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RF-SOI:当代射频和毫米波前端的核心

时间:2020-11-30 作者:邵乐峰 阅读:
Soitec射频业务发展高级经理Luis Andia在接受《电子工程专辑》独家专访时表示,5G是材料提供商、代工厂、设计公司、封装与测试、智能手机制造商、运营商和许多其他机构之间多年密切合作的结果,Soitec RF-SOI优化衬底上的CMOS就是其中一种工艺,Soitec的HR-SOI,iFEM-SOI和RFeSI系列产品,为使其成为先进射频前端的标准技术作出了巨大贡献。
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根据IHS Markit独立研究的《5G经济》报告2020年更新版,尽管全球经济受到疫情影响,但5G赋能的经济产出的增长趋势几乎保持不变。预计到2035年,5G将创造13.1万亿美元的全球经济产出,创造2280万个工作岗位,全球5G资本支出和研发投入将增长10.8%,年均投入高达2650亿美元。

迄今为止,全球已有超过45家OEM厂商已经或即将宣布推出5G终端,超过50家运营商部署了5G商用网络,超过345家运营商正在投资5G。从终端角度看,基于《IDC全球智能手机跟踪报告》,IDC预测2020年全球5G手机出货量约2.4亿台,而中国市场的贡献将超过1.6亿台,占比约67.7%。在未来5年内,中国也将持续占据全球约一半的市场份额。

被5G改变的交流方式

国际电联(ITU)为5G定义了三大应用场景,即eMBB(增强型移动宽带)、mMTC(海量机器类通信)和uRLLC(超可靠、低时延通信),并将6GHz以下(FR1)频段和毫米波(FR2)频段作为承载5G部署的核心。

目前来看,FR1频段相对更加拥挤,除中国外,很少有国家能在6GHz以下为运营商分配100M以上的连续频谱;毫米波频段虽然覆盖能力相对较弱,但丰富的频谱资源可以实现高速的数据传输,并显著提高容量,对于充分释放5G性能、容量、吞吐量的全部潜能而言至关重要。

因此,只有当网络在高频部署有毫米波、中频部署有Sub-6GHz与LTE、低频部署有2G与3G网络,再配合多载波聚合技术时,整个5G网络的速率、覆盖、时延三项指标才能达到最优。

图1:部分国家在S和C频段的频谱分配(图片来自Soitec)

 

图2:部分国家/地区在mmWave频段的频谱分配(图片来自Soitec)

Soitec射频业务发展高级经理Luis Andia在《RF-SOI优化衬底 — 当代射频和毫米波前端的核心》白皮书中也谈到了这点,并指出,为了充分利用频谱资源,5G在系统中引入了众多针对新应用场景进行了高度优化的技术,例如网络切片、频谱共享和共存、聚合带宽高达1GHz的载波聚合、大规模MIMO和天线阵列系统、以及固定无线接入,小型基站和毫米波技术等等。

“这份清单并不完整,还会随着新规范的发布而不断发展,但从我们的角度来看,它代表了5G中实现的一些最具创新性的功能。”Luis Andia在接受《电子工程专辑》独家专访时表示,5G是材料提供商、代工厂、设计公司、封装与测试、智能手机制造商、运营商和许多其他机构之间多年密切合作的结果,Soitec RF-SOI优化衬底上的CMOS就是其中一种工艺,Soitec的HR-SOI,iFEM-SOI和RFeSI系列产品,为使其成为先进射频前端的标准技术作出了巨大贡献。

图3:Soitec面向5G的RF-SOI衬底选择

被5G改变的射频前端

RF半导体设计者都在挖空心思为5G系统寻找新材料和新设计/架构,但是为什么会这样呢?

这是由于5G使用不同的高频频段来实现高速数据传输,因此5G RF前端模块所需要的功率放大器、滤波器、开关、LNA和天线调谐器的需求量倍增,速度之快令人措手不及。对于智能手机设计者来说,庞大的零部件数量很让人头疼,他们必须将所有这些RF模块全部塞到一部5G手机里。

5G智能手机开发商也担心RF器件的质量、散热和能效问题,因为这些都可能降低RF前端模块的性能。

此外,并不是每个RF器件都使用相同的材料或相同的技术,这也解释了为什么Soitec为射频系统准备了一揽子优化衬底方案的原因:RF-SOI工艺主要用于5G智能手机射频前端中的开关器件和天线调谐器;FD-SOI用于SoC模拟/射频集成;压电(POI)优化衬底用于生产高性能表面声波(SAW)滤波器组件,主要针对4G和5G新无线电(NR)波段;硅基氮化镓(GaN-on-Si)和碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)则是进入5G GaN功率放大器市场的利器。

对射频前端来说,一个显而易见的趋势是集成化与模块化,如何将这些不同材料、不同工艺的器件集成在一起,是件非常令人头疼的事情。

Luis Andia同意这个判断。但他认为前文所列举的各种优化衬底技术已经不再是小众市场,整个生态系统相对比较成熟,Soitec正在与合作伙伴一起共同理解射频生态中各个环节的实际需求、发展趋势和架构,确保优化衬底和对应的模块、测试封装技术都能够实现完美兼容。

以目前业界谈论最多的5G毫米波应用为例,由于大气吸收和障碍物,毫米波频率在距离上比6GHz 以下频率更容易遭受信号衰减。对了补偿这种衰减,毫米波射频前端利用多达1,024个天线阵列系统大规模MIMO的阵元,进一步将辐射的RF信号集中在更窄的波束中,实现相当的距离覆盖和更高的能效和专一性(即更低的用户互扰),但随之而来的后果是射频前端的复杂性大幅增加。得益于RF-SOI技术的存在,不但使开关、PA、LNA、移相器、可变增益放大器(VGA)被完全集成在一起,还同时具有控制、偏置、内存和电源结合功能。

 

图4:得益于RF-SOI技术,5G毫米波前端实现了高度集成

“RF-SOI和FD-SOI是相互补充的技术。在解决5G不同频段共存的问题上,他们可以为射频设计提供更多的灵活性,特别是一些手机需要兼容6GHz以下和毫米波频段时。当然,这涉及到的不仅仅只有5G手机,还包括其他5G基础设施。”Luis Andia说。

因此,即便是在面对除智能手机之外的垂直应用领域,比如汽车、工业、窄带物联网(NB-IoT) 时,Soitec也能够打出一套包括HR-SOI、iFEM-SOI和RFeSI在内的“组合拳”

5G的RF-SOI优化衬底创新

如前文所述,RF-SOI工艺主要用于智能手机射频前端模块制造。尤其是在5G智能手机中,RF-SOI 器件的比例正在不断增加,例如Sub-6GHz频段中,RF-SOI含量比4G高60%;毫米波频段中,120mm2 SOI内容含量增加;RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射频前端中更具优越性。

作为当前性能最为出色的RF-SOI优化衬底,RFeSI在当前智能手机中的使用率达到了100%。但Luis Andia说考虑到未来射频前端应用仍然存在巨大的市场空间,为了提高线性度,在保证成本竞争力的同时,Soitec又新引入了RFeSI100,其二阶谐波能够达到低于-100dBm的性能提升。按照官方的说法,这是“首次在商业RF-SOI衬底上使用的创新材料,为eMBB和uRLLC中的所有应用提供了无与伦比的线性度。”

并行引入的可选功能还包括RFeSI_T(“T”代表温度)。通过加入一层具有极低电容率的材料,它允许RFeSI系列中的所有衬底(RFeSI80,RFeSI90和RFeSI100)可以在高达150度的温度范围内都具有极低的线性漂移,并同时保留了Trap-rich的所有其他特性并且具有成本竞争力,从而提高了关键任务应用(蜂窝网络基础设施、工业4.0、汽车、军事)的耐用性。

图5:RFeSI和RFeSI_T衬底在特定温度范围内的二阶谐波功率

最后,意识到了mMTC总体拥有成本的压力,Soitec还推出了一种新型iFEM-SOI衬底,该衬底具有简化的制造工艺,可以在优化的射频前端 TCO(总拥有成本)上提供合适的性能。

他特别提到了Smart Cut技术在其中扮演的关键角色。这是一种SOI晶圆键合和剥离技术,也是Soitec的核心竞争力所在,从1992年公司成立一直使用至今,在硅、碳化硅、蓝宝石衬底等多种半导体材料上得到了实践应用。它能将超薄的晶体材料从一个衬底转移到另一个衬底之上,从而打破原有的物理限制并改变整个衬底行业的状况。该技术最大的优点在于可以提高材料均匀性,降低材料缺陷密度,并且使高质量晶圆可以循环再利用,广泛应用于SOI衬底的批量生产,包括FD-SOI、RF-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI 和Imager-SOI,用以满足不同市场应用的需求。

产能方面,Soitec中国区战略发展总监张万鹏表示,5G是中国拉动经济增长的重要行业之一,对RF-SOI衬底的需求十分巨大和迫切,目前的晶圆产能足以支持市场的快速发展,Soitec一直努力提高新加坡工厂的300mm SOI晶圆和外延片,以及中国的200mm晶圆产能。与此同时,在与5G、边缘计算和汽车相关的应用中,FD-SOI设计和流片也很活跃,Soitec将持续改善产能规划,更好地服务不断增长的全球市场,特别是中国市场。

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RF-SOI 优化衬底——当代射频和毫米波前端的核心

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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