5G殺到，射頻前端的需要怎樣的工藝和技術？|半導體行業觀察

來源：半導體行業觀察翻譯自semiengineering ，謝謝。

RF器件和工藝技術的市場正在升溫，特別是對於智能手機中使用的兩個關鍵組件——RF開關器件和天線調諧器。

RF器件製造商及其代工合作夥伴繼續推出基於RF SOI工藝技術的傳統RF開關晶元和調諧器，用於當今的4G無線網路。最近，GlobalFoundries為未來的5G網路推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是RF版本的絕緣體上硅（SOI）技術，利用內置隔離的高電阻率襯底。

為了打破市場環境，一家無晶圓廠IC設計公司Cavendish Kinetics正在推出基於一種替代技術——RF MEMS的新一代RF產品和天線調諧器。

RF開關和調諧器是手機RF前端模塊中的關鍵組件之一。RF前端將發送和接收功能集成到系統中，RF開關對信號進行路由。調諧器幫助天線調整到任意頻段。

無論哪種器件和技術類型，當今RF市場的挑戰都令人望而生畏。Cavendish Kinetics總裁兼首席執行官Paul Dal Santo表示：「幾年前，RF是一項相當簡單的設計。但事情現在已經大大改變。首先，RF前端必須可以處理非常寬的頻率範圍，從600 MHz至3 GHz。採用先進的信號技術和5G技術，頻率範圍將達到5GHz至60GHz。這給前端RF設計師帶來了難以置信的挑戰。」

考慮到這些挑戰，手機OEM廠商必須考慮選擇一些新的組件。具體來說，對於RF開關和天線調諧器，可以歸結為兩種技術——基於RF SOI的器件和RF MEMS。

RF SOI是現有技術。基於RF SOI的器件能力尚可，但它們開始遇到一些技術問題。除此之外，市場還存在價格壓力，隨著器件從200mm遷移到300mm晶圓廠，問題還會出現。

相比之下，RF MEMS有一些有趣的特性，並在某些領域取得了進展。事實上，Cavendish Kinetics公司表示，其基於RF MEMS的天線調諧器正在被三星和其他OEM接受。

Strategy Analytics的分析師Chris Taylor說：「接觸式RF MEMS提供非常低的導通電阻，從而降低插入損耗。但RF MEMS沒有生產記錄，高容量無線系統OEM廠商將不會對新技術和小型供應商做出巨大貢獻。當然，RF MEMS作為替代品，價格必須有競爭力，但主要OEM廠商想要可靠性得到檢驗的產品和可靠的供應來源。」

RF前端

不過，在智能手機（RF開關，調諧器，和其他組件）的混合商業環境中，RF前端市場值得關注。根據Pacific Crest Securities的數據，智能手機出貨量預計將在2017年增長1％，而2016年則增長了1.3％。

另一方面，根據YoleDéveloppement的數據，手機的RF前端模塊/組件市場預計將從2016年的101億美元躍升至2022年的227億美元。 據Strategy Analytics分析，RF開關器件市場在2016年達到了17億美元。

隨著OEM廠商繼續在智能手機中增加更多RF內容，RF市場正在不斷增長。Strategy Analytics的Taylor說：「多頻段LTE也正在向下層器件延伸，開關內容正在增加。」

在轉向4G或長期演進（LTE）的過程中，每台手機的RF開關器件數量都有所增加。Taylor 說：「我們每年都在談論大量的單元，大多數但並非全部（RF開關）都會進入手機，其中現在絕大多數是SOI。RF MEMS仍然是新興市場，相對於RF SOI開關來說微不足道。」

儘管RF開關的出貨數量很大，但是市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor 表示，這些器件的平均銷售價格（ASP）為10-20美分。

同時，在一個簡單的系統中，RF前端由多個組件組成——功率放大器、低雜訊放大器（LNA）、濾波器、以及RF開關。

圖1：簡單的前端模塊。 （來源：Globalfoundries，「使用RF SOI設計下一代蜂窩和Wi-Fi開關」，2016年5月）

GlobalFoundries的技術人員Randy Wolf在最近的一個演講中說：「功率放大器的主要目的是確保有足夠的「動力」可以讓您的信號或信息到達目的地。」

LNA放大來自天線的小信號。RF開關將信號從一個組件路由到另一個組件。Wolf 說：「（濾波器）可防止一切無用信號進入。」

在手機中，2G和3G無線網路的RF功能簡單。2G有四個頻段，3G有五個頻段。 但對4G來說，有40多個頻段。4G不僅融合了2G和3G頻段，而且還搭載了4G頻段。

除此之外，移動運營商已經部署了一種稱為載波聚合的技術。載波聚合將多個信道或分量載波組合到一個大數據管道中，可以在無線網路中實現更大的帶寬和更快的數據速率。

為了處理頻段和載波聚合，OEM廠商需要複雜的RF前端模塊。今天的模塊可以集成兩個或多個多模、多頻帶功率放大器，以及多個開關和濾波器。Qorvo移動戰略營銷經理Abhiroop Dutta表示：「這取決於採用的RF架構。PA的數量由手機正在定址的區域頻帶決定。通過單個SKU在全球範圍內應對全球多地區或全球蜂窩市場的典型「全球通」手機，頻段覆蓋面廣泛。對於這種手機的典型RF前端集成模塊的實現，一個選擇是使用具有分頻帶模塊的RF前端，以解決高、中、低頻帶的不同要求。」

相比之下，智能手機OEM廠商可能會為特定市場設計區域手機。Dutta表示： 「一個例子是針對中國國內市場的手機。在這種情況下，RF前端需要支持該地區的頻段。」

圖2：4G前端 （來源：GlobalFoundries，「使用RF SOI設計下一代蜂窩和Wi-Fi開關」，2016年5月）

根據Cavendish Kinetics的理論，LTE手機還有兩種天線，主集天線和分集天線。主集天線用於發射和接收功能，分集天線提高了手機的下行數據速率。

實際操作中，信號到達主集天線。然後移動到天線調諧器，允許系統調整到任何頻帶。

然後，信號進入一系列RF開關。GlobalFoundries的Wolf說：「它轉換到您要使用的適用頻段，GSM、3G、或4G。」信號從這裡進入濾波器，其次是功率放大器，最後到達接收器。

考慮到這種複雜性，手機OEM面臨一些挑戰。功耗和尺寸至關重要。Wolf說：「由於這種複雜性，您的信號在前端受到更多損失，這對您的接收機的總體雜訊係數造成了負面影響。」

顯然，RF開關在解決這個問題方面起到了關鍵作用。總體而言，智能手機可能包含十餘個RF開關器件。基本的RF開關採用單刀單擲（SPST）配置。這是一個簡單的on-off開關。

今天，OEM們使用更複雜的開關配置。Ron*Coff是RF開關的關鍵指標。根據Peregrine Semiconductor的理論：「Ron*Coff是無線電信號通過開關處於「導通」狀態（Ron，或導通電阻）時產生的損耗比率，以及無線電信號在「關閉」狀態下通過電容器的泄漏比率（Coff，或關斷電容）」

總而言之，OEM廠商需要沒有插入損耗以及具有良好隔離的RF開關。插入損耗涉及信號功率的損失。如果開關沒有良好的隔離，系統可能會遇到干擾。Qorvo的Dutta表示：「總的來說，RF前端面臨的挑戰是支持日益增長的性能需求，這與不斷發展的標準和增加頻帶覆蓋範圍相一致。同時還要考慮縮小RF器件封裝的尺寸，因為手機變薄了。插入損耗、天線功率，以及隔離等關鍵指標仍然推動RF產品解決方案的不斷發展的驅動力。」

解決方案

今天，手機的功率放大器主要使用砷化鎵（GaAs）技術。幾年前，OEM從GaAs和藍寶石（SoS）遷移到RF開關的RF SOI。GaAs和SoS是SOI的一個變體，它們變得太貴了。

RF SOI不同於完全耗盡型SOI（FD-SOI），適用於數字應用。與FD-SOI類似，RF SOI的襯底中有薄絕緣層，能夠實現高擊穿電壓和低漏電流。

GlobalFoundries RF業務部門主管Peter Rabbeni表示：「移動市場繼續推動RF SOI，因為它在寬頻率範圍內提供低插入損耗、低諧波，以及高線性度，擁有良好的性能和成本效益。」

今天，Qorvo、Peregrine、Skyworks等公司提供基於RF SOI的RF開關。 通常，RF開關製造商利用代工廠來製造這些產品。GlobalFoundries、意法半導體、TowerJazz，以及聯電是RF SOI代工業務的領軍企業。

因此，OEM在組件供應商和代工產品方面有多種選擇。通常，代工廠提供RF SOI工藝，從180nm到45nm的節點，以及不同的矽片尺寸。

決定使用哪個節點取決於具體應用。聯電公司業務管理副總裁Walter Ng表示：「關於RF SOI技術的擴展，一切都是從技術性能、成本和電力的角度來考慮，讓解決方案適用於終端應用。」

即使有選擇，RF開關製造商也面臨一些挑戰。RF開關本身包含場效應晶體管（FET）。與大多數器件一樣，FET受到無用的溝道電阻和電容的影響。

在RF開關中，FET被堆疊起來。通常，今天的RF開關中堆疊了10-14個FET。 據專家介紹，隨著堆疊FET數量的增加，器件可能會遭遇插入損耗和電阻的影響。

另一個問題是電容。Skyworks在2014年的一篇題為《RF應用中SOI的最新進展和未來趨勢》的文章中寫道，RF開關中，至少30％以上的無用的電容歸因於器件中的互連。互連是金屬層或微型布線方案，包括基於RF SOI的開關。

通常，在4G手機中，RF開關的主流流程是200mm晶圓廠的180nm和130nm節點。大多數互連層基於鋁，但不是全部。鋁互連在IC行業使用多年，價格便宜，但電容較大。

因此，銅被用於RF器件中的某些互連層。銅是更好的導體，電阻小於鋁。Ng表示：「用於130nm RF CMOS工藝產品的傳統金屬堆疊包括低成本的鋁互連層以及高性能銅互連層二者的組合。這是平衡成本和性能的最佳解決方案。RF SOI解決方案通常是一定數量的鋁金屬層以及一個或多個銅金屬層。」

通常，在頂層上使用銅作為超厚金屬選項，可用於改善無源器件性能。Ng說：「厚的頂層金屬，最好是銅，可以通過最小化電阻損耗來提高性能。」

最近，RF器件製造商已經從200mm遷移到300mm晶圓廠，其工藝從130nm提升到45nm。通常，300mm代工廠僅使用銅互連處理晶圓。

通過僅使用銅互連，開關製造商可以降低電容。但是，300mm會提高晶圓成本，從而在市場上產生一些衝突。一方面，OEM廠商在成本敏感的手機市場需要較低的價格。另一方面，器件製造商和代工廠又希望保持利潤。

Ng說：「如今，只有極少的RF SOI正在300mm生產。原因有很多，包括300mm RF SOI襯底的成本和可用性，支持後硅處理的基礎設施，以及其他因素。然而，我們預計在未來幾年內，這些挑戰將會在很大程度上得到解決，然後大部分大批量的RF SOI應用將會遷移到300mm。」

在此之前，行業可能會面臨300mm的供需問題。Ng說：「我們認為，市場會繼續供不應求，直到更多的生產遷移到300mm。那麼，產能上線速度有多快，以及當時的需求如何，二者的匹配會是一個問題。」

通常，今天的RF SOI工藝適用於4G手機。GlobalFoundries希望在5G戰場中獲得跳躍，最近為5G應用推出了45nm RF SOI工藝。該工藝利用高電阻率trap-rich的SOI襯底。

5G是4G的後續。今天的LTE網路從700 MHz到3.5 GHz。相比之下，5G不僅與LTE共存，而且還將在30 GHz至300 GHz之間的毫米波段內運行。5G將使數據傳輸速率達到10Gbps以上，是LTE的吞吐量的100倍。但預計在2020年以前，5G的大規模部署不會發生。

無論如何，5G都將需要一個新的組件類。GlobalFoundries的Rabbeni說：「（45nm RF SOI）主要集中在5G毫米波前端，它集成了PA，LNA，開關，移相器，為5G系統創建了一個集成的毫米波可控波束形成器。」

對於5G，還有其他解決方案。RF MEMS是一種可能性。在另一個可能的解決方案中，TowerJazz和加利福尼亞大學聖地亞哥分校最近展示了一個12Gbps的5G相控陣晶元組。該晶元組採用了TowerJazz的SiGe BiCMOS技術。

誰會是贏家？時間會告訴我們答案。Strategy Analytics的Taylor說「目前尚不清楚RF MEMS是否具有5G的優勢。對於SOI來說，單片集成可能會贏得至少6-GHz以上的頻段。」

什麼是RF MEMS？

基於RF SOI的開關將繼續佔據主導地位，但新技術——RF MEMS也有存在的空間。Cavendish Kinetics的Dal Santo說：「SOI隨著時間的推移已經取得了不可思議的進步。電阻下降，線性度變得更好。但是SOI開關只是一個晶體管開啟或關閉。它導通時的表現不是很好，關閉時也不是很好。」

RF MEMS多年來一直在前進。今天，Cavendish、Menlo Micro、以及WiSpry（AAC Technologies）正在為移動應用開發RF MEMS。

RF MEMS與基於感測器的MEMS（例如陀螺儀和加速度計）不同。感測器MEMS是將機械能轉換成電信號的感測器。相比之下，RF MEMS則是傳導信號。

最初，Cavendish等人瞄準了在天線調諧器市場採用RF MEMS技術，採用基於RF SOI的開關和其他技術。

圖3：帶開關的天線調諧器 （資料來源：Cavendish Kinetics）

Dal Santo說：「如果天線是固定的，則不可能使它們支持所需要的頻段範圍。所以他們需要調整。現在，主要的方法是切換，或是切換不同的固定電容器，或是切換不同的固定電感器。問題在於天線是高品質因數（Q）器件。你必須小心，不要給它們接負載，否則會看到輻射性能的損失。」

相比之下，Cavendish的調諧器有32個不同的電容範圍。Dal Santo說：「它們是完全可編程的，具有非常高的品質因數（Q）。所以它們的損失非常低。您可以使用這些來把天線調整到您需要支持的頻率範圍。」

展望未來，Cavendish計劃在更大的RF開關領域採用基於RF SOI的器件。Dal Santo說：「如果用一個真正的開關來代替，那必然是MEMS開關，你可以看到接收機或發射機的插入損耗的累積效益。」

但RF MEMS器件是否會取代基於RF SOI的器件？一家名為TowerJazz的公司可以提供一些見解。TowerJazz提供傳統的RF SOI工藝，也是Cavendish的RF MEMS器件的代工廠商。

TowerJazz 公司RF與高性能模擬業務部門高級副總裁兼總經理Marco Racanelli說：「RF MEMS和RF SOI在競爭相同的應用，二者可能會有一些小的重疊。一般來說，二者將會相互補充。在最苛刻的應用中獲勝的是RF MEMS，RF SOI贏得其餘的應用。」

Racanelli說：「RF SOI會繼續發展，因此對於RF開關應用和部分低雜訊放大器市場而言，RF SOI仍然是可行的。然而，有一些應用，例如用於低雜訊放大器的SiGe和用於開關的MEMS替代技術可以提供更好的線性度和更低的損耗。而RF SOI將繼續服務於不斷擴大的市場，其他技術也將有所發展。」

RF MEMS正在天線調諧器市場上佔據一席之地。時間會說明該技術是否可以破局開關市場。Racanelli說：「未來，RF MEMS可以通過提供比內置RF SOI線性度更好和損耗更小的開關來提高手機中的數據速率。這可以理解，在RF MEMS中，金屬板可以在「導通」狀態下直接接觸並形成一個金屬的、低損耗的線性連接。更高的線性度允許更寬的頻帶和更複雜的調製方案，這可以提高手機中的數據速率。」

原文連接：http://semiengineering.com/rf-device-and-process-biz-heats-up/

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