言。3G手机对电池寿命的要求很高。诺基亚认为以下几个发展趋势将给电池提出更高的要求。

1)时钟频率为10MHz的8位及16位系统(16Mb闪存)将被时钟频率为100MHz的16位和32位(64Mb 闪存)取代。

2)尽管语音编码仍然只需30Mips,3G手机中的无线频道处理将增加到200Mips,而2G手机仅为30Mips。此外视频编码也需要200Mips。

3)1997年时ASIC器件中的平均逻辑门数为10万门。而2002年则增加到50万门,在3G手机中增加为150万门。

4)由于CMOS的门尺寸减小,必须减少每个门的功耗,而这些功耗已经很小。1994年,每个逻辑门平均功耗为1mW/MHz,现在则降为0.1mW/MHz.。

无论在手机的哪一种功能中,电源转换和电源管理都越来越重要。此外,业界正在开发特殊的电池充电器和调节器技术。有三个重要趋势支持着智能电池开发:在同一裸片上集成了电源转换和模数控制功能;封装越来越小;以及在电池管理器件中集成闪存。

         
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