RF器件和工藝技術的市場正在升溫，特別是對于智能手機中使用的兩個關鍵組件——RF開關器件和天線調(diào)諧器。
RF器件制造商及其代工合作伙伴繼續(xù)推出基于RF SOI工藝技術的傳統(tǒng)RF開關芯片和調(diào)諧器，用于當今的4G無線網(wǎng)絡。最近，GlobalFoundries為未來的5G網(wǎng)絡推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是RF版本的絕緣體上硅(SOI)技術，利用內(nèi)置隔離的高電阻率襯底。
為了打破市場環(huán)境，一家無晶圓廠公司Cavendish Kinetics正在推出基于一種替代技術——RF MEMS的新一代RF產(chǎn)品和天線調(diào)諧器。
RF開關和調(diào)諧器是手機RF前端模塊中的關鍵組件之一。RF前端將發(fā)送和接收功能集成到系統(tǒng)中，RF開關對信號進行路由。調(diào)諧器幫助天線調(diào)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(zhàn)都令人望而生畏。Cavendish Kinetics總裁兼首席執(zhí)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(xiàn)在已經(jīng)大大改變。首先，RF前端必須可以處理非常寬的頻率范圍，從600 MHz至3 GHz。采用先進的信號技術和5G技術，頻率范圍將達到5GHz至60GHz。這給前端RF設計師帶來了難以置信的挑戰(zhàn)。”
考慮到這些挑戰(zhàn)，手機OEM廠商必須考慮選擇一些新的組件。具體來說，對于RF開關和天線調(diào)諧器，可以歸結為兩種技術——基于RF SOI的器件和RF MEMS。
RF SOI是現(xiàn)有技術?；赗F 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(xiàn)。
相比之下，RF MEMS有一些有趣的特性，并在某些領域取得了進展。事實上，Cavendish Kinetics公司表示，其基于RF MEMS的天線調(diào)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(chǎn)記錄，高容量無線系統(tǒng)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(chǎn)品和可靠的供應來源。”
RF前端
不過，在智能手機(RF開關，調(diào)諧器，和其他組件)的混合商業(yè)環(huán)境中，RF前端市場值得關注。根據(jù)Pacific Crest Securities的數(shù)據(jù)，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(jù)YoleDéveloppement的數(shù)據(jù)，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(jù)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(xù)在智能手機中增加更多RF內(nèi)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(nèi)容正在增加。”
在轉(zhuǎn)向4G或長期演進(LTE)的過程中，每臺手機的RF開關器件數(shù)量都有所增加。Taylor 說：“我們每年都在談論大量的單元，大多數(shù)但并非全部(RF開關)都會進入手機，其中現(xiàn)在絕大多數(shù)是SOI。RF MEMS仍然是新興市場，相對于RF SOI開關來說微不足道。”
盡管RF開關的出貨數(shù)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(tǒng)中，RF前端由多個組件組成——功率放大器、低噪聲放大器(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(wǎng)絡的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(jīng)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(shù)據(jù)管道中，可以在無線網(wǎng)絡中實現(xiàn)更大的帶寬和更快的數(shù)據(jù)速率。
為了處理頻段和載波聚合，OEM廠商需要復雜的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(zhàn)略營銷經(jīng)理Abhiroop Dutta表示：“這取決于采用的RF架構。PA的數(shù)量由手機正在尋址的區(qū)域頻帶決定。通過單個SKU在全球范圍內(nèi)應對全球多地區(qū)或全球蜂窩市場的典型“全球通”手機，頻段覆蓋面廣泛。對于這種手機的典型RF前端集成模塊的實現(xiàn)，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(qū)域手機。Dutta表示： “一個例子是針對中國國內(nèi)市場的手機。在這種情況下，RF前端需要支持該地區(qū)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(jù)Cavendish Kinetics的理論，LTE手機還有兩種天線，主集天線和分集天線。主集天線用于發(fā)射和接收功能，分集天線提高了手機的下行數(shù)據(jù)速率。
實際操作中，信號到達主集天線。然后移動到天線調(diào)諧器，允許系統(tǒng)調(diào)整到任何頻帶。
然后，信號進入一系列RF開關。GlobalFoundries的Wolf說：“它轉(zhuǎn)換到您要使用的適用頻段，GSM、3G、或4G。”信號從這里進入濾波器，其次是功率放大器，最后到達接收器。
考慮到這種復雜性，手機OEM面臨一些挑戰(zhàn)。功耗和尺寸至關重要。Wolf說：“由于這種復雜性，您的信號在前端受到更多損失，這對您的接收機的總體噪聲系數(shù)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?？傮w而言，智能手機可能包含十余個RF開關器件?；镜腞F開關采用單刀單擲(SPST)配置。這是一個簡單的on-off開關。
今天，OEM們使用更復雜的開關配置。Ron*Coff是RF開關的關鍵指標。根據(jù)Peregrine Semiconductor的理論：“Ron*Coff是無線電信號通過開關處于“導通”狀態(tài)(Ron，或?qū)娮?時產(chǎn)生的損耗比率，以及無線電信號在“關閉”狀態(tài)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(tǒng)可能會遇到干擾。Qorvo的Dutta表示：“總的來說，RF前端面臨的挑戰(zhàn)是支持日益增長的性能需求，這與不斷發(fā)展的標準和增加頻帶覆蓋范圍相一致。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(chǎn)品解決方案的不斷發(fā)展的驅(qū)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不同于完全耗盡型SOI(FD-SOI)，適用于數(shù)字應用。與FD-SOI類似，RF SOI的襯底中有薄絕緣層，能夠?qū)崿F(xiàn)高擊穿電壓和低漏電流。
GlobalFoundries RF業(yè)務部門主管Peter Rabbeni表示：“移動市場繼續(xù)推動RF SOI，因為它在寬頻率范圍內(nèi)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等公司提供基于RF SOI的RF開關。 通常，RF開關制造商利用代工廠來制造這些產(chǎn)品。GlobalFoundries、意法半導體、TowerJazz，以及聯(lián)電是RF SOI代工業(yè)務的領軍企業(yè)。
因此，OEM在組件供應商和代工產(chǎn)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(jié)點，以及不同的硅片尺寸。
決定使用哪個節(jié)點取決于具體應用。聯(lián)電公司業(yè)務管理副總裁Walter Ng表示：“關于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，讓解決方案適用于終端應用。”
即使有選擇，RF開關制造商也面臨一些挑戰(zhàn)。RF開關本身包含場效應晶體管(FET)。與大多數(shù)器件一樣，F(xiàn)ET受到無用的溝道電阻和電容的影響。
在RF開關中，F(xiàn)ET被堆疊起來。通常，今天的RF開關中堆疊了10-14個FET。 據(jù)專家介紹，隨著堆疊FET數(shù)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于器件中的互連?；ミB是金屬層或微型布線方案，包括基于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(jié)點。大多數(shù)互連層基于鋁，但不是全部。鋁互連在IC行業(yè)使用多年，價格便宜，但電容較大。
因此，銅被用于RF器件中的某些互連層。銅是更好的導體，電阻小于鋁。Ng表示：“用于130nm RF CMOS工藝產(chǎn)品的傳統(tǒng)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(shù)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，可用于改善無源器件性能。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器件制造商已經(jīng)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，開關制造商可以降低電容。但是，300mm會提高晶圓成本，從而在市場上產(chǎn)生一些沖突。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，器件制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(chǎn)。原因有很多，包括300mm RF SOI襯底的成本和可用性，支持后硅處理的基礎設施，以及其他因素。然而，我們預計在未來幾年內(nèi)，這些挑戰(zhàn)將會在很大程度上得到解決，然后大部分大批量的RF SOI應用將會遷移到300mm。”
在此之前，行業(yè)可能會面臨300mm的供需問題。Ng說：“我們認為，市場會繼續(xù)供不應求，直到更多的生產(chǎn)遷移到300mm。那么，產(chǎn)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工藝適用于4G手機。GlobalFoundries希望在5G戰(zhàn)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的后續(xù)。今天的LTE網(wǎng)絡從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(nèi)運行。5G將使數(shù)據(jù)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(guī)模部署不會發(fā)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(tǒng)創(chuàng)建了一個集成的毫米波可控波束形成器。”
對于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和加利福尼亞大學圣地亞哥分校最近展示了一個12Gbps的5G相控陣芯片組。該芯片組采用了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(yōu)勢。對于SOI來說，單片集成可能會贏得至少6-GHz以上的頻段。”
什么是RF MEMS?
基于RF SOI的開關將繼續(xù)占據(jù)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(jīng)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(xiàn)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(fā)RF MEMS。
RF MEMS與基于傳感器的MEMS(例如陀螺儀和加速度計)不同。傳感器MEMS是將機械能轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。相比之下，RF MEMS則是傳導信號。
最初，Cavendish等人瞄準了在天線調(diào)諧器市場采用RF MEMS技術，采用基于RF SOI的開關和其他技術。
圖3：帶開關的天線調(diào)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范圍。所以他們需要調(diào)整?，F(xiàn)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。問題在于天線是高品質(zhì)因數(shù)(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(diào)諧器有32個不同的電容范圍。Dal Santo說：“它們是完全可編程的，具有非常高的品質(zhì)因數(shù)(Q)。所以它們的損失非常低。您可以使用這些來把天線調(diào)整到您需要支持的頻率范圍。”
展望未來，Cavendish計劃在更大的RF開關領域采用基于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(fā)射機的插入損耗的累積效益。”
但RF MEMS器件是否會取代基于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(tǒng)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(yè)務部門高級副總裁兼總經(jīng)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贏得其余的應用。”
Racanelli說：“RF SOI會繼續(xù)發(fā)展，因此對于RF開關應用和部分低噪聲放大器市場而言，RF SOI仍然是可行的。然而，有一些應用，例如用于低噪聲放大器的SiGe和用于開關的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(xù)服務于不斷擴大的市場，其他技術也將有所發(fā)展。”
RF MEMS正在天線調(diào)諧器市場上占據(jù)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(nèi)置RF SOI線性度更好和損耗更小的開關來提高手機中的數(shù)據(jù)速率。這可以理解，在RF MEMS中，金屬板可以在“導通”狀態(tài)下直接接觸并形成一個金屬的、低損耗的線性連接。更高的線性度允許更寬的頻帶和更復雜的調(diào)制方案，這可以提高手機中的數(shù)據(jù)速率。”
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