5G和手机的需求推动RF SOI竞争加剧

5G正在推动对300mm和200mm射频器件能力的需求。两者都供不应求。

由于巨大的需求和智能手机技术的短缺，几家代工厂正在扩大其射频SOI工艺的晶圆厂产能。

许多代工厂正在增加其200mm射频SOI晶圆厂产能以满足急剧增长的需求。接下来，GlobalFoundries，TowerJazz，台积电和联电正在扩大或提高300mm工厂的射频SOI工艺，这显然是为下一代无线标准5G争取第一波射频业务。

RF SOI是专门用于制造智能手机和其他产品的选择性射频芯片（如开关设备和天线调谐器）的专用工艺。 RF SOI是绝缘体上硅（SOI，silicon-on-insulator）技术的RF版本，与用于数字芯片的完全耗尽SOI（FD-SOI）不同。

影响RF SOI有几种发展动态。简而言之，无线网络中频带的数量有所增加。因此，OEM厂商必须在智能手机中增加更多RF元件，例如基于RF SOI的射频开关，以解决这些频段的复杂性以及其他问题。

反过来，这对许多射频芯片，特别是基于射频SOI工艺的射频芯片造成了超出预期的需求。实际上，整个RF SOI供应链的需求超过供应，导致几个方面的供应出现短缺。

“整个供应链非常紧张，”FD-SOI和RF SOI衬底供应商Soitec的客户群和营销执行副总裁Thomas Piliszczuk说。 “我们正在经历一段时间，需求比生态系统能够提供的要强。”

这个领域的重大问题包括：

•RF SOI从Soitec及其他公司生产的200mm或300mm衬底开始。但供应商无法跟上200mm的基材需求，300mm的产能受到限制。

Soitec和其他公司将射频SOI衬底出售给代工厂，后者将其加工成RF芯片。代工厂商拥有200mm RF SOI的产能，但仍然无法跟上需求。

•几家代工厂正在增加300mm射频SOI，但产能有限。全球RF SOI产能的约5％在300mm以上，但到2019年应该增加到20％。

“今天情况紧张，因为需求非常强劲。需求正在加速。第一代5G sub-6 GHz技术甚至有所加速。所有这些都产生了更多的需求，“Piliszczuk说。 “我们将在接下来的几个季度内克服它。”

根据Soitec的数据，整个行业预计2018年将出货150万到160万个200毫米等效射频SOI晶圆，比2017年增长15％到20％。预计到2020年，这一数字预计将超过200万片。

RF SOI适合在哪里应用？

采用射频SOI工艺的芯片针对各种应用，但最大的市场是手机中的射频前端模块。 Gartner预测，到2018年全球手机出货量将达到19亿部，比2017年增长1.6％。根据Gartner的数据，2019年智能手机销量将按5％的速度增长。

RF SOI芯片不是手机中唯一使用的器件。智能手机由数字和射频芯片组成。基于CMOS的数字部分由应用处理器和其他器件组成。

射频组件集成到一个射频前端模块中，后者处理发射/接收功能。前端模块由多个组件组成，包括功率放大器，天线调谐器，低噪声放大器（LNA），滤波器和射频开关。

通常，功率放大器基于砷化镓（GaAs），它是一种III-V化合物。功率放大器为信号到达目的地提供功率。

LNA放大来自天线的小信号，而滤波器可防止任何不需要的信号进入系统。低噪声放大器和滤波器使用各种工艺。

同时，开关芯片和调谐器基于RF SOI。 RF开关将信号从一个组件传送到另一个组件，调谐器可帮助天线适应任何频段。

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图1：一个简单的前端模块。来源：Globalfoundries，“使用RF SOI设计下一代蜂窝和Wi-Fi开关”。

图2

图2：另一种RF前端模块。来源：意法半导体

多年来，尽管智能手机出货量出现下滑，但每部手机的RF内容都有所增长。 “在RF世界中，频段数量不断增加。因此，我们看到射频方面的增长率为两位数的成长空间领域，而手机本身的增长处于一位数的领域，“GlobalFoundries RF业务部高级副总裁Bami Bastani表示。

在无线系统中，无线电频谱被划分为频段。几年前，运营商部署了2G和3G无线网络。 2G有四个频段，3G有五个频段。

最近，运营商已经部署了名为LTE Advanced的4G无线标准，该标准在智能手机中提供更快的数据速率。它也造成了蜂窝世界的频带出现碎片化。许多国家已经分配了自己的频谱，所以现在LTE在不同国家的不同频率上工作。事实上，今天的4G无线网络包含40多个频段。 4G不仅融合了2G和3G频段，还融合了多个新增的4G频段。

另外，移动运营商已经部署了一项称为载波聚合（CA：carrier aggregation）的技术。 “这意味着你将这些频段放在一起，这样你就可以拥有更多的下载功能。这也是频段数量上升的原因之一，因为你把它们聚合在一起，“Bastani解释说。

越来越多的频段，加上载波聚合，已经影响了射频市场。首先，由于频带数量庞大，每部手机的RF内容正在增加。 2000年，手机中的射频内容为2美元。相比之下，今天的智能手机每部手机的射频内容价格在12美元至15美元之间，第一批5G智能手机的射频内容的价格上涨到18美元至20美元以上。

然后，为了处理较多的频段数目，今天的RF前端模块可能集成了两个或更多的多模多频段功率放大器以及多个开关和滤波器。 “任何时候你有一个射频频段，这意味着你需要有一个滤波器和一个开关。一般来说，你把一堆开关放在一个非常小的IC中，“Bastani说。 “如果你看看这些模块，其中有20到30个组件，从滤波器到RF SOI开关和功率放大器。”

通常，今天的LTE手机有两个天线 - 主机天线和分集天线。主天线用于发送/接收功能。分集天线可以提高手机中的下行数据速率。

图3

图3：4G前端。来源：GlobalFoundries，“使用RF SOI设计下一代蜂窝和Wi-Fi开关”技术，2016年5月。

在操作中，信号到达主天线。然后移动到天线调谐器，从而使系统能够适应任何频段。

然后信号进入一系列射频开关。智能手机可能包含10多个射频开关器件。这些器件将信号切换到适当的频段。从那里，信号进入滤波器，然后是功率放大器。

所有这些都为手机OEM厂商带来了重大挑战。功耗和尺寸至关重要，这就是OEM厂商希望射频开关具有无插入损耗和良好隔离的原因。插入损耗涉及信号功率的损失。如果开关没有良好的隔离，系统可能会遇到干扰。

总而言之，智能手机的复杂性推动了对RF组件的需求，特别是开关和调谐器。 TowerJazz高级副总裁兼射频/高性能模拟业务部门总经理Marco Racanelli表示：“需求受到手机和物联网设备中射频开关内容增加的驱动，这些设备主要采用内置RF SOI器件。

“例如，每一款新一代手机都需要支持越来越多的频段和标准，并且每款手机都需要通过射频SOI元件进入和退出电路的滤波器。 RF SOI也用于WiFi接收和切换功能，以及用于改善接收的天线调谐器，“Racanelli说。 “天线数量的增加也是导致这一趋势的原因，现在分集天线更常见。而MIMO（多输入多输出）天线正在采用，每个天线都需要额外的射频开关来帮助引导数据信息流量。“

压力下的供应链

跟踪RF供应链是另一个挑战。例如，功率放大器由选定的一组砷化镓供应商生产。这些和其他供应商也设计其他类型的射频器件。其中许多使用传统的RF CMOS工艺，而不是RF SOI的。

不过，一般来说，射频开关和天线调谐器都是基于射频SOI。在许多情况下，这些芯片由代工铸造厂制造。

RF SOI开始生产专用高电阻率衬底。在衬底中，富含陷阱的层夹在晶片和掩埋氧化物层之间。富陷阱层可以恢复衬底中的高电阻率属性，从而降低插入损耗并提高系统的线性度。

图4

图4：射频SOI衬底，资料来源：Soitec

Soitec是射频SOI衬底的最大供应商，拥有70％的市场份额。 Soitec生产200mm和300mm射频SOI衬底。

其他两家供应商Shin-Etsu和GlobalWafers也基于Soitec的技术生产200mm和300mm射频SOI衬底。另外，中国的Simgui生产200mm射频SOI衬底。

对于200毫米和300毫米的衬底，供应都很紧张。 “RF SOI衬底容量正在经历一个瓶颈（阶段），”Soitec的Piliszczuk说。 “（2019年）当我们的合作伙伴Simgui将有更多的200mm产能可用并获得认证时，这将会有所改进。而这正在进行中。“

随着时间的推移，300mm的情况也会有所改善。 “随着需求的不断增长，所有三家供应商Soitec，Shin-Etsu和GlobalWafers都在不断增加产能。”他说。 “这种情况将会向前发展。从（2019年）开始，所有需求都应该被覆盖。“

尽管如此，代工厂还是希望能够提供更多的300mm射频SOI衬底产能。分析师表示，基板供应商愿意增加更多产能，但只有在需求增加且行业愿意为其提供资金的情况下。

所以目前，300mm基板的供应是有限的。最重要的是，该技术的价格比200mm贵2.7至3倍，使得300mm工艺器件的平均价高。

但是，许多成本敏感的客户都希望300mm射频SOI衬底的成本与200mm相当。分析师称，很多客户可能不愿意向300mm移动速度更快，至少在短期内。

“在市场上，RF SOI的容量需求不断增长，”联电业务管理副总裁Walter Ng表示。 “市场需要更多的产能。他们需要更多的器件。但问题是产能需求继续受到打击。“

在某个时候，行业可能需要重新审视供应链。 “业界有机会发展业务并支持市场需求。 Ng表示，整个供应链如何实现的模式正在制定中。

一旦射频SOI衬底制造完成，它们就会被运送到代工厂，并将它们处理成RF开关芯片，天线调谐器以及其他客户产品。

在工厂中，射频开关和天线调谐器采用传统的CMOS工艺制造。芯片使用传统的蚀刻，沉积，光刻和其他步骤进行处理。

对于今天的手机，射频SOI芯片是在200mm的工厂中生产的。事实上，绝大多数射频开关和其他产品将保持在200mm。 “今天，大多数RF SOI都在8英寸。运行在180nm上的RF SOI正在向130nm和110nm移动。 Ng说，其中一些已经移动到12英寸。

今天，全球95％的射频SOI芯片都采用200mm工厂制造。 GlobalFoundries，TowerJazz，联电，索尼，中芯国际，台积电，HHGrace和意法半导体均拥有200mm RF SOI晶圆厂产能。

较大的代工厂正在提供300mm射频SOI。 GlobalFoundries，TowerJazz，台积电和联电都在300mm阵营中。这些厂家的工艺范围从130nm到45nm。

然而，300mm并不能解决整体RF SOI容量紧缩的问题。 300mm产能主要针对高端5G系统，其中一些产能被分配给当今的4G手机。

尽管如此，300mm RF SOI是5G的一项要求。最初，5G网络将在2019年部署在6GHz以下的频率范围内，其余的将应用毫米波技术。

对于射频SOI，300mm在200mm以上有几个优点。 “300mm提供更多的工艺过程控制和全自动化（在晶圆厂），”GlobalFoundries'Bastani说。 “最终客户的产品的公差，重复性和良品率优于200mm。”

在200mm射频SOI中，芯片中的一些但不是全部互连层都基于铝。铝互连价格低廉，但也具有更高的电容。 “当你转向300毫米的世界时，它就是铜。这些RF产品需要具有无源元件，如电感器。所以，我们的强项之一是我们做粗铜线，“Bastani说。 “真正的价值来自当你到达距表面多微米远的顶层两层时。现在，您的电感和顶部厚铜线之间没有任何干扰或耦合。“

集成整合是300mm的最大优势。第一批5G手机将拥有与当今4G系统类似的RF前端架构。但对于5G来说，最大的区别在于，OEM想要将单独的射频开关和LNA集成到一个设备中。

对于LNA开关集成，200mm不起作用，这就是300mm的适用范围。“集成浪潮现在将开关和LNA集成到一起，”他说。 “我们正在将LNA的几何形状提升到55nm的领域。而这还不是全部。开关在130nm和180nm处都非常好。 LNA是一款非常快速，低噪声的器件。你不能在200mm线上做55nm的器件。“

还有其他好处。例如，GlobalFoundries发布300mm的45nm RF SOI。 “它将开关的性能再提高30％或40％。它将LNA的性能提高了20％到30％，“他说。 “它减少了占地面积并改善了噪音。”

也有设计考虑。 “在传统架构中，LNA集成在收发器内，”台积电业务发展副总裁B.J. Woo表示。 “但对于5G而言，信号质量变得重要。因此，LNA需要尽可能靠近天线放置，以获得最佳的信号质量。为了实现这一点，我们使用RF SOI来集成整合开关和LNA。“

随着时间的推移，5G也将运行在毫米波段。这涉及30 GHz到300 GHz之间的频谱带。 “RF架构将需要修改以覆盖这些毫米波频段。为此，RF收发信机将把IF或中频收发信机和下变频器与一个基于CMOS的毫米波RF前端模块结合起来，“Woo说。

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图5：GlobalFoundries的2018毫米波5G波束成形系统。来源：Globalfoundries

“RF内容将随着5G手机射频复杂度的增加而增长。由于实施这种增加的承载RF量的空间有限，解决方案的规模是一个优先事项。有了这个，集成整合将继续增加，不仅仅是规模，还有性能。 Qorvo移动5G业务开发总监Ben Thomas表示：“在试验期间可以看到分立式5G解决方案，但它将很快直接跳跃到具有集成PA，滤波，开关和LNA功能的高阶RF前端模块。

“当我们进入5G时，根据地区的不同，可能会有更多的频段，比如n77，n78和/或79，这些频段将以全球不同的组合部署。 5G手机将利用更复杂的调谐和天线复用功能来管理双上行链路和增加MIMO配置的复杂性质，所有这些都旨在提高数据速率。所有这些与CA组合的多倍增加结合在一起导致更多的天线调谐，更复杂的滤波，更多的开关以及将这些功能与功率放大器结合的更多RF前端模块。总之，需要更多的RF来实现提供更多数据的5G承诺，“Thomas说。

300mm RF SOI竞赛

同时，代工厂正在扩大他们的RF SOI产能。 RF SOI领导厂商GlobalFoundries正在两座晶圆厂East Fishkill，N.Y.和新加坡推出300mm射频SOI。这些工艺包括130nm和45nm。

RFSOI工艺的好处

一段时间以来，GlobalFoundries一直在两座工厂 - 纽约伯灵顿和新加坡运行200mm射频SOI。 “在这个链条上下投资是一个优先事项。我们也在投资200mm的产能，“GlobalFoundries的Bastani说。

与此同时，TowerJazz已经出货了200mm RF SOI一段时间。该公司正在日本的晶圆厂增加300mm RF SOI。该工艺基于65纳米，尽管该工厂能够达到45纳米。

RF SOI的产品范围

联电和台积电已经出货200mm RF SOI一段时间，同时它们也计划进入300mm竞赛中。

（完）