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从手机到汽车,一部射频半导体的无缝跨越之旅

时间:2021-12-08 16:00:39 作者:邵乐峰 阅读:
在这个最具变革性的时代,以RF-SOI为代表的射频半导体技术正在车辆舒适性(信息娱乐)、远程信息处理、安全性(驾驶辅助)、环境(V2X)等方面发挥着无可替代的关键作用。
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近年来,以Connectivity(互联化)、Autonomous Driving(自动化)、Services(服务化)、Electrification(电气化)为代表的“CASE”四大趋势,正在重塑汽车产业的整体格局,也导致汽车中的半导体器件用量快速增长。IEEE Spectrum 2021的数据显示,汽车电子在整车制造中的总成本占比,已经从1970年的5%增长至2010年的35%,预计到2030年,这一数字将增加到50%。

同时,在CASE的推动下,从2019年到2025年,汽车芯片营收将从420亿美元增长至660亿美元,年复合增长率(CAGR)为8%。其中,与安全性(ADAS)、车联网、新能源汽车相关的芯片营收将分别达到140亿/60亿/110亿美元,从而给汽车产业带来巨大变化。

“移动性(Mobility)概念正从我们此前所熟悉的智能手机快速向汽车行业拓展。”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,对汽车行业而言,移动性是一个以用户为中心的,新的出行方式概念,它要求与交通相关的产品与服务必须满足消费者的需求、习惯和喜好。而在这个最具变革性的时代,以RF-SOI为代表的射频半导体技术正在车辆舒适性(信息娱乐)、远程信息处理、安全性(驾驶辅助)、环境(V2X)等方面发挥着无可替代的关键作用。

“车载射频系统/射频半导体”的说法对普通消费者来说可能太过专业,但如果把它们具像成,例如“鲨鱼鳍天线”,可能很多人就会恍然大悟。下图左侧就为我们展示了汽车“鲨鱼鳍天线”或是“共形平板天线”的样子,其专业的称谓是汽车远程信息处理盒(T-BOX)或远程信息处理控制单元(TCU),而右侧则是内部包含的复杂射频电路,用以确保汽车连接的稳定性、可靠性和节能性。

不难发现,随着5G、Wi-Fi 5/6(E)、GNSS、V2X等连接技术的大量应用,汽车射频前端设计正日趋复杂,这将让设计人员在两方面面临巨大挑战:一是射频前端的非线性可能会在相邻频段产生干扰,甚至影响较远处的频段;二是由于射频前端变得愈发复杂,噪声源也随之增加(如数字噪音),但高阶调制信号(高数据速率)对噪声非常敏感,如果想将CMOS-bulk芯片上的干扰降至最低,基于现有设计技术,就需要增加芯片面积,而且极易降低功效。

另一方面,温度变化对射频前端性能的影响也越来越引起了人们的重视。用手机做对比,目前,智能手机的设计工艺能保证其温度处于一定的稳定水平(85℃以下),但汽车的运行情况明显更加复杂,控温方面难度很大,如果处理不当,汽车内外部较大的温度变化幅度和预期的RFIC变化就会降低射频前端性能,从而影响汽车连接的可靠性,行业迫切需要引入预测性连接管理,力争在早期设计阶段就能解决上述潜在问题。

非线性和温度变化对射频前端的影响

除了频段干扰、噪声源增加、温控等因素外,Luis Andia还特别提到了5G毫米波、UWB等新技术的采用所带来的新挑战。虽然借助毫米波频谱技术可以使公共汽车、火车等交通工具上的乘客获得5G网络的数据速率,但复杂的毫米波射频前端需要高集成度、高效率、低功耗和高串扰隔离度,作为毫米波前端的关键元件,功率放大器需要足够的输出功率才能支持良好的网络覆盖。

总之,射频前端是车辆连接系统的关键元素,选择相关技术需要慎之又慎,应综合考虑以下因素:1. 资深、成熟的制造能力;2. 高效率、低功耗;3. 多协议系统共存(包括5G sub-6GHz、5G毫米波、Wi-Fi、UWB、蓝牙、GNSS等)条件下的射频信号高度完整性;4. RF CMOS和RF-SOI衬底共同发展,为移动性提供所需的高性能、高可靠性和高稳健性。

RF-SOI:射频前端的行业标准

其实,从Soitec的角度来讲,为了更有效的帮助汽车产业面对各种挑战,他们准备了包括用于4G/5G RF前端模块的RF-SOI、用于5G滤波器的POI、用于SoC模拟/射频集成的FD-SOI和碳化硅/氮化镓在内的一系列优化衬底产品组合,但在本文中,我们将把重点投向RF-SOI技术。

在《电子工程专辑》此前所撰写的多篇文章中,都对RF-SOI工艺进行了详细的介绍。简单来说,RF-SOI工艺主要用于射频前端模块制造。以5G智能手机为例,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内容含量显著增加;RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射频前端中更具优越性,等等。

而当RF-SOI技术被用于汽车工业时,Luis Andia认为它将在以下四方面为射频集成提供便利:

● 有助于适应复杂的天线布局,以应对不同区域的频段

● 符合严格的热切换需求——无论汽车在事故发生后的状况如何,紧急开关都能保持工作

● 共集成开关+LNA有助于降低总系统噪声系数,提高安全(ASIL)域中的V2X接收器灵敏度

● 智能手机蜂窝网络和Wi-Fi射频前端设计领域的长期专业积淀,可用于消费级轿车的网络连接,如车载信息娱乐系统

例如作为当前性能最为出色的RF-SOI优化衬底,专为消费级产品设计的RFeSI在当前智能手机中的使用率达到了100%。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、稳定性和可靠性。

这对汽车的紧急系统来说非常关键。我们很难想象,该系统如果在恶劣的运行环境,甚至在事故发生后无法联网,无法工作,会是怎样的一种情形。因此,相关产品就必须在收发信号时兼容天线的热切换,确保在任何状况下数据都能够顺利收发。

当然,要实现高温线性度的目标,衬底优化只是整个系统解决方案的一部分,还需要和半导体产业链上的其他环节展开合作,才能确保衬底在整个系统上达到设定的温度目标。

下图则描述了各种材料在5G毫米波功率放大器中的性能表现。可以看出,在中等输出功率下,所有技术选项都具有竞争力,但凭借优越的集成能力,SOI为功效优化提供了更便捷的途径;而在高输出功率下,化合物材料脱颖而出,优势显著。

SOI晶圆的革命性晶圆键合和剥离技术Smart Cut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 、PD-SOI和Imager-SOI,用以满足不同市场应用的需求。

从消费级到汽车级的无缝跨越

众所周知,消费类和汽车类应用对产品性能的要求差别很大,在汽车中使用的芯片、器件、模组等都要经过非常严格的车规级标准认证。那么,Soitec又是如何确保RF-SOI在从消费类产品转移到汽车类产品的过程中实现无缝衔接的呢? 

“这是一个非常好的问题。”Luis Andia说,的确,相对于消费品,汽车产品在稳定性和可靠性方面的要求更高。因此,Soitec在设计汽车类产品的时候,一定会保证产品在稳定性和可靠性上达到更高的标准,不仅是机械性能,还包括热性能等其他特点。

同时,通过相关行业的认证非常重要,无论是汽车行业标准ISO26262,还是工业行业标准IEC61508,都是如此,这一点也得到了Luis的认同。例如当用于逆变器时,汽车行业对FuSa的要求会更高,至少要达到ASIL C或D级,否则有可能造成安全隐患;而在工业领域,考虑到操作人员的安全,相关的智能功率IC也会有FuSa的需求。所以Soitec不仅自已拥有汽车方面的认证,还要确保供应商也已经获得汽车行业相关认证,这样才能加快产品从消费级向汽车领域的过渡。

尽管我们之前花费了较大篇幅介绍RF-SOI技术在汽车射频中的应用,但Luis Andia仍提醒业界说,还有两个重要的因素不可忽视:功耗与模块化。在他看来,随着汽车上集成的电子器件越来越多,若持续联网,功耗会是一个不可忽视的因素,毕竟没有人希望由于功耗太大影响行驶里程。同时,与手机能够适应不同地区的频带频宽要求不同,汽车对射频前端的尺寸和成本有着非常严格的要求,汽车OEM厂商也不希望在不同地方联网都要进行定制化,他们更倾向那些适用于所有联网网络的模块化产品,而这也是RF-SOI产品的优势所在。

谈到汽车芯片,缺货可能是近期一个无法回避的现实问题。

“确实如此,我们在产能方面也一直在想办法。但好在Soitec在法国、新加坡、比利时都设有工厂,中国也有生产合作伙伴,可以根据市场需求灵活调配产能。“Luis Andia认为,造成目前汽车供应链紧张的原因是多重的,需要全产业链协同规划,Soitec也正在密切关注市场动向,对未来产能做出适当的规划,时机成熟后会及时发布相关信息。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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