手機射頻開關領域的工藝之爭: RF-SOI Vs.MEMS

RF器件和製造工藝市場正在升溫，這種態勢對於智慧型手機中使用的兩個關鍵組件 - 射頻開關器件和天線調諧器尤為明顯。

射頻器件製造商及其代工合作夥伴繼續推出基於RF SOI工藝技術的傳統射頻開關晶片和調諧器，用於當今的4G無線網絡。最近，Global Foundries為未來的5G網絡推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是絕緣體上矽(SOI)技術的RF版本,有效利用了內置隔離襯底的高電阻率特性。 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。Cavendish Kinetics公司總裁兼執行長Paul DalSanto表示：「幾年前，RF還是一項相當簡單的設計，然而今時不同往日。首先，射頻前端必須覆蓋非常寬的頻帶，從600MHz一直延伸到3GHz。隨著更加先進的5G技術的到來，頻段將進一步上延，甚至達到5GHz至60GHz。這給前端RF設計師帶來了巨大的挑戰。」

面對這些挑戰，手機OEM廠商必須在選擇器件工藝時做出新的考量。具體到RF開關和天線調諧器而言，業界的主流歸結為兩種技術 - 基於RF SOI工藝和RF MEMS工藝的器件。

RF SOI是目前市場上射頻開關的主流工藝，RF SOI工藝可以滿足當下的頻段及性能要求，但也開始遇到一些新的技術挑戰。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，也會引發一些問題。

相比之下，RF MEMS具有一些頗具吸引力的特性，並已經在一些領域取得了進展。事實上，Cavendish Kinetics公司表示，該公司其基於RF MEMS工藝的MEMS天線調諧器已經被三星和其他OEM使用。

Strategy AnalyTIcs的分析師ChrisTaylor表示：「RF MEMS能夠提供非常低的Ron(導通電阻)，這也意味著更低的insertion loss(插入損耗)。但RF MEMS目前並沒有大規模的實現量產，主流OEM廠商很難盲目地選擇新技術和小供應商。當然，相較於RF SOI器件，RF MEMS開關必須要有足夠好的價格，除此之外，主流OEM廠商也會對產品可靠性和供貨提出很高的要求。」

射頻前端

在智慧型手機產業複雜商業環境中，射頻前端這一細分市場還是挺值得一看的，因為它涵蓋了射頻開關、調諧器和PA等眾多其他器件。

智慧型手機的出貨增速正在放緩，根據Pacific Crest Securities的數據，預計2017年智慧型手機的出貨量將僅增長1%，而2016年的增幅為1.3%。 而與此同時，根據Yole Développement 的數據，智慧型手機的RF前端市場規模預計將從2016年的101億美元躍升至2022年的227億美元。

而其中根據Strategy Analytics分析，2016年，RF開關設備市場規模為17億美元。　　隨著OEM廠商繼續在智慧型手機中增加更多RF組件，RF市場正在不斷增長。「多頻段LTE也正在向低端設備普及，」Strategy Analytics的Taylor說。「RF開關組件市場正在增長。」

在手機網絡轉向4G或長期演進(LTE)的過程中，每臺手機的RF開關設備數量都有所增加。「我們現在在談論的出貨量單位十分巨大，」Taylor說。「當前絕大多數的射頻開關使用了RF SOI製造工藝，當然它的應用並不值局限於手機。而RF MEMS仍然是新興事物，相對於RF SOI開關市場來說微不足道。」

儘管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格(ASP)為10至20美分。

 

 

Fig. 1: 一個常見的射頻前端模塊. Source: Globalfoundries,「Designing Next-Gen Cellular and Wi-Fi Switches Using RF SOI,」 Technology, May2016.

射頻前端由多個器件組成，除了射頻開關之外，還包括功率放大器、低噪聲放大器(LNA)、濾波器等。Global Foundries的技術人員Randy Wolf在最近的一個演講中表示，「其中功率放大器的作用是提供功率輸出，以確保信號或信息到達目的地。而LNA用於放大來自天線接收端的小信號。RF開關將信號從一個組件連通到另一個組件。而濾波器可濾除不需要的雜散和幹擾信號」。

2G和3G時代，手機的射頻部分功能非常簡單。2G只有四個頻段，3G有五個頻段。但4G有40多個頻段。4G不僅涵蓋了2G和3G的頻段，引入了一系列新的4G頻段。除此之外，載波聚合的技術能夠講多個信道或分量載波組合到一個大數據管道中，在無線網絡中實現更高的帶寬和更快的數據速率。

「為了應對多個頻段和CA，RF前端模塊架構也在變得更加複雜。當前市場上的RF前端模塊會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。「這取決於所採用的前端架構，以及需要支持的頻段。」Qorvo移動戰略營銷經理Abhiroop Dutta表示：「使用單個SKU在全球範圍內應對多地區/全球市場的典型「全網通」手機，頻段覆蓋面非常廣泛。這種旗艦機型往往採用具有高集成度的PAMiD方案，以應對高、中、低頻帶的不同要求。」相比之下，還有另外一種情況，智慧型手機OEM廠商可能會針對特定市場設計專用手機。「比如說針對中國大陸市場的手機。在這種情況下，RF前端僅僅需要支持該地區需要支持的頻段，」Dutta說。

 

 

Fig. 2: A 4Gfront end. Source: GlobalFoundries, 「Designing Next-Gen Cellular and Wi-FiSwitches Using RF SOI,」 Technology, May 2016.

從天線的角度而言, LTE手機需要支持下行接收分集，主天線用於發射/接收信號，而分集天線用於提高手機的下行數據速率，只需要支持接收業務。在工作時，信號通過主天線，然後移動到天線調諧器上，這允許天線系統根據頻段需求調整相應的匹配。然後信號才進入一系列射頻開關，而開關根據具體的頻段來選擇合適的射頻通道，信號得以進入相應濾波器，最後到達接收機。

考慮到射頻前端的複雜性，功耗和尺寸變得至關重要。由於前端架構變得複雜，信號在前端會遭到更多損耗，進而在發射端影響輸出功率，PA功耗;在接收端影響靈敏度。

顯然，RF開關的IL變得越來越重要。Ron ，Coff是RF開關的關鍵指標。根據Peregrine Semiconductor，「Ron 導通電阻是反映RF信號通過處於導通狀態的開關時發生多少損耗，而Coff關斷電容則是反應信號在開關處於關閉狀態下通過電容器洩漏多少能量。

總而言之，OEM廠商需要的是低損耗和高隔離的RF開關。插入損耗涉及信號功率的損失。如果RF開關沒有實現良好的隔離，系統可能會遇到幹擾。

解決方案

目前市場上的手機PA主要使用砷化鎵(GaAs)技術。幾年前，OEM將射頻開關等製造工藝從GaAs和藍寶石(SoS)遷移到RF SOI上。GaAs和SoS是SOI的變體，隨著RF開關變得越來越複雜，這兩種工藝變得太貴了。

FD SOI適用於數字應用，而與FD-SOI類似，RF SOI在襯底中具有很薄的絕緣層，能夠實現高擊穿電壓和低漏電流。

Global Foundries RF業務部門主管Peter Rabbeni表示：「移動市場繼續看好RF SOI，因為它能夠在寬頻率範圍內提供低插入損耗、高線性，實現了良好的性能和成本效益。」

今天，Skyworks，Qorvo等公司提供基於RF SOI的射頻開關,而RF開關製造商使用代工廠來製造這些產品。Global Foundries、意法半導體、Tower Jazz和聯電是RF SOI代工業務的領軍企業。目前常見的RF SOI工藝，涵蓋從180nm到45nm的節點和不同的晶片尺寸。決定使用哪一個節點取決於具體應用。聯電公司業務管理副總裁吳坤表示：「關於RF SOI技術的具體化，一切都是從技術性能、成本和功耗的角度來考慮適用於終端應用的技術解決方案。」

即便有多種選擇，RF開關製造商也面臨一些挑戰。RF開關本身包含場效應電晶體(FET)。與大多數器件一樣，FET受到不需要的溝道電阻和電容的影響。在RF開關中，FET被堆疊使用。通常而言，當今的RF開關中堆疊了10到14個FET。據專家介紹，隨著FET數量的增加，器件可能會遇到插入損耗和電阻帶來的相關問題。

另一個問題是寄生電容。Skyworks在2014年發表的一篇題為《RF應用中SOI工藝的最新進展和未來趨勢》的文章中表示，「在RF開關中，30%或更多的寄生電容來自於器件中的互連。互連包括金屬層或bonding線，也包括基於RF SOI的開關。

目前RF開關的主流製造工藝是200mm晶圓的180nm和130nm節點。許多(但不是全部)互連層基於鋁材質。鋁導體在IC行業使用多年，價格便宜，但也具有較高的寄生電容。

因此，銅被用於RF器件中一些特定層。銅是更好的導體，並且電阻小於鋁。Ng表示：「用於130nm RF CMOS工藝產品的傳統金屬堆疊包括具有成本優勢的鋁互連層和具有性能優勢的銅互連層。」這是平衡成本和性能的最佳解決方案。RF SOI解決方案通常包含一定數量的鋁金屬層和一個或多個銅層。通常，在頂層上使用銅作為超厚金屬層，幫助改善無源器件性能。他說：「最好是銅這樣的厚頂層金屬，它能夠最小化損耗，從而提高性能。」

最近，RF SOI 代工廠已經從200mm晶圓遷移到300mm晶圓，其工藝節點也從130nm遷移到45nm。通常，300mm晶圓廠只使用銅互連。　　只使用銅互連，RF開關製造商可以降低電容。但是，300mm晶圓提高了製造成本，從而在市場上造成一些矛盾。一方面，成本敏感的手機OEM廠商需要RF開關保持較低的價格。另一方面，RF開關設備製造商和代工廠希望能夠保持利潤。

「今天，只有極少的RF SOI器件採用300mm晶圓，」Ng說。「這種情況的出現有很多原因，包括300mm RF SOI襯底的成本/可用性，以及支持後矽處理的基礎設施等因素。但是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晶圓上。」在此之前，行業可能會面臨300mm的供需問題。「我們認為，在更多的生產遷移到300mm晶圓之前，市場將一直面臨供不應求的挑戰。產能上馬有多快，需求有多大，都將反映在供需矛盾上。」他說。

Global Foundries希望在5G競賽中脫穎而出，最近為5G應用推出了45nm RF SOI工藝。該工藝利用了高電阻阱富集的SOI襯底。

5G是4G網絡的升級。LTE網絡頻段介於700 MHz到3.5GHz之間。而即將到來的5G不僅需要在LTE頻段存在，而且還將在10 GHz至100 GHz之間的毫米波段內運行。5G將數據傳輸速率提高到10Gbps以上，即LTE的100倍。但5G的大規模部署預計得到2020年及以後了。

無論如何，5G需要一個新的器件工藝。「(45nm RF SOI)主要是為了滿足5G毫米波前端的應用，需要集成了PA、LNA、開關、移相器，以實現5G的主要功能：波速賦形 beam forming」GlobalFoundries的Rabbeni說。

當然5G射頻前端還有其它的解決方案，RF MEMS就是其中一種可能。其他的潛在工藝還包括比如說，Tower Jazz和加利福尼亞大學聖地牙哥分校最近展示了一個12Gbps的5G相控陣晶片。該晶片組採用了Tower Jazz的SiGe BiCMOS技術。

哪種工藝將勝出?只有時間會告訴我們答案。

什麼是RF MEMS?

基於RF SOI工藝的射頻開關將繼續佔據主導地位，但新技術RF MEMS也會佔有一席之地。「隨著時間的推移，SOI已經取得了不可思議的進步。電阻下降了，線性度也變得更好了。」Cavendish Kinetics的Dal Santo說。「但是本質上來說，SOI開關是通過電晶體導通或關閉來實現的開與關，所以無論如何Ron和Coff始終都會存在。

RF MEMS並不是一個全新的工藝，它其實已經經過了長期的發展，一直在穩步前進。諸如Cavendish、Menlo Micro和WiSpry(AAC Technologies)等公司，正致力於RF MEMS在無線通信領域的應用。

 

Fig. 3: Antennatuner with switch. Source: Cavendish Kinetics

最初，Cavendish等公司將RF MEMS技術應用到使用RF SOI和其它工藝的天線調諧器。

「如果給你一個固定的天線，它的帶寬是受限的，不可能支持一個頻段內的所有頻帶。所以天線調諧應運而生，「Dal Santo說。「主流的天線調諧是採取開關切換，要麼切換不同的電容匹配，要麼切換不同的電感匹配。問題在於天線是高Q值的器件。你必須小心去調節，如果諧振位置出現偏差，性能可能會更加惡化。」

展望未來，Cavendish希望在更大的RF開關領域採用RF SOI器件。「如果最終有一種工藝能夠取代RF SOI，那必然就是MEMS，收發鏈路上的插損都會顯著降低。」。

但是RF MEMS最終是否會取代RF SOI?關於這個問題，TowerJazz可以提供一些見解。Tower Jazz能夠傳統的RF SOI工藝，同時也是Cavendish的RF MEMS器件的代工廠商。

「RF MEMS和RF SOI可能在競爭相同的應用。一般來說，它們是相互補充關係，RF MEMS用於最苛刻的應用，而RF SOI用於其餘的應用，「Tower Jazz RF /高性能模擬業務部門高級副總裁兼總經理MarcoRacanelli說。

「RF SOI技術將繼續發展，它對於RF開關應用和部分低噪聲放大器市場仍然是可用的，」Racanelli說。「然而，在一些特殊的應用中，用於低噪聲放大器的SiGe和用於開關的MEMS等替代技術可以提供更佳的線性度或更低的損耗。總之，RF SOI將繼續一枝獨秀，而其他技術也將有所發展。」

RF MEMS已經在天線調諧器市場上佔有了一席之地，它能否把觸角延伸到射頻開關業務上還有待時間驗證。「未來，相對於內置RF SOI，RF MEMS可以通過提供更線性和更低損耗的開關來幫助提高手機的數據率。」他說。「在RF MEMS中，金屬板可以在「導通」狀態下直接接觸，形成金屬、低損耗、線性的連接。更高的線性度允許更多的頻帶和更複雜的調製方案，從而增加手機的數據率。

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