内部无线连接技术简化设备、提高产品设计自由度

内部无线连接技术简化设备、提高产品设计自由度（上）
印刷电路板（PCB）上的布线与连接器等的无线化技术开发日益活跃。该技术与此前盛行的芯片积层间的无线通信技术不同，以通信距离延长至数mm～数cm为特征。如果以这种技术使设备内部的配线数量得以减少，就可能由部件安装的简单化而实现设备的小型化并降低成本。并且，其连接可靠性及设计自由度也会提高。
“如果半导体芯片能以无线连接，则印刷电路版上的布线只需电源线即可”，索尼公司的核心元件开发本部高频传送及影像系统开发部门毫米波系统开发部统管部长川崎研一说。“现在的设备中连接器过多，希望能无线化”（瑞萨电子技术开发本部先行研究统管部先行研究第一部长水野正之）。而日本庆应大学理工学系电子工学专业黑田中广教授则表示：“如果可以消除存储卡暴露在外的电极，就可以实现全密封。”
以半导体芯片间的无线连接，来实现安装形态的简略化及提高附加值为目标的技术开发日渐活跃（图1）。此前提到芯片间的无线通信，多指封装内积层间的无线通信。其通信距离短至20μm～30μm（图2）。而现在开发的技术通信距离长至数mm～数cm，拥有以无线取代设备内部的多种布线，如PCB布线、连接器、缆线等的可能性。因此，其对设备的设计将带来巨大的影响。

图1 以无线技术简化安装
如果设备内部的部件连接利用无线技术，则设备制作可简化。并且，因无需连接器与缆线，设备设计的自由度亦可提高。图依Sony提供的数据所制。（点击放大）

图2 设备内连接无线化技术的开发活跃
作为近距离无线通信技术，已经提出了非接触IC卡、积层芯片间的无线连接方案。设备内布线的无线化技术，就通信距离与数据传输速度而言，可以说是介于上述二者之间。（点击放大）
无线技术对设备制造厂商的影响大致有三个方面。
首先，因印刷电路基板及封装基板（中介层）的的结构可以简化，使得设备可以实现小、薄型化，并可降低成本。索尼的川崎表示，随影像分辨率提高及3D化，设备内部的数据传输速度“2010年为10Gbit/s，2015年将为100Gbit/s，估计会呈指数上升。”
如此之高的速度会招致设备内部布线数量的增加，因此不可避免会增加PCB的层数与中介层，同时对于线路连接的阻抗管理也会变得很复杂。而如果能以无线连接来减少布线数量，则“最终可能只用一层或两层PCB来为芯片供应电源即可”（川崎）。
第二，可提高连接器与电线等可插拔与可弯曲部分连接的可靠性。有线连接器与电线，长期多次的机械性插拔及弯曲，其可靠度都会降低，而无线连接基本上没有这些问题。
第三，设备设计的自由度会增加，因为组装更为简单。以存储卡来说，如拥有与连接器相近结构的存储卡，因使用无线技术而不再需要外露的电极，因此存储卡和机身都可以完全密封。“还可使其拥有防水功能”庆应大学的黑田说道。当然，机身因没有了卡片插槽，其外型也更可以自由发挥。
不仅是设备制造厂商，其对半导体厂商的成本降低作用也不容小视。若无线技术使得PCB的布线减少，也会减少芯片上的接触点区域。过去难以微细化的接触点区域减少则芯片面积就变得易于缩小，认为这会一举使成本降低。
更进一步，也许不再需要高风险的系统单芯片（SoC）的开发。这是由于，若能以无线连接构成SoC的IP核，则理论上就能以IP核为单位大量生产芯片。索尼的川崎说：“SoC的成本之所以高，是因其是集多个IP核于一体的多品种、小批量品。如果能以IP核为单位大量生产芯片，并能以无线自由连接，则不仅能够降低成本，还能够事后追加IP核以提高性能。”
延长磁场耦合的通信距离
着眼于如此多的可能性，设备内连接无线化的技术一个接一个面世。目前，有（1）利用线圈之间的磁场耦合方式；（2）利用数GHz频带厘米波的方式；及（3）使用数十GHz频带毫米波的方式（表1）。（未完待续 记者 木村雅秀）

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上述技术的共同点在于，都以数年内实用化为目标以及收发电路均以CMOS工艺制造并集成于芯片上。而其数据传输速度、功耗、通信距离以及天线定位容许误差等，都各有不同。技术（1）与（3）的数据传输率与功耗较佳，但是技术（1）的距离最大只有数mm，而技术（2）与（3）都可达到数cm。技术（2）与（3）也比技术（1）具有较高的天线定位误差容许度。详细讨论如下。
（1）磁场耦合方式，此前一直主要研究用于积层芯片间的无线通信，但近来面向设备内部线的通信距离延长的技术开发取得了进展。例如，庆应大学黑田的研究团队，已经在2010年6月举办的“2010年VLSI电路研讨会”上发表了面向非接触式存储卡的数据与电力传输技术（图3）。其特征是采用了自主的即使用重叠的线圈传送数据与电力，也不会发生干扰的“幸运草形线圈”。

图3 使用无线技术的全密封记忆卡
庆应大学已经开发出在存储卡和主系统间，不仅是数据，甚至连电力均可无线传输的技术。存储卡因可完全密封，所以还可具有防水功能。（点击放大）
该技术系在2010年2月的半导体电路技术的国际会议（ISSCC）2010上发表的面向非接触式存储卡，以2.5Gbit/s的数据传输速度，在0.5mm～1.0mm的距离上通信技术的扩展。
采用“8”字形的线圈
此次采用的幸运草形线圈由三种线圈组成（图4）：电力线圈、数据线圈与时脉线圈。每一种都形成一对具有传送与接收线圈的通讯频道，彼此相对垂直摆设。在直径0.7mm的电力线圈内部配备了“8”字形的数据线圈与时脉线圈，彼此相差90°。黑田教授说，这些线圈因很像有着4个叶片的“三叶草”，所以命名为幸运草形。

图4 以幸运草形线圈防止干扰
因电力传送时数据接收线圈产生的电动势可以互相抵销，因此不会产生干扰（a）。当传送时钟频率时，数据接收线圈的磁通量会抵销，仍不会起干扰（b）。应庆大学的黑田研究小组试制了配备这种幸运草形线圈的芯片（c）。（点击放大）
“8”字形的数据接收线圈因采用两个反转线圈相连的结构，因此来自电力发送线圈上的磁通量，可与数据接收线圈内产生的电动势相抵消（图4a）。并且，因时脉传送线圈“8”字形线圈的一半产生的磁通量向上，另一半向下，所以，在与其呈90°配置的数据接收线圈上来自时脉线圈的磁通量可互相抵销（图4b）。其结果，是三种线圈在互相重叠的情况下，避免了互相干扰的问题。
事实上，检视数据接收线圈所产生的信号电压与干扰电压之比可以看出，信号电压大至干扰电压的100倍以上，确认了通信十分可行（图5）。数据传输速度在1mm时可达6Gbit/s。“这是非接触式存储卡实现完全密封的第一歩。”黑田说。

图5 抑制干扰的影响
因使用三叶草形线圈，已确认信号电压与噪声电压比（SIR）达到了20dB（100倍），届时，可容许±20μm的线圈位置误差。（点击放大）
目前最大的问题是电力传送效率较低，只有约10％。这是由于电力线圈集成在Si芯片上。而片上线圈的寄生电阻与电容都很大，从而损失加大。因此，黑田称，今后“将致力于在芯片之外的印刷电路板上形成线圈，以将电力传输效率改善至70%以上”。并要将每个线圈传输的电力从目前的10mW提高到1W以上。
将天线缩小到只有1mm
（2）使用厘米波方式，优点为提供了比磁场耦合更大的传输距离，但因波长（1cm～10cm）较长，难以缩小天线的尺寸。（未完待续 记者 木村雅秀）
瑞萨电子开发出了使用与波长相比非常短的直径1mm的天线，在1cm的距离上可以15Mbit/s的数据传输速度通信的技术，并在2010 Symposium on VLSI Circuits上发表（图6）。由于小型天线的信号强度较低，采用了来自有线通信技术领域的来源同步（source-synchronous）技术，解决了信号/杂讯（S/N）比的问题。该公司的目标是以将其应用到非接触式存储卡与便携设备插座上。

图6 以直径1mm的片上天线实现1cm距离的无线传输
瑞萨电子使用直径1mm的片上天线， 在1cm的距离上实现了15Mbit/s无线数据传输。（点击放大）
通常使用厘米波的接收电路，多为根据锁相迴路（PLL）所产生的同步信号解调数据。此时在接收线路上产生的噪声强度为接收电路本身的噪声与同步信号偏移成分及小型天线所导致噪声之和（图7）。针对这一问题，此次采用将同步信号与数据信号同时传送的来源同步方式，排除了同步信号偏移的影响。并由此使接收电路的噪声降到了必要以下的水平。

图7 降低小型天线的噪声是课题
通常当天线小型化时，接收的增益会降低，因此信号会受噪声影响而减弱。此次通过消除同步信号偏移而产生的噪声而获得解决。（点击放大）
具体来说，就是采用了数据信号以3.6GHz传送，同步信号以4.8GHz的载波传送，而以接收电路的滤波器将它们分开的方式。调变方式为振幅偏移键制（ASK）。除通信距离达到了1cm外，还确认了传送与接收端的天线定位容许误差达到了1cm。因为接收电路不需要PLL，电力消耗由此前的40mA降到了20mA。
今后需要解决的问题有两个：一是目前15Mbit/s的数据传输速度低，另一个是电源供给尚未无线化。
关于数据传输速度，“15Mbit/s是太低了”，许多人同意日本某设备制造厂商的这种看法。对此，瑞萨电子的水野估计，“从技术上来说，可以将数据传输率提高到数百Mbit/s”，但还没办法到Gbit/s的等级。
关于电源，他补充说，“现在因非接触式电源供应方式效率低，所以我们使用了有线的电力供应方式。如果开发出了高效率的非接触式电力供应技术，我们会采用”。
使用毫米波提升数据传输速度
（3）毫米波与厘米波一样是无线电波，易于延长传送距离。而且因为波长只有数mm，还拥有易于缩小天线尺寸的特点。这个领域的领先者是索尼。2010年2月，索尼发表了使用60GHz频带的毫米波，以4.3Gbit/s数据传输速度实现约6cm距离通信的技术（图8）。

图8 以毫米波实现设备内的无线传送
索尼正在利用60GHz频带的毫米波，开发设备内布线连接的无线化技术。试制品已经实现了在约6cm距离上，以4.3Gbit/s的速度传送数据，今后，将以实际应用为目标加速开发。（点击放大）
索尼表示，今后将对设想的特定用途设计具体的模块。毫米波因天线密封在树脂中会造成信号衰减，“所以在设计之初，就必须考虑到树脂密封与封装结构”（索尼的川崎）。目前，“在毫米波下测量的封装材料的导电性等设计资料不足。今后，将通过毫米波下的测量等方式，充实设计所必需的数据”。
该公司还进一步希望使用更高频率的毫米波来提升数据传输率。毫米波电路因大致可以使用晶体管截止频率一半的频率，川崎说，“如果我们能使用截止频率为300GHz的40nm制程技术，则有可能制作频率达150GHz的CMOS电路。”这样将有望比现在60GHz频率大幅提升传输速度。加之，为使设备内多个传输路径换为无线技术，该公司还将考虑由频率分割实现多通道化的措施。
此外，关于对芯片的电力供应，基本考虑通过印刷电路板进行。川崎说：“电力用毫米波来传送为时尚早。有可能结合使用开发之中的非接触式电力供应技术。”（记者：木村雅秀）