RF器件和工藝技術的市場正在升溫，特别是對(duì)于智能(néng)手機中使用的兩(liǎng)個關鍵組件——RF開(kāi)關器件和天線調諧器。

RF器件制造商及其代工合作夥伴繼續推出基于RF SOI工藝技術的傳統RF開(kāi)關芯片和調諧器，用于當今的4G無線網絡。最近，GlobalFoundries爲未來的5G網絡推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是RF版本的絕緣體上矽（SOI）技術，利用内置隔離的高電阻率襯底。

爲了打破市場環境，一家無晶圓廠IC設計公司Cavendish Kinetics正在推出基于一種(zhǒng)替代技術——RF MEMS的新一代RF産品和天線調諧器。

RF開(kāi)關和調諧器是手機RF前端模塊中的關鍵組件之一。RF前端將(jiāng)發(fā)送和接收功能(néng)集成(chéng)到系統中，RF開(kāi)關對(duì)信号進(jìn)行路由。調諧器幫助天線調整到任意頻段。

無論哪種(zhǒng)器件和技術類型，當今RF市場的挑戰都(dōu)令人望而生畏。Cavendish Kinetics總裁兼首席執行官Paul Dal Santo表示：“幾年前，RF是一項相當簡單的設計。但事(shì)情現在已經(jīng)大大改變。首先，RF前端必須可以處理非常寬的頻率範圍，從600 MHz至3 GHz。采用先進(jìn)的信号技術和5G技術，頻率範圍將(jiāng)達到5GHz至60GHz。這(zhè)給前端RF設計師帶來了難以置信的挑戰。” 

考慮到這(zhè)些挑戰，手機OEM廠商必須考慮選擇一些新的組件。具體來說，對(duì)于RF開(kāi)關和天線調諧器，可以歸結爲兩(liǎng)種(zhǒng)技術——基于RF SOI的器件和RF MEMS。

RF SOI是現有技術。基于RF SOI的器件能(néng)力尚可，但它們開(kāi)始遇到一些技術問題。除此之外，市場還(hái)存在價格壓力，随著(zhe)器件從200mm遷移到300mm晶圓廠，問題還(hái)會(huì)出現。

相比之下，RF MEMS有一些有趣的特性，并在某些領域取得了進(jìn)展。事(shì)實上，Cavendish Kinetics公司表示，其基于RF MEMS的天線調諧器正在被(bèi)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(méi)有生産記錄，高容量無線系統OEM廠商將(jiāng)不會(huì)對(duì)新技術和小型供應商做出巨大貢獻。當然，RF MEMS作爲替代品，價格必須有競争力，但主要OEM廠商想要可靠性得到檢驗的産品和可靠的供應來源。”

RF前端

不過(guò)，在智能(néng)手機（RF開(kāi)關，調諧器，和其他組件）的混合商業環境中，RF前端市場值得關注。根據Pacific Crest Securities的數據，智能(néng)手機出貨量預計將(jiāng)在2017年增長(cháng)1％，而2016年則增長(cháng)了1．3％。

另一方面(miàn)，根據YoleDéveloppement的數據，手機的RF前端模塊／組件市場預計將(jiāng)從2016年的101億美元躍升至2022年的227億美元。 據Strategy Analytics分析，RF開(kāi)關器件市場在2016年達到了17億美元。

随著(zhe)OEM廠商繼續在智能(néng)手機中增加更多RF内容，RF市場正在不斷增長(cháng)。Strategy Analytics的Taylor說：“多頻段LTE也正在向(xiàng)下層器件延伸，開(kāi)關内容正在增加。”

在轉向(xiàng)4G或長(cháng)期演進(jìn)（LTE）的過(guò)程中，每台手機的RF開(kāi)關器件數量都(dōu)有所增加。Taylor 說：“我們每年都(dōu)在談論大量的單元，大多數但并非全部（RF開(kāi)關）都(dōu)會(huì)進(jìn)入手機，其中現在絕大多數是SOI。RF MEMS仍然是新興市場，相對(duì)于RF SOI開(kāi)關來說微不足道(dào)。”

盡管RF開(kāi)關的出貨數量很大，但是市場競争激烈，價格壓力較大。Taylor 表示，這(zhè)些器件的平均銷售價格（ASP）爲10－20美分。

同時，在一個簡單的系統中，RF前端由多個組件組成(chéng)——功率放大器、低噪聲放大器（LNA）、濾波器、以及RF開(kāi)關。

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确保有足夠的“動力”可以讓您的信号或信息到達目的地。”

LNA放大來自天線的小信号。RF開(kāi)關將(jiāng)信号從一個組件路由到另一個組件。Wolf 說：“（濾波器）可防止一切無用信号進(jìn)入。”

在手機中，2G和3G無線網絡的RF功能(néng)簡單。2G有四個頻段，3G有五個頻段。 但對(duì)4G來說，有40多個頻段。4G不僅融合了2G和3G頻段，而且還(hái)搭載了4G頻段。

除此之外，移動運營商已經(jīng)部署了一種(zhǒng)稱爲載波聚合的技術。載波聚合將(jiāng)多個信道(dào)或分量載波組合到一個大數據管道(dào)中，可以在無線網絡中實現更大的帶寬和更快的數據速率。

爲了處理頻段和載波聚合，OEM廠商需要複雜的RF前端模塊。今天的模塊可以集成(chéng)兩(liǎng)個或多個多模、多頻帶功率放大器，以及多個開(kāi)關和濾波器。Qorvo移動戰略營銷經(jīng)理Abhiroop Dutta表示：“這(zhè)取決于采用的RF架構。PA的數量由手機正在尋址的區域頻帶決定。通過(guò)單個SKU在全球範圍内應對(duì)全球多地區或全球蜂窩市場的典型“全球通”手機，頻段覆蓋面(miàn)廣泛。對(duì)于這(zhè)種(zhǒng)手機的典型RF前端集成(chéng)模塊的實現，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(néng)手機OEM廠商可能(néng)會(huì)爲特定市場設計區域手機。Dutta表示： “一個例子是針對(duì)中國(guó)國(guó)内市場的手機。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，RF前端需要支持該地區的頻段。”

根據Cavendish Kinetics的理論，LTE手機還(hái)有兩(liǎng)種(zhǒng)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(néng)，分集天線提高了手機的下行數據速率。

實際操作中，信号到達主集天線。然後(hòu)移動到天線調諧器，允許系統調整到任何頻帶。

然後(hòu)，信号進(jìn)入一系列RF開(kāi)關。GlobalFoundries的Wolf說：“它轉換到您要使用的适用頻段，GSM、3G、或4G。”信号從這(zhè)裡(lǐ)進(jìn)入濾波器，其次是功率放大器，最後(hòu)到達接收器。

考慮到這(zhè)種(zhǒng)複雜性，手機OEM面(miàn)臨一些挑戰。功耗和尺寸至關重要。Wolf說：“由于這(zhè)種(zhǒng)複雜性，您的信号在前端受到更多損失，這(zhè)對(duì)您的接收機的總體噪聲系數造成(chéng)了負面(miàn)影響。”

顯然，RF開(kāi)關在解決這(zhè)個問題方面(miàn)起(qǐ)到了關鍵作用。總體而言，智能(néng)手機可能(néng)包含十餘個RF開(kāi)關器件。基本的RF開(kāi)關采用單刀單擲（SPST）配置。這(zhè)是一個簡單的on－off開(kāi)關。

今天，OEM們使用更複雜的開(kāi)關配置。Ron＊Coff是RF開(kāi)關的關鍵指标。根據Peregrine Semiconductor的理論：“Ron＊Coff是無線電信号通過(guò)開(kāi)關處于“導通”狀态（Ron，或導通電阻）時産生的損耗比率，以及無線電信号在“關閉”狀态下通過(guò)電容器的洩漏比率（Coff，或關斷電容）”

總而言之，OEM廠商需要沒(méi)有插入損耗以及具有良好(hǎo)隔離的RF開(kāi)關。插入損耗涉及信号功率的損失。如果開(kāi)關沒(méi)有良好(hǎo)的隔離，系統可能(néng)會(huì)遇到幹擾。Qorvo的Dutta表示：“總的來說，RF前端面(miàn)臨的挑戰是支持日益增長(cháng)的性能(néng)需求，這(zhè)與不斷發(fā)展的标準和增加頻帶覆蓋範圍相一緻。同時還(hái)要考慮縮小RF器件封裝的尺寸，因爲手機變薄了。插入損耗、天線功率，以及隔離等關鍵指标仍然推動RF産品解決方案的不斷發(fā)展的驅動力。”

解決方案

今天，手機的功率放大器主要使用砷化镓（GaAs）技術。幾年前，OEM從GaAs和藍寶石（SoS）遷移到RF開(kāi)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），适用于數字應用。與FD－SOI類似，RF SOI的襯底中有薄絕緣層，能(néng)夠實現高擊穿電壓和低漏電流。

GlobalFoundries RF業務部門主管Peter Rabbeni表示：“移動市場繼續推動RF SOI，因爲它在寬頻率範圍内提供低插入損耗、低諧波，以及高線性度，擁有良好(hǎo)的性能(néng)和成(chéng)本效益。”

今天，Qorvo、Peregrine、Skyworks等公司提供基于RF SOI的RF開(kāi)關。 通常，RF開(kāi)關制造商利用代工廠來制造這(zhè)些産品。GlobalFoundries、意法半導體、TowerJazz，以及聯電是RF SOI代工業務的領軍企業。

因此，OEM在組件供應商和代工産品方面(miàn)有多種(zhǒng)選擇。通常，代工廠提供RF SOI工藝，從180nm到45nm的節點，以及不同的矽片尺寸。

決定使用哪個節點取決于具體應用。聯電公司業務管理副總裁Walter Ng表示：“關于RF SOI技術的擴展，一切都(dōu)是從技術性能(néng)、成(chéng)本和電力的角度來考慮，讓解決方案适用于終端應用。”

即使有選擇，RF開(kāi)關制造商也面(miàn)臨一些挑戰。RF開(kāi)關本身包含場效應晶體管（FET）。與大多數器件一樣(yàng)，FET受到無用的溝道(dào)電阻和電容的影響。

在RF開(kāi)關中，FET被(bèi)堆疊起(qǐ)來。通常，今天的RF開(kāi)關中堆疊了10－14個FET。 據專家介紹，随著(zhe)堆疊FET數量的增加，器件可能(néng)會(huì)遭遇插入損耗和電阻的影響。

另一個問題是電容。Skyworks在2014年的一篇題爲《RF應用中SOI的最新進(jìn)展和未來趨勢》的文章中寫道(dào)，RF開(kāi)關中，至少30％以上的無用的電容歸因于器件中的互連。互連是金屬層或微型布線方案，包括基于RF SOI的開(kāi)關。

通常，在4G手機中，RF開(kāi)關的主流流程是200mm晶圓廠的180nm和130nm節點。大多數互連層基于鋁，但不是全部。鋁互連在IC行業使用多年，價格便宜，但電容較大。

因此，銅被(bèi)用于RF器件中的某些互連層。銅是更好(hǎo)的導體，電阻小于鋁。Ng表示：“用于130nm RF CMOS工藝産品的傳統金屬堆疊包括低成(chéng)本的鋁互連層以及高性能(néng)銅互連層二者的組合。這(zhè)是平衡成(chéng)本和性能(néng)的最佳解決方案。RF SOI解決方案通常是一定數量的鋁金屬層以及一個或多個銅金屬層。”

通常，在頂層上使用銅作爲超厚金屬選項，可用于改善無源器件性能(néng)。Ng說：“厚的頂層金屬，最好(hǎo)是銅，可以通過(guò)最小化電阻損耗來提高性能(néng)。”

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(guò)僅使用銅互連，開(kāi)關制造商可以降低電容。但是，300mm會(huì)提高晶圓成(chéng)本，從而在市場上産生一些沖突。一方面(miàn)，OEM廠商在成(chéng)本敏感的手機市場需要較低的價格。另一方面(miàn)，器件制造商和代工廠又希望保持利潤。

Ng說：“如今，隻有極少的RF SOI正在300mm生産。原因有很多，包括300mm RF SOI襯底的成(chéng)本和可用性，支持後(hòu)矽處理的基礎設施，以及其他因素。然而，我們預計在未來幾年内，這(zhè)些挑戰將(jiāng)會(huì)在很大程度上得到解決，然後(hòu)大部分大批量的RF SOI應用將(jiāng)會(huì)遷移到300mm。”

在此之前，行業可能(néng)會(huì)面(miàn)臨300mm的供需問題。Ng說：“我們認爲，市場會(huì)繼續供不應求，直到更多的生産遷移到300mm。那麼(me)，産能(néng)上線速度有多快，以及當時的需求如何，二者的匹配會(huì)是一個問題。”

通常，今天的RF SOI工藝适用于4G手機。GlobalFoundries希望在5G戰場中獲得跳躍，最近爲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的後(hòu)續。今天的LTE網絡從700 MHz到3．5 GHz。相比之下，5G不僅與LTE共存，而且還(hái)將(jiāng)在30 GHz至300 GHz之間的毫米波段内運行。5G將(jiāng)使數據傳輸速率達到10Gbps以上，是LTE的吞吐量的100倍。但預計在2020年以前，5G的大規模部署不會(huì)發(fā)生。

無論如何，5G都(dōu)將(jiāng)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(chéng)了PA，LNA，開(kāi)關，移相器，爲5G系統創建了一個集成(chéng)的毫米波可控波束形成(chéng)器。”

對(duì)于5G，還(hái)有其他解決方案。RF MEMS是一種(zhǒng)可能(néng)性。在另一個可能(néng)的解決方案中，TowerJazz和加利福尼亞大學(xué)聖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(huì)是赢家？時間會(huì)告訴我們答案。Strategy Analytics的Taylor說“目前尚不清楚RF MEMS是否具有5G的優勢。對(duì)于SOI來說，單片集成(chéng)可能(néng)會(huì)赢得至少6－GHz以上的頻段。”

什麼(me)是RF MEMS？

基于RF SOI的開(kāi)關將(jiāng)繼續占據主導地位，但新技術——RF MEMS也有存在的空間。Cavendish Kinetics的Dal Santo說：“SOI随著(zhe)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(hǎo)。但是SOI開(kāi)關隻是一個晶體管開(kāi)啓或關閉。它導通時的表現不是很好(hǎo)，關閉時也不是很好(hǎo)。”

RF MEMS多年來一直在前進(jìn)。今天，Cavendish、Menlo Micro、以及WiSpry（AAC Technologies）正在爲移動應用開(kāi)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(jiāng)機械能(néng)轉換成(chéng)電信号的傳感器。相比之下，RF MEMS則是傳導信号。

最初，Cavendish等人瞄準了在天線調諧器市場采用RF MEMS技術，采用基于RF SOI的開(kāi)關和其他技術。

Dal Santo說：“如果天線是固定的，則不可能(néng)使它們支持所需要的頻段範圍。所以他們需要調整。現在，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因數（Q）器件。你必須小心，不要給它們接負載，否則會(huì)看到輻射性能(néng)的損失。”

相比之下，Cavendish的調諧器有32個不同的電容範圍。Dal Santo說：“它們是完全可編程的，具有非常高的品質因數（Q）。所以它們的損失非常低。您可以使用這(zhè)些來把天線調整到您需要支持的頻率範圍。”

展望未來，Cavendish計劃在更大的RF開(kāi)關領域采用基于RF SOI的器件。Dal Santo說：“如果用一個真正的開(kāi)關來代替，那必然是MEMS開(kāi)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(huì)取代基于RF SOI的器件？一家名爲TowerJazz的公司可以提供一些見解。TowerJazz提供傳統的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(néng)模拟業務部門高級副總裁兼總經(jīng)理Marco Racanelli說：“RF MEMS和RF SOI在競争相同的應用，二者可能(néng)會(huì)有一些小的重疊。一般來說，二者將(jiāng)會(huì)相互補充。在最苛刻的應用中獲勝的是RF MEMS，RF SOI赢得其餘的應用。”

Racanelli說：“RF SOI會(huì)繼續發(fā)展，因此對(duì)于RF開(kāi)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(kāi)關的MEMS替代技術可以提供更好(hǎo)的線性度和更低的損耗。而RF SOI將(jiāng)繼續服務于不斷擴大的市場，其他技術也將(jiāng)有所發(fā)展。”

RF MEMS正在天線調諧器市場上占據一席之地。時間會(huì)說明該技術是否可以破局開(kāi)關市場。Racanelli說：“未來，RF MEMS可以通過(guò)提供比内置RF SOI線性度更好(hǎo)和損耗更小的開(kāi)關來提高手機中的數據速率。這(zhè)可以理解，在RF MEMS中，金屬闆可以在“導通”狀态下直接接觸并形成(chéng)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複雜的調制方案，這(zhè)可以提高手機中的數據速率。”