5G時代到來，RF前端為適應(yīng)發(fā)展需要怎樣的工藝和技術(shù)？

RF器件和工藝技術(shù)的市場正在升溫，特別是對于智能手機(jī)中使用的兩個關(guān)鍵組件——RF開關(guān)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(shù)的傳統(tǒng)RF開關(guān)芯片和調(diào)諧器，用于當(dāng)今的4G無線網(wǎng)絡(luò)。最近，GlobalFoundries為未來的5G網(wǎng)絡(luò)推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是RF版本的絕緣體上硅（SOI）技術(shù)，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IC設(shè)計(jì)公司Cavendish Kinetics正在推出基于一種替代技術(shù)——RF MEMS的新一代RF產(chǎn)品和天線調(diào)諧器。

RF開關(guān)和調(diào)諧器是手機(jī)RF前端模塊中的關(guān)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(guān)對信號進(jìn)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(shù)類型，當(dāng)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(xiàng)相當(dāng)簡單的設(shè)計(jì)。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(jìn)的信號技術(shù)和5G技術(shù)，頻率范圍將達(dá)到5GHz至60GHz。這給前端RF設(shè)計(jì)師帶來了難以置信的挑戰(zhàn)?！?/p>

考慮到這些挑戰(zhàn)，手機(jī)OEM廠商必須考慮選擇一些新的組件。具體來說，對于RF開關(guān)和天線調(diào)諧器，可以歸結(jié)為兩種技術(shù)——基于RF SOI的器件和RF MEMS。

RF SOI是現(xiàn)有技術(shù)?；赗F SOI的器件能力尚可，但它們開始遇到一些技術(shù)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(lǐng)域取得了進(jìn)展。事實(shí)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(dǎo)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(shù)和小型供應(yīng)商做出巨大貢獻(xiàn)。當(dāng)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(yàn)的產(chǎn)品和可靠的供應(yīng)來源?！?/p>

RF前端

不過，在智能手機(jī)（RF開關(guān)，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(guān)注。根據(jù)Pacific Crest Securities的數(shù)據(jù)，智能手機(jī)出貨量預(yù)計(jì)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(jī)的RF前端模塊／組件市場預(yù)計(jì)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(guān)器件市場在2016年達(dá)到了17億美元。

隨著OEM廠商繼續(xù)在智能手機(jī)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(guān)內(nèi)容正在增加?！?/p>

在轉(zhuǎn)向4G或長期演進(jìn)（LTE）的過程中，每臺手機(jī)的RF開關(guān)器件數(shù)量都有所增加。Taylor 說：“我們每年都在談?wù)摯罅康膯卧?，大多?shù)但并非全部（RF開關(guān)）都會進(jìn)入手機(jī)，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(guān)來說微不足道?！?/p>

盡管RF開關(guān)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(guān)。
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GlobalFoundries的技術(shù)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(dá)目的地。”

LNA放大來自天線的小信號。RF開關(guān)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(jìn)入?！?/p>

在手機(jī)中，2G和3G無線網(wǎng)絡(luò)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(yùn)營商已經(jīng)部署了一種稱為載波聚合的技術(shù)。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(luò)中實(shí)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(fù)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(guān)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(gòu)。PA的數(shù)量由手機(jī)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(yīng)對全球多地區(qū)或全球蜂窩市場的典型“全球通”手機(jī)，頻段覆蓋面廣泛。對于這種手機(jī)的典型RF前端集成模塊的實(shí)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?！?/p>

相比之下，智能手機(jī)OEM廠商可能會為特定市場設(shè)計(jì)區(qū)域手機(jī)。Dutta表示： “一個例子是針對中國國內(nèi)市場的手機(jī)。在這種情況下，RF前端需要支持該地區(qū)的頻段?！?br /> ?

根據(jù)Cavendish Kinetics的理論，LTE手機(jī)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(jī)的下行數(shù)據(jù)速率。

實(shí)際操作中，信號到達(dá)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(jìn)入一系列RF開關(guān)。GlobalFoundries的Wolf說：“它轉(zhuǎn)換到您要使用的適用頻段，GSM、3G、或4G?！毙盘枏倪@里進(jìn)入濾波器，其次是功率放大器，最后到達(dá)接收器。

考慮到這種復(fù)雜性，手機(jī)OEM面臨一些挑戰(zhàn)。功耗和尺寸至關(guān)重要。Wolf說：“由于這種復(fù)雜性，您的信號在前端受到更多損失，這對您的接收機(jī)的總體噪聲系數(shù)造成了負(fù)面影響?！?/p>

顯然，RF開關(guān)在解決這個問題方面起到了關(guān)鍵作用?？傮w而言，智能手機(jī)可能包含十余個RF開關(guān)器件?；镜腞F開關(guān)采用單刀單擲（SPST）配置。這是一個簡單的on－off開關(guān)。

今天，OEM們使用更復(fù)雜的開關(guān)配置。Ron＊Coff是RF開關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)Peregrine Semiconductor的理論：“Ron＊Coff是無線電信號通過開關(guān)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)（Ron，或?qū)娮瑁r產(chǎn)生的損耗比率，以及無線電信號在“關(guān)閉”狀態(tài)下通過電容器的泄漏比率（Coff，或關(guān)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(guān)。插入損耗涉及信號功率的損失。如果開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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?yàn)槭謾C(jī)變薄了。插入損耗、天線功率，以及隔離等關(guān)鍵指標(biāo)仍然推動RF產(chǎn)品解決方案的不斷發(fā)展的驅(qū)動力?！?/p>

解決方案

今天，手機(jī)的功率放大器主要使用砷化鎵（GaAs）技術(shù)。幾年前，OEM從GaAs和藍(lán)寶石（SoS）遷移到RF開關(guān)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(yīng)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(wù)部門主管Peter Rabbeni表示：“移動市場繼續(xù)推動RF SOI，因?yàn)樗趯掝l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?！?/p>

今天，Qorvo、Peregrine、Skyworks等公司提供基于RF SOI的RF開關(guān)。 通常，RF開關(guān)制造商利用代工廠來制造這些產(chǎn)品。GlobalFoundries、意法半導(dǎo)體、TowerJazz，以及聯(lián)電是RF SOI代工業(yè)務(wù)的領(lǐng)軍企業(yè)。

因此，OEM在組件供應(yīng)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(diǎn)，以及不同的硅片尺寸。

決定使用哪個節(jié)點(diǎn)取決于具體應(yīng)用。聯(lián)電公司業(yè)務(wù)管理副總裁Walter Ng表示：“關(guān)于RF SOI技術(shù)的擴(kuò)展，一切都是從技術(shù)性能、成本和電力的角度來考慮，讓解決方案適用于終端應(yīng)用?！?/p>

即使有選擇，RF開關(guān)制造商也面臨一些挑戰(zhàn)。RF開關(guān)本身包含場效應(yīng)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(guān)中，F(xiàn)ET被堆疊起來。通常，今天的RF開關(guān)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(yīng)用中SOI的最新進(jìn)展和未來趨勢》的文章中寫道，RF開關(guān)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(guān)。

通常，在4G手機(jī)中，RF開關(guān)的主流流程是200mm晶圓廠的180nm和130nm節(jié)點(diǎn)。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(dǎo)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(xiàng)，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(guān)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(jī)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(chǔ)設(shè)施，以及其他因素。然而，我們預(yù)計(jì)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(yīng)用將會遷移到300mm?！?/p>

在此之前，行業(yè)可能會面臨300mm的供需問題。Ng說：“我們認(rèn)為，市場會繼續(xù)供不應(yīng)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(dāng)時的需求如何，二者的匹配會是一個問題?！?/p>

通常，今天的RF SOI工藝適用于4G手機(jī)。GlobalFoundries希望在5G戰(zhàn)場中獲得跳躍，最近為5G應(yīng)用推出了45nm RF SOI工藝。該工藝?yán)酶唠娮杪蕋rap－rich的SOI襯底。

5G是4G的后續(xù)。今天的LTE網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行。5G將使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10Gbps以上，是LTE的吞吐量的100倍。但預(yù)計(jì)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(guān)，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?！?/p>

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(xué)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(shù)。

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?！?/p>

什么是RF MEMS？

基于RF SOI的開關(guān)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，但新技術(shù)——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(jìn)步。電阻下降，線性度變得更好。但是SOI開關(guān)只是一個晶體管開啟或關(guān)閉。它導(dǎo)通時的表現(xiàn)不是很好，關(guān)閉時也不是很好。”

RF MEMS多年來一直在前進(jìn)。今天，Cavendish、Menlo Micro、以及WiSpry（AAC Technologies）正在為移動應(yīng)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(jì)）不同。傳感器MEMS是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。相比之下，RF MEMS則是傳導(dǎo)信號。

最初，Cavendish等人瞄準(zhǔn)了在天線調(diào)諧器市場采用RF MEMS技術(shù)，采用基于RF SOI的開關(guān)和其他技術(shù)。

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。現(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(fù)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(jì)劃在更大的RF開關(guān)領(lǐng)域采用基于RF SOI的器件。Dal Santo說：“如果用一個真正的開關(guān)來代替，那必然是MEMS開關(guān)，你可以看到接收機(jī)或發(fā)射機(jī)的插入損耗的累積效益?！?/p>

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(wù)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(yīng)用，二者可能會有一些小的重疊。一般來說，二者將會相互補(bǔ)充。在最苛刻的應(yīng)用中獲勝的是RF MEMS，RF SOI贏得其余的應(yīng)用?！?/p>

Racanelli說：“RF SOI會繼續(xù)發(fā)展，因此對于RF開關(guān)應(yīng)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(yīng)用，例如用于低噪聲放大器的SiGe和用于開關(guān)的MEMS替代技術(shù)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(wù)于不斷擴(kuò)大的市場，其他技術(shù)也將有所發(fā)展?！?/p>

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(shù)是否可以破局開關(guān)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(guān)來提高手機(jī)中的數(shù)據(jù)速率。這可以理解，在RF MEMS中，金屬板可以在“導(dǎo)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(fù)雜的調(diào)制方案，這可以提高手機(jī)中的數(shù)據(jù)速率?！?/p>