手機(jī)射頻開關(guān)領(lǐng)域的工藝之爭： RF-SOI Vs.MEMS

RF器件和制造工藝市場正在升溫，這種態(tài)勢對于智能手機(jī)中使用的兩個關(guān)鍵組件 - 射頻開關(guān)器件和天線調(diào)諧器尤為明顯。

射頻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)射頻開關(guān)芯片和調(diào)諧器，用于當(dāng)今的4G無線網(wǎng)絡(luò)。最近，Global Foundries為未來的5G網(wǎng)絡(luò)推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是絕緣體上硅(SOI)技術(shù)的RF版本,有效利用了內(nèi)置隔離襯底的高電阻率特性。 而無晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司Cavendish Kinetics為了改變市場格局，也推出了基于新工藝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前端模塊中的兩個關(guān)鍵組件。RF射頻包括了發(fā)射鏈路和接收鏈路，其中RF開關(guān)對無線信號起到通路選擇的作用，而調(diào)諧器幫助改善天線在特定頻段上的效率。

先不說不同的器件和工藝類型，當(dāng)今RF市場的挑戰(zhàn)也足以令人望而生畏。Cavendish Kinetics公司總裁兼首席執(zhí)行官Paul DalSanto表示：“幾年前，RF還是一項(xiàng)相當(dāng)簡單的設(shè)計(jì)，然而今時不同往日。首先，射頻前端必須覆蓋非常寬的頻帶，從600MHz一直延伸到3GHz。隨著更加先進(jìn)的5G技術(shù)的到來，頻段將進(jìn)一步上延，甚至達(dá)到5GHz至60GHz。這給前端RF設(shè)計(jì)師帶來了巨大的挑戰(zhàn)。”

面對這些挑戰(zhàn)，手機(jī)OEM廠商必須在選擇器件工藝時做出新的考量。具體到RF開關(guān)和天線調(diào)諧器而言，業(yè)界的主流歸結(jié)為兩種技術(shù) - 基于RF SOI工藝和RF MEMS工藝的器件。

RF SOI是目前市場上射頻開關(guān)的主流工藝，RF SOI工藝可以滿足當(dāng)下的頻段及性能要求，但也開始遇到一些新的技術(shù)挑戰(zhàn)。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，也會引發(fā)一些問題。

相比之下，RF MEMS具有一些頗具吸引力的特性，并已經(jīng)在一些領(lǐng)域取得了進(jìn)展。事實(shí)上，Cavendish Kinetics公司表示，該公司其基于RF MEMS工藝的MEMS天線調(diào)諧器已經(jīng)被三星和其他OEM使用。

Strategy AnalyTIcs的分析師ChrisTaylor表示：“RF MEMS能夠提供非常低的Ron(導(dǎo)通電阻)，這也意味著更低的insertion loss(插入損耗)。但RF MEMS目前并沒有大規(guī)模的實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，主流OEM廠商很難盲目地選擇新技術(shù)和小供應(yīng)商。當(dāng)然，相較于RF SOI器件，RF MEMS開關(guān)必須要有足夠好的價格，除此之外，主流OEM廠商也會對產(chǎn)品可靠性和供貨提出很高的要求。”

射頻前端

在智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)復(fù)雜商業(yè)環(huán)境中，射頻前端這一細(xì)分市場還是挺值得一看的，因?yàn)樗w了射頻開關(guān)、調(diào)諧器和PA等眾多其他器件。

智能手機(jī)的出貨增速正在放緩，根據(jù)Pacific Crest Securities的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2017年智能手機(jī)的出貨量將僅增長1%，而2016年的增幅為1.3%。 而與此同時，根據(jù)Yole Développement 的數(shù)據(jù)，智能手機(jī)的RF前端市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從2016年的101億美元躍升至2022年的227億美元。

而其中根據(jù)Strategy Analytics分析，2016年，RF開關(guān)設(shè)備市場規(guī)模為17億美元。　　隨著OEM廠商繼續(xù)在智能手機(jī)中增加更多RF組件，RF市場正在不斷增長。“多頻段LTE也正在向低端設(shè)備普及，”Strategy Analytics的Taylor說。“RF開關(guān)組件市場正在增長。”

在手機(jī)網(wǎng)絡(luò)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)設(shè)備數(shù)量都有所增加。“我們現(xiàn)在在談?wù)摰某鲐浟繂挝皇志薮螅?rdquo;Taylor說。“當(dāng)前絕大多數(shù)的射頻開關(guān)使用了RF SOI制造工藝，當(dāng)然它的應(yīng)用并不值局限于手機(jī)。而RF MEMS仍然是新興事物，相對于RF SOI開關(guān)市場來說微不足道。”

盡管RF開關(guān)的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設(shè)備的平均銷售價格(ASP)為10至20美分。

Fig. 1: 一個常見的射頻前端模塊. Source: Globalfoundries,“Designing Next-Gen Cellular and Wi-Fi Switches Using RF SOI,” Technology, May2016.

射頻前端由多個器件組成，除了射頻開關(guān)之外，還包括功率放大器、低噪聲放大器(LNA)、濾波器等。Global Foundries的技術(shù)人員Randy Wolf在最近的一個演講中表示，“其中功率放大器的作用是提供功率輸出，以確保信號或信息到達(dá)目的地。而LNA用于放大來自天線接收端的小信號。RF開關(guān)將信號從一個組件連通到另一個組件。而濾波器可濾除不需要的雜散和干擾信號”。

2G和3G時代，手機(jī)的射頻部分功能非常簡單。2G只有四個頻段，3G有五個頻段。但4G有40多個頻段。4G不僅涵蓋了2G和3G的頻段，引入了一系列新的4G頻段。除此之外，載波聚合的技術(shù)能夠講多個信道或分量載波組合到一個大數(shù)據(jù)管道中，在無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)速率。

“為了應(yīng)對多個頻段和CA，RF前端模塊架構(gòu)也在變得更加復(fù)雜。當(dāng)前市場上的RF前端模塊會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。“這取決于所采用的前端架構(gòu)，以及需要支持的頻段。”Qorvo移動戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Abhiroop Dutta表示：“使用單個SKU在全球范圍內(nèi)應(yīng)對多地區(qū)/全球市場的典型“全網(wǎng)通”手機(jī)，頻段覆蓋面非常廣泛。這種旗艦機(jī)型往往采用具有高集成度的PAMiD方案，以應(yīng)對高、中、低頻帶的不同要求。”相比之下，還有另外一種情況，智能手機(jī)OEM廠商可能會針對特定市場設(shè)計(jì)專用手機(jī)。“比如說針對中國大陸市場的手機(jī)。在這種情況下，RF前端僅僅需要支持該地區(qū)需要支持的頻段，”Dutta說。

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

從天線的角度而言, LTE手機(jī)需要支持下行接收分集，主天線用于發(fā)射/接收信號，而分集天線用于提高手機(jī)的下行數(shù)據(jù)速率，只需要支持接收業(yè)務(wù)。在工作時，信號通過主天線，然后移動到天線調(diào)諧器上，這允許天線系統(tǒng)根據(jù)頻段需求調(diào)整相應(yīng)的匹配。然后信號才進(jìn)入一系列射頻開關(guān)，而開關(guān)根據(jù)具體的頻段來選擇合適的射頻通道，信號得以進(jìn)入相應(yīng)濾波器，最后到達(dá)接收機(jī)。

考慮到射頻前端的復(fù)雜性，功耗和尺寸變得至關(guān)重要。由于前端架構(gòu)變得復(fù)雜，信號在前端會遭到更多損耗，進(jìn)而在發(fā)射端影響輸出功率，PA功耗;在接收端影響靈敏度。

顯然，RF開關(guān)的IL變得越來越重要。Ron ，Coff是RF開關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)Peregrine Semiconductor，“Ron 導(dǎo)通電阻是反映RF信號通過處于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)時發(fā)生多少損耗，而Coff關(guān)斷電容則是反應(yīng)信號在開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)下通過電容器泄漏多少能量。

總而言之，OEM廠商需要的是低損耗和高隔離的RF開關(guān)。插入損耗涉及信號功率的損失。如果RF開關(guān)沒有實(shí)現(xiàn)良好的隔離，系統(tǒng)可能會遇到干擾。

解決方案

目前市場上的手機(jī)PA主要使用砷化鎵(GaAs)技術(shù)。幾年前，OEM將射頻開關(guān)等制造工藝從GaAs和藍(lán)寶石(SoS)遷移到RF SOI上。GaAs和SoS是SOI的變體，隨著RF開關(guān)變得越來越復(fù)雜，這兩種工藝變得太貴了。

FD SOI適用于數(shù)字應(yīng)用，而與FD-SOI類似，RF SOI在襯底中具有很薄的絕緣層，能夠?qū)崿F(xiàn)高擊穿電壓和低漏電流。

Global Foundries RF業(yè)務(wù)部門主管Peter Rabbeni表示：“移動市場繼續(xù)看好RF SOI，因?yàn)樗軌蛟趯掝l率范圍內(nèi)提供低插入損耗、高線性，實(shí)現(xiàn)了良好的性能和成本效益。”

今天，Skyworks，Qorvo等公司提供基于RF SOI的射頻開關(guān),而RF開關(guān)制造商使用代工廠來制造這些產(chǎn)品。Global Foundries、意法半導(dǎo)體、Tower Jazz和聯(lián)電是RF SOI代工業(yè)務(wù)的領(lǐng)軍企業(yè)。目前常見的RF SOI工藝，涵蓋從180nm到45nm的節(jié)點(diǎn)和不同的晶片尺寸。決定使用哪一個節(jié)點(diǎn)取決于具體應(yīng)用。聯(lián)電公司業(yè)務(wù)管理副總裁吳坤表示：“關(guān)于RF SOI技術(shù)的具體化，一切都是從技術(shù)性能、成本和功耗的角度來考慮適用于終端應(yīng)用的技術(shù)解決方案。”

即便有多種選擇，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受到不需要的溝道電阻和電容的影響。在RF開關(guān)中，F(xiàn)ET被堆疊使用。通常而言，當(dāng)今的RF開關(guān)中堆疊了10到14個FET。據(jù)專家介紹，隨著FET數(shù)量的增加，器件可能會遇到插入損耗和電阻帶來的相關(guān)問題。

另一個問題是寄生電容。Skyworks在2014年發(fā)表的一篇題為《RF應(yīng)用中SOI工藝的最新進(jìn)展和未來趨勢》的文章中表示，“在RF開關(guān)中，30%或更多的寄生電容來自于器件中的互連。互連包括金屬層或bonding線，也包括基于RF SOI的開關(guān)。

目前RF開關(guān)的主流制造工藝是200mm晶圓的180nm和130nm節(jié)點(diǎn)。許多(但不是全部)互連層基于鋁材質(zhì)。鋁導(dǎo)體在IC行業(yè)使用多年，價格便宜，但也具有較高的寄生電容。

因此，銅被用于RF器件中一些特定層。銅是更好的導(dǎo)體，并且電阻小于鋁。Ng表示：“用于130nm RF CMOS工藝產(chǎn)品的傳統(tǒng)金屬堆疊包括具有成本優(yōu)勢的鋁互連層和具有性能優(yōu)勢的銅互連層。”這是平衡成本和性能的最佳解決方案。RF SOI解決方案通常包含一定數(shù)量的鋁金屬層和一個或多個銅層。通常，在頂層上使用銅作為超厚金屬層，幫助改善無源器件性能。他說：“最好是銅這樣的厚頂層金屬，它能夠最小化損耗，從而提高性能。”

最近，RF SOI 代工廠已經(jīng)從200mm晶圓遷移到300mm晶圓，其工藝節(jié)點(diǎn)也從130nm遷移到45nm。通常，300mm晶圓廠只使用銅互連?！　≈皇褂勉~互連，RF開關(guān)制造商可以降低電容。但是，300mm晶圓提高了制造成本，從而在市場上造成一些矛盾。一方面，成本敏感的手機(jī)OEM廠商需要RF開關(guān)保持較低的價格。另一方面，RF開關(guān)設(shè)備制造商和代工廠希望能夠保持利潤。

“今天，只有極少的RF SOI器件采用300mm晶圓，”Ng說。“這種情況的出現(xiàn)有很多原因，包括300mm RF SOI襯底的成本/可用性，以及支持后硅處理的基礎(chǔ)設(shè)施等因素。但是我們預(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晶圓上。”在此之前，行業(yè)可能會面臨300mm的供需問題。“我們認(rèn)為，在更多的生產(chǎn)遷移到300mm晶圓之前，市場將一直面臨供不應(yīng)求的挑戰(zhàn)。產(chǎn)能上馬有多快，需求有多大，都將反映在供需矛盾上。”他說。

Global Foundries希望在5G競賽中脫穎而出，最近為5G應(yīng)用推出了45nm RF SOI工藝。該工藝?yán)昧烁唠娮柃甯患腟OI襯底。

5G是4G網(wǎng)絡(luò)的升級。LTE網(wǎng)絡(luò)頻段介于700 MHz到3.5GHz之間。而即將到來的5G不僅需要在LTE頻段存在，而且還將在10 GHz至100 GHz之間的毫米波段內(nèi)運(yùn)行。5G將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10Gbps以上，即LTE的100倍。但5G的大規(guī)模部署預(yù)計(jì)得到2020年及以后了。

無論如何，5G需要一個新的器件工藝。“(45nm RF SOI)主要是為了滿足5G毫米波前端的應(yīng)用，需要集成了PA、LNA、開關(guān)、移相器，以實(shí)現(xiàn)5G的主要功能：波速賦形 beam forming”GlobalFoundries的Rabbeni說。

當(dāng)然5G射頻前端還有其它的解決方案，RF MEMS就是其中一種可能。其他的潛在工藝還包括比如說，Tower Jazz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。該芯片組采用了Tower Jazz的SiGe BiCMOS技術(shù)。

哪種工藝將勝出?只有時間會告訴我們答案。

什么是RF MEMS?

基于RF SOI工藝的射頻開關(guān)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，但新技術(shù)RF MEMS也會占有一席之地。“隨著時間的推移，SOI已經(jīng)取得了不可思議的進(jìn)步。電阻下降了，線性度也變得更好了。”Cavendish Kinetics的Dal Santo說。“但是本質(zhì)上來說，SOI開關(guān)是通過晶體管導(dǎo)通或關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)的開與關(guān)，所以無論如何Ron和Coff始終都會存在。

RF MEMS并不是一個全新的工藝，它其實(shí)已經(jīng)經(jīng)過了長期的發(fā)展，一直在穩(wěn)步前進(jìn)。諸如Cavendish、Menlo Micro和WiSpry(AAC Technologies)等公司，正致力于RF MEMS在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

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

最初，Cavendish等公司將RF MEMS技術(shù)應(yīng)用到使用RF SOI和其它工藝的天線調(diào)諧器。

“如果給你一個固定的天線，它的帶寬是受限的，不可能支持一個頻段內(nèi)的所有頻帶。所以天線調(diào)諧應(yīng)運(yùn)而生，“Dal Santo說。“主流的天線調(diào)諧是采取開關(guān)切換，要么切換不同的電容匹配，要么切換不同的電感匹配。問題在于天線是高Q值的器件。你必須小心去調(diào)節(jié)，如果諧振位置出現(xiàn)偏差，性能可能會更加惡化。”

展望未來，Cavendish希望在更大的RF開關(guān)領(lǐng)域采用RF SOI器件。“如果最終有一種工藝能夠取代RF SOI，那必然就是MEMS，收發(fā)鏈路上的插損都會顯著降低。”。

但是RF MEMS最終是否會取代RF SOI?關(guān)于這個問題，TowerJazz可以提供一些見解。Tower Jazz能夠傳統(tǒng)的RF SOI工藝，同時也是Cavendish的RF MEMS器件的代工廠商。

“RF MEMS和RF SOI可能在競爭相同的應(yīng)用。一般來說，它們是相互補(bǔ)充關(guān)系，RF MEMS用于最苛刻的應(yīng)用，而RF SOI用于其余的應(yīng)用，“Tower Jazz RF /高性能模擬業(yè)務(wù)部門高級副總裁兼總經(jīng)理MarcoRacanelli說。

“RF SOI技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，它對于RF開關(guān)應(yīng)用和部分低噪聲放大器市場仍然是可用的，”Racanelli說。“然而，在一些特殊的應(yīng)用中，用于低噪聲放大器的SiGe和用于開關(guān)的MEMS等替代技術(shù)可以提供更佳的線性度或更低的損耗?？傊?，RF SOI將繼續(xù)一枝獨(dú)秀，而其他技術(shù)也將有所發(fā)展。”

RF MEMS已經(jīng)在天線調(diào)諧器市場上占有了一席之地，它能否把觸角延伸到射頻開關(guān)業(yè)務(wù)上還有待時間驗(yàn)證。“未來，相對于內(nèi)置RF SOI，RF MEMS可以通過提供更線性和更低損耗的開關(guān)來幫助提高手機(jī)的數(shù)據(jù)率。”他說。“在RF MEMS中，金屬板可以在“導(dǎo)通”狀態(tài)下直接接觸，形成金屬、低損耗、線性的連接。更高的線性度允許更多的頻帶和更復(fù)雜的調(diào)制方案，從而增加手機(jī)的數(shù)據(jù)率。