手机射频开关领域的工艺之争： RF-SOI Vs.MEMS

RF器件和制造工艺市场正在升温，这种态势对于智能手机中使用的两个关键组件 - 射频开关器件和天线调谐器尤为明显。

射频器件制造商及其代工合作伙伴继续推出基于RF SOI工艺技术的传统射频开关芯片和调谐器，用于当今的4G无线网络。最近，Global Foundries为未来的5G网络推出了45nm RF SOI工艺。RF SOI是绝缘体上硅(SOI)技术的RF版本,有效利用了内置隔离衬底的高电阻率特性。 而无晶圆厂IC设计公司Cavendish Kinetics为了改变市场格局，也推出了基于新工艺RF MEMS的新一代RF产品和天线调谐器。

RF开关和调谐器是手机RF前端模块中的两个关键组件。RF射频包括了发射链路和接收链路，其中RF开关对无线信号起到通路选择的作用，而调谐器帮助改善天线在特定频段上的效率。

先不说不同的器件和工艺类型，当今RF市场的挑战也足以令人望而生畏。Cavendish Kinetics公司总裁兼首席执行官Paul DalSanto表示：“几年前，RF还是一项相当简单的设计，然而今时不同往日。首先，射频前端必须覆盖非常宽的频带，从600MHz一直延伸到3GHz。随着更加先进的5G技术的到来，频段将进一步上延，甚至达到5GHz至60GHz。这给前端RF设计师带来了巨大的挑战。”

面对这些挑战，手机OEM厂商必须在选择器件工艺时做出新的考量。具体到RF开关和天线调谐器而言，业界的主流归结为两种技术 - 基于RF SOI工艺和RF MEMS工艺的器件。

RF SOI是目前市场上射频开关的主流工艺，RF SOI工艺可以满足当下的频段及性能要求，但也开始遇到一些新的技术挑战。除此之外，市场还存在价格压力，随着器件从200mm迁移到300mm晶圆，也会引发一些问题。

相比之下，RF MEMS具有一些颇具吸引力的特性，并已经在一些领域取得了进展。事实上，Cavendish Kinetics公司表示，该公司其基于RF MEMS工艺的MEMS天线调谐器已经被三星和其他OEM使用。

Strategy AnalyTIcs的分析师ChrisTaylor表示：“RF MEMS能够提供非常低的Ron(导通电阻)，这也意味着更低的insertion loss(插入损耗)。但RF MEMS目前并没有大规模的实现量产，主流OEM厂商很难盲目地选择新技术和小供应商。当然，相较于RF SOI器件，RF MEMS开关必须要有足够好的价格，除此之外，主流OEM厂商也会对产品可靠性和供货提出很高的要求。”

射频前端

在智能手机产业复杂商业环境中，射频前端这一细分市场还是挺值得一看的，因为它涵盖了射频开关、调谐器和PA等众多其他器件。

智能手机的出货增速正在放缓，根据Pacific Crest Securities的数据，预计2017年智能手机的出货量将仅增长1%，而2016年的增幅为1.3%。 而与此同时，根据Yole Développement 的数据，智能手机的RF前端市场规模预计将从2016年的101亿美元跃升至2022年的227亿美元。

而其中根据Strategy Analytics分析，2016年，RF开关设备市场规模为17亿美元。　　随着OEM厂商继续在智能手机中增加更多RF组件，RF市场正在不断增长。“多频段LTE也正在向低端设备普及，”Strategy Analytics的Taylor说。“RF开关组件市场正在增长。”

在手机网络转向4G或长期演进(LTE)的过程中，每台手机的RF开关设备数量都有所增加。“我们现在在谈论的出货量单位十分巨大，”Taylor说。“当前绝大多数的射频开关使用了RF SOI制造工艺，当然它的应用并不值局限于手机。而RF MEMS仍然是新兴事物，相对于RF SOI开关市场来说微不足道。”

尽管RF开关的出货量巨大，但市场竞争激烈，价格压力较大。Taylor说，这些设备的平均销售价格(ASP)为10至20美分。

Fig. 1: 一个常见的射频前端模块. Source: Globalfoundries,“Designing Next-Gen Cellular and Wi-Fi Switches Using RF SOI,” Technology, May2016.

射频前端由多个器件组成，除了射频开关之外，还包括功率放大器、低噪声放大器(LNA)、滤波器等。Global Foundries的技术人员Randy Wolf在最近的一个演讲中表示，“其中功率放大器的作用是提供功率输出，以确保信号或信息到达目的地。而LNA用于放大来自天线接收端的小信号。RF开关将信号从一个组件连通到另一个组件。而滤波器可滤除不需要的杂散和干扰信号”。

2G和3G时代，手机的射频部分功能非常简单。2G只有四个频段，3G有五个频段。但4G有40多个频段。4G不仅涵盖了2G和3G的频段，引入了一系列新的4G频段。除此之外，载波聚合的技术能够讲多个信道或分量载波组合到一个大数据管道中，在无线网络中实现更高的带宽和更快的数据速率。

“为了应对多个频段和CA，RF前端模块架构也在变得更加复杂。当前市场上的RF前端模块会集成两个或多个多模多频带功率放大器，以及多个开关和滤波器。“这取决于所采用的前端架构，以及需要支持的频段。”Qorvo移动战略营销经理Abhiroop Dutta表示：“使用单个SKU在全球范围内应对多地区/全球市场的典型“全网通”手机，频段覆盖面非常广泛。这种旗舰机型往往采用具有高集成度的PAMiD方案，以应对高、中、低频带的不同要求。”相比之下，还有另外一种情况，智能手机OEM厂商可能会针对特定市场设计专用手机。“比如说针对中国大陆市场的手机。在这种情况下，RF前端仅仅需要支持该地区需要支持的频段，”Dutta说。

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

从天线的角度而言, LTE手机需要支持下行接收分集，主天线用于发射/接收信号，而分集天线用于提高手机的下行数据速率，只需要支持接收业务。在工作时，信号通过主天线，然后移动到天线调谐器上，这允许天线系统根据频段需求调整相应的匹配。然后信号才进入一系列射频开关，而开关根据具体的频段来选择合适的射频通道，信号得以进入相应滤波器，最后到达接收机。

考虑到射频前端的复杂性，功耗和尺寸变得至关重要。由于前端架构变得复杂，信号在前端会遭到更多损耗，进而在发射端影响输出功率，PA功耗;在接收端影响灵敏度。

显然，RF开关的IL变得越来越重要。Ron ，Coff是RF开关的关键指标。根据Peregrine Semiconductor，“Ron 导通电阻是反映RF信号通过处于导通状态的开关时发生多少损耗，而Coff关断电容则是反应信号在开关处于关闭状态下通过电容器泄漏多少能量。

总而言之，OEM厂商需要的是低损耗和高隔离的RF开关。插入损耗涉及信号功率的损失。如果RF开关没有实现良好的隔离，系统可能会遇到干扰。

解决方案

目前市场上的手机PA主要使用砷化镓(GaAs)技术。几年前，OEM将射频开关等制造工艺从GaAs和蓝宝石(SoS)迁移到RF SOI上。GaAs和SoS是SOI的变体，随着RF开关变得越来越复杂，这两种工艺变得太贵了。

FD SOI适用于数字应用，而与FD-SOI类似，RF SOI在衬底中具有很薄的绝缘层，能够实现高击穿电压和低漏电流。

Global Foundries RF业务部门主管Peter Rabbeni表示：“移动市场继续看好RF SOI，因为它能够在宽频率范围内提供低插入损耗、高线性，实现了良好的性能和成本效益。”

今天，Skyworks，Qorvo等公司提供基于RF SOI的射频开关,而RF开关制造商使用代工厂来制造这些产品。Global Foundries、意法半导体、Tower Jazz和联电是RF SOI代工业务的领军企业。目前常见的RF SOI工艺，涵盖从180nm到45nm的节点和不同的晶片尺寸。决定使用哪一个节点取决于具体应用。联电公司业务管理副总裁吴坤表示：“关于RF SOI技术的具体化，一切都是从技术性能、成本和功耗的角度来考虑适用于终端应用的技术解决方案。”

即便有多种选择，RF开关制造商也面临一些挑战。RF开关本身包含场效应晶体管(FET)。与大多数器件一样，FET受到不需要的沟道电阻和电容的影响。在RF开关中，FET被堆叠使用。通常而言，当今的RF开关中堆叠了10到14个FET。据专家介绍，随着FET数量的增加，器件可能会遇到插入损耗和电阻带来的相关问题。

另一个问题是寄生电容。Skyworks在2014年发表的一篇题为《RF应用中SOI工艺的最新进展和未来趋势》的文章中表示，“在RF开关中，30%或更多的寄生电容来自于器件中的互连。互连包括金属层或bonding线，也包括基于RF SOI的开关。

目前RF开关的主流制造工艺是200mm晶圆的180nm和130nm节点。许多(但不是全部)互连层基于铝材质。铝导体在IC行业使用多年，价格便宜，但也具有较高的寄生电容。

因此，铜被用于RF器件中一些特定层。铜是更好的导体，并且电阻小于铝。Ng表示：“用于130nm RF CMOS工艺产品的传统金属堆叠包括具有成本优势的铝互连层和具有性能优势的铜互连层。”这是平衡成本和性能的最佳解决方案。RF SOI解决方案通常包含一定数量的铝金属层和一个或多个铜层。通常，在顶层上使用铜作为超厚金属层，帮助改善无源器件性能。他说：“最好是铜这样的厚顶层金属，它能够最小化损耗，从而提高性能。”

最近，RF SOI 代工厂已经从200mm晶圆迁移到300mm晶圆，其工艺节点也从130nm迁移到45nm。通常，300mm晶圆厂只使用铜互连。　　只使用铜互连，RF开关制造商可以降低电容。但是，300mm晶圆提高了制造成本，从而在市场上造成一些矛盾。一方面，成本敏感的手机OEM厂商需要RF开关保持较低的价格。另一方面，RF开关设备制造商和代工厂希望能够保持利润。

“今天，只有极少的RF SOI器件采用300mm晶圆，”Ng说。“这种情况的出现有很多原因，包括300mm RF SOI衬底的成本/可用性，以及支持后硅处理的基础设施等因素。但是我们预计在未来几年内，这些挑战将会在很大程度上得到解决，然后大部分大批量的RF SOI应用将会迁移到300mm晶圆上。”在此之前，行业可能会面临300mm的供需问题。“我们认为，在更多的生产迁移到300mm晶圆之前，市场将一直面临供不应求的挑战。产能上马有多快，需求有多大，都将反映在供需矛盾上。”他说。

Global Foundries希望在5G竞赛中脱颖而出，最近为5G应用推出了45nm RF SOI工艺。该工艺利用了高电阻阱富集的SOI衬底。

5G是4G网络的升级。LTE网络频段介于700 MHz到3.5GHz之间。而即将到来的5G不仅需要在LTE频段存在，而且还将在10 GHz至100 GHz之间的毫米波段内运行。5G将数据传输速率提高到10Gbps以上，即LTE的100倍。但5G的大规模部署预计得到2020年及以后了。

无论如何，5G需要一个新的器件工艺。“(45nm RF SOI)主要是为了满足5G毫米波前端的应用，需要集成了PA、LNA、开关、移相器，以实现5G的主要功能：波速赋形 beam forming”GlobalFoundries的Rabbeni说。

当然5G射频前端还有其它的解决方案，RF MEMS就是其中一种可能。其他的潜在工艺还包括比如说，Tower Jazz和加利福尼亚大学圣地亚哥分校最近展示了一个12Gbps的5G相控阵芯片。该芯片组采用了Tower Jazz的SiGe BiCMOS技术。

哪种工艺将胜出?只有时间会告诉我们答案。

什么是RF MEMS?

基于RF SOI工艺的射频开关将继续占据主导地位，但新技术RF MEMS也会占有一席之地。“随着时间的推移，SOI已经取得了不可思议的进步。电阻下降了，线性度也变得更好了。”Cavendish Kinetics的Dal Santo说。“但是本质上来说，SOI开关是通过晶体管导通或关闭来实现的开与关，所以无论如何Ron和Coff始终都会存在。

RF MEMS并不是一个全新的工艺，它其实已经经过了长期的发展，一直在稳步前进。诸如Cavendish、Menlo Micro和WiSpry(AAC Technologies)等公司，正致力于RF MEMS在无线通信领域的应用。

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

最初，Cavendish等公司将RF MEMS技术应用到使用RF SOI和其它工艺的天线调谐器。

“如果给你一个固定的天线，它的带宽是受限的，不可能支持一个频段内的所有频带。所以天线调谐应运而生，“Dal Santo说。“主流的天线调谐是采取开关切换，要么切换不同的电容匹配，要么切换不同的电感匹配。问题在于天线是高Q值的器件。你必须小心去调节，如果谐振位置出现偏差，性能可能会更加恶化。”

展望未来，Cavendish希望在更大的RF开关领域采用RF SOI器件。“如果最终有一种工艺能够取代RF SOI，那必然就是MEMS，收发链路上的插损都会显著降低。”。

但是RF MEMS最终是否会取代RF SOI?关于这个问题，TowerJazz可以提供一些见解。Tower Jazz能够传统的RF SOI工艺，同时也是Cavendish的RF MEMS器件的代工厂商。

“RF MEMS和RF SOI可能在竞争相同的应用。一般来说，它们是相互补充关系，RF MEMS用于最苛刻的应用，而RF SOI用于其余的应用，“Tower Jazz RF /高性能模拟业务部门高级副总裁兼总经理MarcoRacanelli说。

“RF SOI技术将继续发展，它对于RF开关应用和部分低噪声放大器市场仍然是可用的，”Racanelli说。“然而，在一些特殊的应用中，用于低噪声放大器的SiGe和用于开关的MEMS等替代技术可以提供更佳的线性度或更低的损耗。总之，RF SOI将继续一枝独秀，而其他技术也将有所发展。”

RF MEMS已经在天线调谐器市场上占有了一席之地，它能否把触角延伸到射频开关业务上还有待时间验证。“未来，相对于内置RF SOI，RF MEMS可以通过提供更线性和更低损耗的开关来帮助提高手机的数据率。”他说。“在RF MEMS中，金属板可以在“导通”状态下直接接触，形成金属、低损耗、线性的连接。更高的线性度允许更多的频带和更复杂的调制方案，从而增加手机的数据率。