RF-SOI:當代射頻和毫米波前端的核心

2020-12-01 電子工程專輯

根據IHS Markit獨立研究的《5G經濟》報告2020年更新版，儘管全球經濟受到疫情影響，但5G賦能的經濟產出的增長趨勢幾乎保持不變。預計到2035年，5G將創造13.1萬億美元的全球經濟產出，創造2280萬個工作崗位，全球5G資本支出和研發投入將增長10.8%，年均投入高達2650億美元。SjCEETC-電子工程專輯

迄今為止，全球已有超過45家OEM廠商已經或即將宣布推出5G終端，超過50家運營商部署了5G商用網絡，超過345家運營商正在投資5G。從終端角度看，基於《IDC全球智慧型手機跟蹤報告》，IDC預測2020年全球5G手機出貨量約2.4億臺，而中國市場的貢獻將超過1.6億臺，佔比約67.7%。在未來5年內，中國也將持續佔據全球約一半的市場份額。SjCEETC-電子工程專輯

被5G改變的交流方式

國際電聯(ITU)為5G定義了三大應用場景，即eMBB(增強型移動寬帶）、mMTC(海量機器類通信)和uRLLC(超可靠、低時延通信)，並將6GHz以下(FR1)頻段和毫米波(FR2)頻段作為承載5G部署的核心。SjCEETC-電子工程專輯

目前來看，FR1頻段相對更加擁擠，除中國外，很少有國家能在6GHz以下為運營商分配100M以上的連續頻譜；毫米波頻段雖然覆蓋能力相對較弱，但豐富的頻譜資源可以實現高速的數據傳輸，並顯著提高容量，對於充分釋放5G性能、容量、吞吐量的全部潛能而言至關重要。SjCEETC-電子工程專輯

因此，只有當網絡在高頻部署有毫米波、中頻部署有Sub-6GHz與LTE、低頻部署有2G與3G網絡，再配合多載波聚合技術時，整個5G網絡的速率、覆蓋、時延三項指標才能達到最優。SjCEETC-電子工程專輯

SjCEETC-電子工程專輯

圖1：部分國家在S和C頻段的頻譜分配(圖片來自Soitec)SjCEETC-電子工程專輯

 SjCEETC-電子工程專輯

圖2：部分國家/地區在mmWave頻段的頻譜分配(圖片來自Soitec)SjCEETC-電子工程專輯

Soitec射頻業務發展高級經理Luis Andia在《RF-SOI優化襯底 — 當代射頻和毫米波前端的核心》白皮書中也談到了這點，並指出，為了充分利用頻譜資源，5G在系統中引入了眾多針對新應用場景進行了高度優化的技術，例如網絡切片、頻譜共享和共存、聚合帶寬高達1GHz的載波聚合、大規模MIMO和天線陣列系統、以及固定無線接入，小型基站和毫米波技術等等。SjCEETC-電子工程專輯

「這份清單並不完整，還會隨著新規範的發布而不斷發展，但從我們的角度來看，它代表了5G中實現的一些最具創新性的功能。」Luis Andia在接受《電子工程專輯》獨家專訪時表示，5G是材料提供商、代工廠、設計公司、封裝與測試、智慧型手機製造商、運營商和許多其他機構之間多年密切合作的結果，Soitec RF-SOI優化襯底上的CMOS就是其中一種工藝，Soitec的HR-SOI，iFEM-SOI和RFeSI系列產品，為使其成為先進射頻前端的標準技術作出了巨大貢獻。SjCEETC-電子工程專輯

SjCEETC-電子工程專輯

圖3：Soitec面向5G的RF-SOI襯底選擇SjCEETC-電子工程專輯

被5G改變的射頻前端

RF半導體設計者都在挖空心思為5G系統尋找新材料和新設計/架構，但是為什麼會這樣呢？SjCEETC-電子工程專輯

這是由於5G使用不同的高頻頻段來實現高速數據傳輸，因此5G RF前端模塊所需要的功率放大器、濾波器、開關、LNA和天線調諧器的需求量倍增，速度之快令人措手不及。對於智慧型手機設計者來說，龐大的零部件數量很讓人頭疼，他們必須將所有這些RF模塊全部塞到一部5G手機裡。SjCEETC-電子工程專輯

5G智慧型手機開發商也擔心RF器件的質量、散熱和能效問題，因為這些都可能降低RF前端模塊的性能。SjCEETC-電子工程專輯

此外，並不是每個RF器件都使用相同的材料或相同的技術，這也解釋了為什麼Soitec為射頻系統準備了一攬子優化襯底方案的原因：RF-SOI工藝主要用於5G智慧型手機射頻前端中的開關器件和天線調諧器；FD-SOI用於SoC模擬/射頻集成；壓電(POI)優化襯底用於生產高性能表面聲波(SAW)濾波器組件，主要針對4G和5G新無線電(NR)波段；矽基氮化鎵(GaN-on-Si)和碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)則是進入5G GaN功率放大器市場的利器。SjCEETC-電子工程專輯

對射頻前端來說，一個顯而易見的趨勢是集成化與模塊化，如何將這些不同材料、不同工藝的器件集成在一起，是件非常令人頭疼的事情。SjCEETC-電子工程專輯

Luis Andia同意這個判斷。但他認為前文所列舉的各種優化襯底技術已經不再是小眾市場，整個生態系統相對比較成熟，Soitec正在與合作夥伴一起共同理解射頻生態中各個環節的實際需求、發展趨勢和架構，確保優化襯底和對應的模塊、測試封裝技術都能夠實現完美兼容。SjCEETC-電子工程專輯

以目前業界談論最多的5G毫米波應用為例，由於大氣吸收和障礙物，毫米波頻率在距離上比6GHz 以下頻率更容易遭受信號衰減。對了補償這種衰減，毫米波射頻前端利用多達1,024個天線陣列系統大規模MIMO的陣元，進一步將輻射的RF信號集中在更窄的波束中，實現相當的距離覆蓋和更高的能效和專一性（即更低的用戶互擾），但隨之而來的後果是射頻前端的複雜性大幅增加。得益於RF-SOI技術的存在，不但使開關、PA、LNA、移相器、可變增益放大器(VGA)被完全集成在一起，還同時具有控制、偏置、內存和電源結合功能。SjCEETC-電子工程專輯

 SjCEETC-電子工程專輯

圖4：得益於RF-SOI技術，5G毫米波前端實現了高度集成SjCEETC-電子工程專輯

「RF-SOI和FD-SOI是相互補充的技術。在解決5G不同頻段共存的問題上，他們可以為射頻設計提供更多的靈活性，特別是一些手機需要兼容6GHz以下和毫米波頻段時。當然，這涉及到的不僅僅只有5G手機，還包括其他5G基礎設施。」Luis Andia說。SjCEETC-電子工程專輯

因此，即便是在面對除智慧型手機之外的垂直應用領域，比如汽車、工業、窄帶物聯網(NB-IoT) 時，Soitec也能夠打出一套包括HR-SOI、iFEM-SOI和RFeSI在內的「組合拳」SjCEETC-電子工程專輯

5G的RF-SOI優化襯底創新

如前文所述，RF-SOI工藝主要用於智慧型手機射頻前端模塊製造。尤其是在5G智慧型手機中，RF-SOI 器件的比例正在不斷增加，例如Sub-6GHz頻段中，RF-SOI含量比4G高60%；毫米波頻段中，120mm2 SOI內容含量增加；RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射頻前端中更具優越性。SjCEETC-電子工程專輯

作為當前性能最為出色的RF-SOI優化襯底，RFeSI在當前智慧型手機中的使用率達到了100%。但Luis Andia說考慮到未來射頻前端應用仍然存在巨大的市場空間，為了提高線性度，在保證成本競爭力的同時，Soitec又新引入了RFeSI100，其二階諧波能夠達到低於-100dBm的性能提升。按照官方的說法，這是「首次在商業RF-SOI襯底上使用的創新材料，為eMBB和uRLLC中的所有應用提供了無與倫比的線性度。」SjCEETC-電子工程專輯

並行引入的可選功能還包括RFeSI_T(「T」代表溫度)。通過加入一層具有極低電容率的材料，它允許RFeSI系列中的所有襯底(RFeSI80，RFeSI90和RFeSI100)可以在高達150度的溫度範圍內都具有極低的線性漂移，並同時保留了Trap-rich的所有其他特性並且具有成本競爭力，從而提高了關鍵任務應用(蜂窩網絡基礎設施、工業4.0、汽車、軍事)的耐用性。SjCEETC-電子工程專輯

SjCEETC-電子工程專輯

圖5：RFeSI和RFeSI_T襯底在特定溫度範圍內的二階諧波功率SjCEETC-電子工程專輯

最後，意識到了mMTC總體擁有成本的壓力，Soitec還推出了一種新型iFEM-SOI襯底，該襯底具有簡化的製造工藝，可以在優化的射頻前端 TCO(總擁有成本)上提供合適的性能。SjCEETC-電子工程專輯

他特別提到了Smart Cut技術在其中扮演的關鍵角色。這是一種SOI晶圓鍵合和剝離技術，也是Soitec的核心競爭力所在，從1992年公司成立一直使用至今，在矽、碳化矽、藍寶石襯底等多種半導體材料上得到了實踐應用。它能將超薄的晶體材料從一個襯底轉移到另一個襯底之上，從而打破原有的物理限制並改變整個襯底行業的狀況。該技術最大的優點在於可以提高材料均勻性，降低材料缺陷密度，並且使高質量晶圓可以循環再利用，廣泛應用於SOI襯底的批量生產，包括FD-SOI、RF-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI 和Imager-SOI，用以滿足不同市場應用的需求。SjCEETC-電子工程專輯

產能方面，Soitec中國區戰略發展總監張萬鵬表示，5G是中國拉動經濟增長的重要行業之一，對RF-SOI襯底的需求十分巨大和迫切，目前的晶圓產能足以支持市場的快速發展，Soitec一直努力提高新加坡工廠的300mm SOI晶圓和外延片，以及中國的200mm晶圓產能。與此同時，在與5G、邊緣計算和汽車相關的應用中，FD-SOI設計和流片也很活躍，Soitec將持續改善產能規劃，更好地服務不斷增長的全球市場，特別是中國市場。SjCEETC-電子工程專輯

技術白皮書下載

RF-SOI 優化襯底——當代射頻和毫米波前端的核心SjCEETC-電子工程專輯

相關焦點

  • 5G射頻前端、基站、終端的測試難點分析
    在晶圓、射頻前端（功率放大器PA、射頻開關、天線調諧器、低噪聲放大器LNA等）、基站及終端領域，NI與行業領先廠商均有合作。射頻前端晶片廠商正在逐步實現從Sub 6GHz到毫米波頻段的部署，隨著頻段的提升，射頻前端電路需要適應更高的載波頻率，更寬的通信帶寬，更高更有效率和高線性度的信號輸出功率。為實現更低的成本、更高的性能和更小的尺寸，射頻前端的集成化和模組化是必然趨勢。　　● 基站：隨著5G商用化進程的加快，5G基站端需求呈現井噴現象。
  • 5G產業鏈專題報告:射頻前端行業趨勢與格局解析
    1 手機射頻前端架構及行業現狀1.1 射頻前端晶片概況 射頻前端晶片是無線通信的核心零部件，包括 PA、波濾器、LNA、 開關和 Tuner 等晶片。 香農定律是通信領域的基礎定律。回顧通信從 2G 到 5G 網絡的發展， 基本沿著香農定律的脈絡進行演繹。5G 網絡通信速率高達 10Gbps， 高速率的核心技術來源於四個方面。
  • 手機射頻開關領域的工藝之爭: RF-SOI Vs.MEMS
    而無晶圓廠IC設計公司Cavendish Kinetics為了改變市場格局，也推出了基於新工藝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前端模塊中的兩個關鍵組件。RF射頻包括了發射鏈路和接收鏈路，其中RF開關對無線信號起到通路選擇的作用，而調諧器幫助改善天線在特定頻段上的效率。先不說不同的器件和工藝類型，當今RF市場的挑戰也足以令人望而生畏。
  • 閒談毫米波技術
    Google 這一創新正是利用了60GHz毫米波的高速率傳播特點，令人腦洞大開。Project Soli 目前仍處於初期發展階段，未來如何發展不得而知。筆者想說的是隨著微波射頻技術的不斷發展，包括毫米波在內的高頻技術正成為炙手可熱的技術，在5G 通信、汽車和直升飛機的自動駕駛、雷達、遙感、雷射光譜、射電天文學、宇航通信、軍事航天、極高頻衛星通信系統等領域都將是不可或缺的。高頻段的發展在民用領域主要表現在三個方面。
  • 5G毫米波頻譜劃分 毫米波終端技術測試方案分析
    3.2 毫米波射頻前端器件 射頻前端器件包括了功率放大器、開關、濾波器、雙工器、低噪聲放大器等，其中功率放大器是最為核心的器件，其性能直接決定了終端的通信距離、信號質量及待機時間。目前製造支持低頻段的射頻前端器件的材料多為砷化鎵、CMOS和矽鍺。
  • 毫米波雷達系統方案
    傳感器技術是汽車電子的關鍵核心技術之一，各種傳感器技術的創新發展為主動安全提供了技術可行性，汽車微波/毫米波雷達傳感器正是實現該功能的核心部件之一。微波/毫米波雷達是利用目標對電磁波反射來發現目標並測定其位置的。毫米波頻率高、波長短，一方面可縮小從天線輻射的電磁波射束角幅度，從而減少由於不需要的反射所引起的誤動作和幹擾，另一方面由於都卜勒頻移大，相對速度的測量精度高。
  • 射頻前端公司QuantalRF完成B輪融資 將用於技術商業化
    這輪成長權益融資由總部位於蘇黎世的Metellus AG和Dara Capital Ltd.以及現有股東和家族辦公室主導。 新融資將主要用於加速QuantalRF專利射頻前端技術的商業化，擴大工程團隊，並快速擴大5G/UHB（超高頻帶）和Wi-Fi 6/6e前端IC組件產品開發的規模。
  • 搶佔國內射頻前端主序市場,「慧智微」的打法是推可重構射頻前端架構
    「中國射頻前端市場正處在20年一遇的行業變革期」。這是慧智微CEO李陽給出的判斷。 李陽做這個判斷的當下，中國射頻前端行業已有大約15年的產業歷史，本土射頻前端廠商仍在努力搶佔市場份額。  一 射頻前端及其市場  「射頻前端」器件，對於非半導體、非硬體領域的人來說，或許有些小眾和冷門，但其實是手機、物聯網等無線互聯產品不可或缺的重要部分。 所謂的射頻前端是指在通訊系統中天線和收發信機電路之間的部分，在這部分的系統構成裡，信號以射頻形式傳輸。
  • RF-SOI:5G時代下的挑戰與機遇
    JT9ednc5G的第一版核心規範現已完成，現已進入到新的衝刺階段。對於5G設備，從3GPP到商業化，業界僅剩2年時間來進行研發和產業推廣了。然而，其中還面臨著諸多挑戰。「ReefShark晶片組適用於天線中的無線電等無線射頻單元，能夠大幅提升性能，並使massive MIMO天線尺寸減半。」基於ReefShark的大規模MIMO具有寬帶寬、小尺寸和低重量優點，尤其在密集城市環境易於部署。
  • 第一代5G手機的射頻設計是什麼樣的?
    這種採購策略讓手機廠商更專注於產品創新和市場差異化，而不是將有限的資源投入到核心5G數據機與射頻前端技術研發。分立元器件與射頻前端越來越緊密的結合為5G鋪設道路就像近十年前的4G，LTE連接建立在已有的3G技術之上一樣;早期的5G功能通過添加獨立的晶片組到現有的LTE設計中實現。
  • 國博電子在5G微波毫米波方向的技術進展介紹
    廣泛應用於通信基站、手機等移動通訊終端的射頻器件也在緊抓5G機遇推陳出新。 在今日舉行的「2019年IMT-2020(5G)峰會」上，南京國博電子副總經理錢峰發表了主題演講，分享了國博電子在5G微波毫米波方向的技術進展。
  • 毫米波不簡單!毫米波雷達測方位原理+優勢
    圖 2 FMCW發射及回波信號二、汽車毫米波雷達結構圖3為線性調頻雷達(LFCW)汽車毫米波雷達結構，包括天線、收發模塊、信號處理模塊和報警模塊。 射頻收發前端是雷達系統的核心部件。國內外已經對前端進行了大量深入研究，並取得了長足的進展。
  • 毫米波雷達
    各位可知道，自動駕駛核心技術包括：V2X、高精度地圖定位、人機互動、車輛決策、車用雷達、計算平臺、信息安全、感知算法等八大類。今天我們就細聊一下車用雷達這個事兒。自動駕駛汽車作為解放人類雙手和提升效率的未來出行工具，需要大量黑科技加持，其中傳感器是其底層支撐的重要部分，車用毫米波雷達就扮演了傳感器的角色。
  • 一文解讀毫米波雷達的發展現狀及發展趨勢
    FMCW雷達系統主要包括收發天線、射頻前端、調製信號、信號處理模塊等。毫米波雷達通過接收信號和發射信號的相關處理實現對目標的探測距離、方位、相對速度。 　　24GHz的雷達測量距離較短（5～30m），主要應用於汽車後方；77GHz的雷達測量距離較長（30～70m），主要應用於汽車前方和兩側。毫米波雷達主要包括雷達射頻前端、信號處理系統、後端算法三部分。在現有的產品中，雷達後端算法的專利授權費用約佔成本的50%，射頻前端約佔成本的40%，信號處理系統約佔成本的10%。
  • 慧智微「S55255」衝擊5G射頻前端市場
    該產品在5G頭部客戶的突破和規模量產更是證明其獲得「年度重大創新突破產品獎」的實至名歸。   射頻前端市場現狀 之所以這樣說，是因為在目前的全球射頻前端市場中，Broadcom、Murata、Qorvo以及Skyworks等國際巨頭佔據了大部分市場，國內企業加起來只佔市場容量的5%左右，本質上這是一個由國外主導、高速增長的市場。
  • 淺談射頻前端的國內外現狀
    打開APP 淺談射頻前端的國內外現狀 半導體行業觀察 發表於 2020-12-01 17:01:05 射頻前端的國際情況 射頻前端技術主要集中在濾波器（Filter）、功率放大器（PA， Power Amplifier）、低噪聲放大器（Low Noise Amplifier）、開關（RF Switch）。
  • 射頻前端的一體化設計決定下一代行動裝置
    隨著移動行業向下一代網絡邁進，整個行業將面臨射頻組件匹配，模塊架構和電路設計上的挑戰。直到早期的LTE網絡部署，射頻系統的設計涉及較少數量的前端組件，也因此相對的簡單與直接。當無線網絡開始升級成LTE-Advanced，射頻前端的設計愈發複雜。
  • 毫米波雷達及其應用
    在汽車主動安全領域,汽車毫米波雷達傳感器是核心部件之一,其中77GHZ毫米波雷達是智能汽車上必不可少的關鍵部件,是能夠在全天候場景下快速感知0-位置、速度和方位角監測是毫米波雷達擅長之處,再結合毫米波雷達較強的抗幹擾能力,可以全天候全天時穩定工作,因此毫米波雷達被選為汽車核心傳感技術。毫米波雷達與雷射雷達隨著自動駕駛的火熱,雷射雷達受到前所未有的追捧,因為其具有高精度、大信息量、不受可見光幹擾的優勢。
  • 什麼是射頻?未來射頻的發展方向
    它每變化一個次數需要多少時間，這就叫周期，所以頻率和周期成反比。它在中間傳輸的時候，波長定義成一個周期的時間能傳播的距離，所以用自由空間電磁波傳輸的速度去乘以周期的時間，就變成了波長。射頻的頻段就像時間的橫坐標軸一樣，像昨天、今天和明天。射頻也是一樣，低射頻到高射頻，3Hz到300G的頻段叫做射頻，在300G以上叫做太赫茲。射頻的頻段再細分，3Hz到300M就是無線電，可以用在廣播上。
  • AT88RF020型射頻識別卡及其應用
    3 射頻識別系統的組成及工作原理3．1 RFID系統的基本組成 (1)標籤（Tag，即射頻卡) 由耦合元件及電路組成，標籤含有內置天線，用於和射頻天線進行通信，每個標籤具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。圖1示出AT88RF020型RFID的內部結構。