5G射频前端 | RF MEMS与RF SOI 两种工艺谁才是主流？

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即便不考虑RF设备和工艺类型的变革，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 Dal Santo表示：“几年前，RF还是一项相当简单的设计，但是现在，事情已经发生了大大的改变。首先，您的射频前端必须处理范围非常广泛的频带，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，达到5GHz至60GHz。这给前端RF设计师带来了一些难以置信的挑战。”

RF MEMS是什么？

所谓RF MEMS是用MEMS技术 加工的RF产品。RF-MEMS技 术可望实现和MMIC的高度 集成，使制作集信息的采 集、处理、传输、处理和 执行于一体的系统集成芯 片（SOC）成为可能。按微 电子技术的理念，不仅可 以进行圆片级生产、产品 批量化，而且具有价格便 宜、体积小、重量轻、可 靠性高等优点。RF MEMS器件主要可以 分为两大类：一类称为无 源MEMS，其结构无可动零 件；另一类称为有源MEMS，有可动结构，在电 应力作用下，可动零件会 发生形变或移动。其关键 加工技术分为四大类：平 面加工技术、体硅腐蚀技 术、固相键合技术、LIGA 技术。

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。

射频微机电系统（RF MEMS） 是MEMS技术的重要应用领域之一，也是二十世纪九十年代以来MEMS领域的研究热点。RF MEMS用于射频和微波频率电路中的信号处理，是一项将能对现有雷达和通讯中射频结构产生重大影响的技术。随着信息时代的来临，在无线通信领域，特别是在移动通信和卫星通信领域，正迫切需要一些低功耗、超小型化且能与信号处理电路集成的平面结构的新型器件，并希望能覆盖包括微波、毫米波和亚毫米波在内的宽频波段。而目前的通讯系统中仍有大量不可或缺的片外分立元件，例如电感、可变电容、滤波器、耦合器、移相器、开关阵列等，成为限制系统尺寸进一步缩小的瓶颈。RF MEMS技术的出现有望解决这个难题。采用RF MEMS技术制造的无源器件能够直接和有源电路集成在同一芯片内，实现射频系统的片内高集成，消除由分立元件带来的寄生损耗，真正做到系统的高内聚，低耦合，能显著提高系统的性能。

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。

基于RF SOI的射频开关将继续占据主导地位，但新技术RF MEMS也可能存在一定的生存空间。“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SOI开关的本质是一个晶体管导通或关闭。导通时，表现不是很好，关闭时，也不是很好。

多年来，RF MEMS技术一直在稳步前进。今天，Cavendish、Menlo Micro和WiSpry（AAC Technologies）正在为移动应用开发RF MEMS。

RF MEMS与陀螺仪和加速度计等基于传感器的MEMS不同。传感器MEMS是将机械能转化为电信号。相比之下，RF MEMS只进行信号的传导。

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。

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市场。

“如果天线是固定的，我们不可能使它支持所需的不同频段。所以天线需要调整。”Dal Santo说。“现在，主要的方法是采取切换，要么切换不同的固定电容器，要么切换不同的固定电感器。问题在于天线是高Q设备。你必须小心，否则会带来辐射性能的损失。”

相比之下，Cavendish的调谐器有32个不同的电容范围。“它们是完全可编程的，具有非常好的高Q性能。所以辐射性能损失非常低。您可以使用这些，把天线调整到您需要支持的频率范围。”他说。

展望未来，Cavendish计划在更大的RF开关领域采用RF SOI器件。他说：“如果用一个真正的开关代替RF SOI，那就是MEMS开关，你的接收机或发射机的插入损耗都会降低。”他说。

但是，RF MEMS器件是否会取代基于RF SOI的器件？关于这个问题，TowerJazz可以提供一些见解。TowerJazz提供传统的RF SOI工艺，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上会有一些小的重叠。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，“TowerJazz RF /高性能模拟业务部门高级副总裁兼总经理Marco Racanelli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将继续为不断扩大的市场服务，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速率。”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速率。

那RF SOI较RF MEMS的优点是什么？

首先，RF SOI工艺可工作频率很高，Ft/Fmax满足毫米波工作频率3至5倍的要求；RF SOI可以实现器件堆叠（device stacking），从而同时提高了功率与能效比；再次，RF SOI工艺采用的衬底降低了寄生效应，这样制造出来的射频芯片品质因数更高、损耗更低、噪声系数更好，同时这种衬底也提高了产品的绝缘水平与线性度；第四，RF SOI可以集成逻辑与控制功能，这是GaAs工艺无法做到的，所以GaAs器件在应用当中需要再搭配一颗控制芯片，采用RF SOI工艺就可以把PA和控制功能集成到一颗芯片上，在降低成本的同时又节省了宝贵的PCB面积；最后RF-SOI具备后栅偏压可调（Back-gate bias）功能，利用该功能可微调毫米波射频线路以适应使用需求。

在回顾了中国智能手机产业的发展历程后，新傲科技的总经理王庆宇指出随着智能手机数量的增长，对RF－SOI的需求也迅猛增加，这对中国发展RF－SOI带来了很难得的机会，但也有许多挑战。

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。

这两种技术到底谁更适合未来？

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，GlobalFoundries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，该工艺利用了内置隔离衬底的高电阻率特性。

为了改变市场格局，一家无晶圆厂IC设计公司Cavendish KineTIcs正在推出基于替代工艺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前端集成了系统的发送/接收功能，其中，RF开关对无线信号进行路由，调谐器帮助把天线调整匹配到任何频段上。

即便不考虑RF设备和工艺类型的变革，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 Dal Santo表示：“几年前，RF还是一项相当简单的设计，但是现在，事情已经发生了大大的改变。首先，您的射频前端必须处理范围非常广泛的频带，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，达到5GHz至60GHz。这给前端RF设计师带来了一些难以置信的挑战。”

手机OEM厂商必须正面这种挑战，做出权衡，考虑选择新的组件。具体来说，对于RF开关和天线调谐器而言，可以归结为两种技术- 基于RF SOI工艺和RF MEMS工艺的器件。

RF SOI是现在服役的制造工艺。基于RF SOI工艺的器件可以满足当下的要求，但它们开始遇到一些技术问题。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。

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。

相比之下，RF MEMS具有一些有趣的特性，并在某些领域取得了进展。事实上，Cavendish KineTIcs公司表示，其基于RF MEMS工艺的MEMS天线调谐器正在被三星和其他OEM使用。

Strategy AnalyTIcs的分析师Chris Taylor表示：“RF MEMS能够提供非常低的导通电阻，从而降低插入损耗。但RF MEMS缺乏生产追踪记录，大批量的无线系统OEM厂商将不会盲目对新技术和小型供应商买单。当然，相较于RF SOI器件，RF MEMS的价格必须有足够的竞争力，但还有一个主要的障碍是，OEM厂商需要验证产品可靠性，需要可靠的供应来源。”

射频前端

智能手机是混合了RF开关、天线调谐器和其他组件商业环境的大市场，它的数据值得一看。根据Pacific Crest Securities的数据，2017年，全球智能手机出货量预计将增长1％，而在刚刚过去的2016年，智能手机的年增长率也仅有1.3％。

另一方面，根据Yole Développement的数据，智能手机的RF前端模块/组件市场规模预计将从2016年的101亿美元跃升至2022年的227亿美元。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。“我们谈论的出货量单位非常巨大，”Taylor说。“现在，大多数RF开关设备（并非全部）应用在手机上，其中绝大多数使用了RF SOI制造工艺。RF MEMS仍然是新兴事物，相对于RF SOI开关来说微不足道。”

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。

同时，在一个简单的系统中，RF前端由多个组件组成- 功率放大器、低噪声放大器（LNA）、过滤器和RF开关。

GlobalFoundries的技术人员Randy Wolf在最近的一个演讲中说：“功率放大器的主要目的是确保有足够的能量，可以让您的信号或信息到达目的地。

LNA放大来自天线的小信号。RF开关将信号从一个组件路由到另一个组件。“过滤器可防止任何不需要的信号进入后端，”Wolf说。

在手机上，2G和3G无线网络的射频功能非常简单。2G只有四个频段，3G有五个频段。但4G有40多个频段。4G不仅融合了2G和3G的频段，而且还搭载了一系列4G频段。

除此之外，移动运营商部署了一种称为载波聚合的技术。载波聚合将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载波聚合，OEM厂商需要复杂的RF前端模块。今天的RF前端模块会集成两个或多个多模多频带功率放大器，以及多个开关和过滤器。“这取决于所采用的RF架构。功率放大器的数量由手机可寻址的地区频带决定。”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/全球蜂窝市场的典型“全网通”手机，频段覆盖面非常广泛。在这种手机典型的集成RF前端模块的实现中，一个工程选择是使用具有分频带模块的射频前端，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。“一个例子是针对中国大陆市场的手机。在这种情况下，RF前端需要支持该地区特有的频段，”Dutta说。

根据Cavendish Kinetics的说法，LTE手机上有两种天线，主集天线和分集天线。基本上，主集天线用于发射/接收功能，分集天线用于提高手机的下行数据速率。

在实际操作中，信号首先到达主集天线，然后移动到天线调谐器上，这允许系统调整到任何频带。然后，信号进入一系列射频开关。“它转换到您要使用的适用频段说，比如GSM、3G或4G，”GlobalFoundries的Wolf说。“从那里，信号进入滤波器，然后是功率放大器，最后到达接收器。”

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。

考虑到这种复杂性，手机OEM厂商面临一些挑战，功耗和尺寸至关重要。“由于这种复杂性，信号在前端会遭到更多损失，这对您的接收机的总体噪声系数将造成负面影响，”Wolf说。

显然，RF开关在解决这个问题方面起关键作用。总的来说，智能手机可能包含10多个RF开关设备。基本的RF开关采用单刀单掷（SPST）配置。这是一种简单的on-off型开关。

今天，OEM厂商使用更复杂的开关类型。Ron * Coff是RF开关的关键指标。根据Peregrine Semiconductor，“Ron * Coff是反映RF信号通过处于”导通“状态的开关时发生多少损耗（Ron或导通电阻），以及RF信号在开关处于“关闭”状态下通过电容器泄漏多少能量（Coff或关断电容）的比率。”

总而言之，OEM厂商需要的是没有插入损耗和实现良好隔离的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。“总的来说，射频前端面临的挑战是支持日益增长的性能需求，并紧跟不断发展的标准和日益增加的频带覆盖的步伐。不仅如此，由于手机变薄，RF解决方案的封装尺寸也在缩小。Qorvo的Dutta表示，插入损耗、天线功率和隔离等关键指标仍然是推动RF产品组合解决方案不断发展的驱动力。

解决方案

今天，手机的功率放大器主要使用砷化镓（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。

RF SOI不同于完全耗尽的SOI（FD-SOI），适用于数字应用。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。

GlobalFoundries 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、低谐波以及高线性度，实现了良好的性能和成本效益。”

今天，Qorvo、Peregrine等公司提供基于RF SOI的射频开关。通常，RF开关制造商使用代工厂来制造这些产品。GlobalFoundries、意法半导体、TowerJazz和联电是RF SOI代工业务的领军企业。

因此，OEM在组件供应商和代工产品方面有多种选择。通常，代工厂提供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％或更多不需要的电容来自于器件中的互连。互连是金属层或微型布线方案，包括基于RF SOI的开关。

通常，在4G手机中，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。铝互联在IC行业使用多年，价格便宜，但也具有较高的电容。

因此，铜被用于RF器件中一些被选定的层。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，它能够最小化欧姆损耗，从而提高性能。”

最近，RF设备制造商已经从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晶圆生产，”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。然而，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。

今天的RF SOI工艺适用于4G手机。GlobalFoundries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。今天的LTE网络频段介于700 MHz到3.5 GHz之间。相比之下，5G不仅与LTE共存，而且还将在30 GHz至300 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需要一个新的组件。“（45nm RF SOI）主要集中在5G毫米波前端，它集成了PA、LNA、开关、移相器，为5G系统创建了一个集成的毫米波可控波束形成器。”GlobalFoundries的Rabbeni说。

5G还有其它的解决方案，RF MEMS就是其中一种可能。此外，TowerJazz和加利福尼亚大学圣地亚哥分校最近展示了一个12Gbps的5G相控阵芯片组。该芯片组采用了TowerJazz的SiGe BiCMOS技术。

哪种工艺将胜出？只有时间会告诉我们答案。“目前尚不清楚RF MEMS是否在5G应用上具有优势。”Strategy Analytics的Taylor说。

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