RF SOI戰(zhàn)爭一觸即發(fā) RF SOI適用在哪里？

5G正在推動(dòng)對300mm和200mm晶圓產(chǎn)能的需求。二者都供不應(yīng)求。

由于智能手機(jī)對RF SOI工藝芯片有著巨大需求，幾家代工廠都在擴(kuò)大其RF SOI工藝的產(chǎn)能。

許多代工廠都在擴(kuò)大其200mm RF SOI晶圓廠產(chǎn)能，以滿足急劇增長的需求。GlobalFoundries，TowerJazz，臺(tái)積電和聯(lián)電正在擴(kuò)大300mm RF SOI晶圓產(chǎn)能，以迎接5G，爭搶第一波RF業(yè)務(wù)。

RF SOI是專門用于制造智能手機(jī)和其他產(chǎn)品中的特定射頻芯片（如開關(guān)和天線調(diào)諧器）的專用工藝。RF SOI是絕緣體上硅（SOI）技術(shù)的RF版本，與用于數(shù)字芯片的全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）不同。

隨著5G的到來，對RF SOI提出了更多需求。簡單地說，無線網(wǎng)絡(luò)中頻帶的數(shù)量增加了。因此，OEM廠商必須在智能手機(jī)中增加更多RF元件，例如基于RF SOI的射頻開關(guān)，以解決這些頻帶的復(fù)雜性及其他問題。

反過來，這對于許多射頻芯片，特別是基于RF SOI工藝的射頻芯片造成了超出預(yù)期的需求。實(shí)際上，整個(gè)RF SOI供應(yīng)鏈都供不應(yīng)求，導(dǎo)致多方面的短缺。

FD-SOI和RF SOI襯底供應(yīng)商Soitec公司的客戶和營銷執(zhí)行副總裁Thomas Piliszczuk表示：“整個(gè)供應(yīng)鏈都非常緊張，我們正在經(jīng)歷一段需求超出生態(tài)系統(tǒng)提供能力的時(shí)間?！?/p>

這個(gè)領(lǐng)域的主要問題包括：

? RF SOI必需Soitec及其他公司生產(chǎn)的200mm或300mm晶圓襯底。但供應(yīng)商無法跟上200mm晶圓的襯底需求，300mm的產(chǎn)能就更有限了。

? Soitec和其他公司將RF SOI襯底出售給代工廠，后者使用它來加工射頻芯片。代工廠商擁有200mm RF SOI晶圓產(chǎn)能，但仍然無法跟上需求。

? 幾家代工廠正在增產(chǎn)300mm RF SOI晶圓，但產(chǎn)能仍有限。全球大約5%的RF SOI晶圓產(chǎn)能是300mm的，但到2019年比例應(yīng)該會(huì)增加到20%。

Piliszczuk表示：“目前的形勢很嚴(yán)峻，因?yàn)樾枨蠓浅?qiáng)勁，而且正在加速。甚至第一代5G——Sub-6 GHz技術(shù)也在加速。所有這些都產(chǎn)生了更多的需求。我們將在接下來的幾個(gè)季度內(nèi)解決?！?/p>

根據(jù)Soitec的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2018年整個(gè)行業(yè)將出貨150萬—160萬片等效200mm RF SOI晶圓，比2017年增長15％~20％。預(yù)計(jì)到2020年，這一數(shù)字將超過200萬片。

RF SOI適用在哪里？

采用RF SOI工藝的芯片針對各種應(yīng)用，但最大市場是手機(jī)中的射頻前端模塊。Gartner預(yù)計(jì)，2018年全球手機(jī)出貨量將達(dá)到19億部，比2017年增長1.6%。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，2019年智能手機(jī)銷量將以5％的速度增長。

RF SOI芯片不是手機(jī)中唯一使用的器件。智能手機(jī)由數(shù)字芯片和射頻芯片組成，另外還包括電源管理芯片?；贑MOS的數(shù)字部分由應(yīng)用處理器和其他器件組成。

射頻組件集成在射頻前端模塊中，該模塊負(fù)責(zé)處理傳輸/接收功能。前端模塊由多個(gè)組件組成，包括功率放大器、天線調(diào)諧器、低噪聲放大器（LNA）、濾波器和射頻開關(guān)。

通常，功率放大器基于砷化鎵（GaAs），它是一種III-V族化合物。功率放大器為信號提供功率，使之到達(dá)目的地。

LNA用于放大來自天線的小信號，而濾波器可防止任何不需要的信號進(jìn)入系統(tǒng)。LNA和濾波器使用不同的工藝。

同時(shí)，開關(guān)芯片和調(diào)諧器基于RF SOI。RF開關(guān)將信號從一個(gè)組件傳送到另一個(gè)組件，調(diào)諧器可幫助天線調(diào)整到任何頻段。

圖1：一個(gè)簡單的前端模塊（來源：Globalfoundries），“利用RF SOI設(shè)計(jì)下一代蜂窩和Wi-Fi開關(guān)”，Technology，2016年5月。

圖2：另一個(gè)RF前端模塊。

近年來，盡管智能手機(jī)增長出現(xiàn)了放緩態(tài)勢，但每部手機(jī)的RF內(nèi)容都有所增長。 GlobalFoundries射頻業(yè)務(wù)部門高級副總裁Bami Bastani表示：“在RF世界中，頻段數(shù)量不斷增加。因此，我們在射頻方面的增長率是兩位數(shù)，而手機(jī)本身的增長率是一位數(shù)?！?/p>

在無線通信系統(tǒng)中，射頻頻譜被分為多個(gè)頻段。運(yùn)營商部署的2G和3G網(wǎng)絡(luò)中，2G有四個(gè)頻段，3G有五個(gè)頻段。

最近，運(yùn)營商部署了名為LTE Advanced的4G網(wǎng)絡(luò)，該標(biāo)準(zhǔn)為智能手機(jī)提供更快的數(shù)據(jù)速率。它還造成了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻帶碎片化。許多國家已經(jīng)分配了自己的頻譜，所以，現(xiàn)在LTE在不同國家工作在不同頻率上。事實(shí)上，今天的4G無線網(wǎng)絡(luò)包含40多個(gè)頻段。4G不僅融合了2G和3G頻段，還融合了多個(gè)4G頻段。

另外，移動(dòng)運(yùn)營商已經(jīng)部署了一項(xiàng)稱為載波聚合的技術(shù)。Bastani解釋說：“這意味著你將這些頻段放在一起，這樣就可以擁有更多的下載功能。這也是頻段數(shù)量上升的原因之一，因?yàn)槟惆阉鼈兙酆显诹艘黄稹！?/p>

越來越多的頻段，加上載波聚合，已經(jīng)影響了射頻市場。首先，由于頻帶數(shù)量龐大，每部手機(jī)的RF器件正在增加。2000年，手機(jī)中的射頻器件成本為2美元。相比之下，今天的每部智能手機(jī)的射頻器件成本在12~15美元之間，第一批5G智能手機(jī)的射頻器件成本將從18美元上漲到20美元以上。

為了應(yīng)對如此多的頻段，今天的RF前端模塊可能集成了兩個(gè)或更多的多模多頻功率放大器，以及多個(gè)開關(guān)和濾波器。Bastani表示：“任何時(shí)候，你有了一個(gè)頻段，便意味著需要有一個(gè)濾波器和一個(gè)開關(guān)。通常，你希望把一堆開關(guān)放在一個(gè)非常小的集成電路中，但是，如果你看看這些模塊，其中有20~30個(gè)組件，包括濾波器、RF SOI開關(guān)和功率放大器?！?/p>

通常，今天的LTE手機(jī)有兩個(gè)天線——主天線，分集天線。主天線用于發(fā)送/接收信號。分集天線可以提高手機(jī)中的下行數(shù)據(jù)速率。

圖3：4G前端。 （來源：GlobalFoundries），“使用RF SOI設(shè)計(jì)下一代蜂窩和Wi-Fi開關(guān)”，Technology，2016年5月。

在運(yùn)行中，信號到達(dá)主天線。然后傳輸?shù)教炀€調(diào)諧器，從而使系統(tǒng)可以調(diào)整到任何頻段。

然后信號進(jìn)入一系列射頻開關(guān)。智能手機(jī)可能包含10余個(gè)射頻開關(guān)器件。這些器件將信號切換到適當(dāng)?shù)念l段。信號從這里進(jìn)入濾波器，然后是功率放大器。

所有這些都為手機(jī)OEM廠商帶來了重大挑戰(zhàn)。功耗和尺寸至關(guān)重要，這就是OEM廠商希望射頻開關(guān)沒有插入損耗，且要有良好隔離的原因。插入損耗涉及到信號功率的損失。如果開關(guān)沒有良好的隔離效果，系統(tǒng)可能會(huì)遇到干擾。

總之，智能手機(jī)的復(fù)雜性正在推動(dòng)對射頻元件的需求，尤其是開關(guān)和調(diào)諧器。TowerJazz射頻/高性能模擬業(yè)務(wù)部門高級副總裁兼總經(jīng)理Marco Racanelli表示：“需求是由手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的射頻開關(guān)數(shù)量和功能的增加所驅(qū)動(dòng)的，而這些器件主要使用RF SOI制造?！?/p>

“例如，每一款新一代手機(jī)都需要支持越來越多的頻段和標(biāo)準(zhǔn)，并且每個(gè)手機(jī)都需要多個(gè)濾波器，這些濾波器通過RF SOI元件來開關(guān)電路。RF SOI也被用于WiFi接收和開關(guān)功能，以及用于改善接收效果的天線調(diào)諧器。天線數(shù)量的增加也是導(dǎo)致這一趨勢的原因，現(xiàn)在分集天線更常見。而MIMO（多輸入多輸出）天線正在采用，每個(gè)天線都需要額外的射頻開關(guān)來幫助導(dǎo)流?！?/p>

壓力下的供應(yīng)鏈

跟蹤射頻供應(yīng)鏈?zhǔn)橇硪粋€(gè)挑戰(zhàn)。例如，功率放大器是由選定的GaAs供應(yīng)商生產(chǎn)的。這些和其他供應(yīng)商也設(shè)計(jì)其他類型的射頻設(shè)備。其中許多使用傳統(tǒng)的RF CMOS工藝，而不是RF SOI。

一般來說，RF開關(guān)和天線調(diào)諧器都是基于RF SOI。在許多情況下，這些芯片是由代工廠制造的。

RF SOI始于生產(chǎn)一種特殊的高電阻率基板。在襯底中，晶圓與掩埋氧化物層之間夾有trap-rich層。trap-rich層可以恢復(fù)襯底中的高電阻率屬性，從而降低插入損耗并提高系統(tǒng)的線性度。

圖4：射頻SOI襯底

Soitec是射頻SOI襯底的最大供應(yīng)商，擁有70％的市場份額。Soitec生產(chǎn)200mm和300mm射頻SOI晶圓襯底。

其他兩家供應(yīng)商Shin-Etsu和GlobalWafers也基于Soitec的技術(shù)生產(chǎn)200mm和300mm射頻SOI晶圓襯底。另外，中國的Simgui生產(chǎn)200mm RF SOI晶圓襯底。

200mm和300mm晶圓的襯底供應(yīng)都很緊張。Soitec的Piliszczuk表示：“RF SOI襯底容量正在經(jīng)歷一個(gè)瓶頸（階段）。2019年，我們的合作伙伴Simgui將有更多的200mm晶圓產(chǎn)能，并獲得認(rèn)證，這將會(huì)緩解緊張態(tài)勢。目前一切正在進(jìn)行中?！?/p>

隨著時(shí)間的推移，300mm晶圓的情況也會(huì)有所改善。“隨著需求的不斷增長，三家供應(yīng)商Soitec，Shin-Etsu和GlobalWafers都在不斷增加產(chǎn)能?！彼f，“這種情況將會(huì)繼續(xù)發(fā)展。從2019年開始，所有的需求都應(yīng)該被覆蓋?！?/p>

盡管如此，代工廠還是希望能夠提供更多的300mm RF SOI晶圓襯底產(chǎn)能。分析師表示，基板供應(yīng)商愿意增加更多產(chǎn)能，但前提是需求增加且行業(yè)愿意為其提供資金。

目前，300mm晶圓基板的供應(yīng)是有限的。這項(xiàng)技術(shù)的價(jià)格要比200mm高2.7~3倍，高于300mm的平均價(jià)格。

但是，許多成本敏感的客戶都希望300mm RF SOI晶圓襯底的成本與200mm相當(dāng)。分析師表示，至少在短期內(nèi)，許多客戶可能不愿意加快向300mm遷移。

聯(lián)電業(yè)務(wù)管理副總裁Walter Ng表示：“在市場上，RF SOI的產(chǎn)能需求不斷增長。市場需要更多的能力。他們需要更多的器件。但問題是，產(chǎn)能需求依然得不到滿足?！?/p>

在某種程度上，行業(yè)可能需要重新審視供應(yīng)鏈。Ng表示：“業(yè)界有機(jī)會(huì)發(fā)展業(yè)務(wù)并支持市場需求。整個(gè)供應(yīng)鏈的實(shí)現(xiàn)模式正在制定中?！?/p>

一旦RF SOI襯底制造完成，它們就會(huì)被運(yùn)送到代工廠，并基于它們加工出RF開關(guān)芯片，天線調(diào)諧器和其他產(chǎn)品。

在晶圓代工廠中，射頻開關(guān)和天線調(diào)諧器采用傳統(tǒng)的CMOS工藝制造。芯片使用傳統(tǒng)的蝕刻、沉積、光刻和其他步驟進(jìn)行處理。

對于今天的手機(jī)，RF SOI芯片在200mm晶圓廠制造。事實(shí)上，絕大多數(shù)射頻開關(guān)和其他產(chǎn)品將保持在200mm。Ng表示：“今天，大部分的RF SOI都是8英寸。180nm的RF SOI正在向130nm和110nm遷移。其中一些已經(jīng)遷移到12英寸?！?/p>

今天，世界上95%的RF SOI芯片都是在200mm晶圓廠制造的。GlobalFoundries、TowerJazz、聯(lián)電、索尼、中芯國際、臺(tái)積電、HHGrace和意法半導(dǎo)體均擁有200mm RF SOI晶圓廠產(chǎn)能。

較大的代工廠正在生產(chǎn)300mm RF SOI晶圓。GlobalFoundries、TowerJazz、臺(tái)積電和聯(lián)電都在300mm陣營。工藝范圍從130nm到45nm不等。

然而，300mm晶圓并不能解決整個(gè)RF SOI產(chǎn)能的問題。300mm產(chǎn)能主要針對高端5G系統(tǒng)，其中一些產(chǎn)能分配給當(dāng)今的4G手機(jī)。

盡管如此，300mm RF SOI晶圓是5G的一項(xiàng)要求。最初，5G網(wǎng)絡(luò)將在2019年部署在sub-6GHz頻率，其中將應(yīng)用毫米波技術(shù)。

對于RF SOI，300mm晶圓相比于200mm有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。GlobalFoundries的Bastani表示：“晶圓廠中，300mm提供了更多的過程控制和完全自動(dòng)化。最終客戶產(chǎn)品的公差、可重復(fù)性和良品率優(yōu)于200mm的?！?/p>

在200mm的RF SOI晶圓中，芯片中的一些（不是所有的）互連層都基于鋁。鋁互連價(jià)格便宜，但電容也更高。Bastani 表示：“當(dāng)你遷移到300mm的世界，就是銅互連層。這些RF產(chǎn)品需要具有無源元件，如電感器。所以，我們的強(qiáng)項(xiàng)之一是做粗銅線。當(dāng)你到達(dá)頂部的兩層時(shí)，這里距離表面有很多微米遠(yuǎn)，此時(shí)真正的價(jià)值就體現(xiàn)了?，F(xiàn)在，你的電感和頂部厚銅線之間沒有任何干擾或耦合?！?/p>

集成度是300mm晶圓最大的優(yōu)勢。第一波5G手機(jī)將擁有與今天4G系統(tǒng)類似的射頻前端架構(gòu)。但對于5G來說，最大的區(qū)別在于，OEM廠商希望將單獨(dú)的射頻開關(guān)和LNA集成到一個(gè)器件中。

對于LNA開關(guān)集成，200mm晶圓無能為力，這是300mm的適用范圍。Bastani表示：“大的趨勢就是把開關(guān)和LNA放在一起。我們正在將LNA的制造工藝推進(jìn)到55nm，但這不是全部。開關(guān)在130nm和180nm處都非常合適。LNA是一種非?？焖?、低噪音的器件。不能在200mm晶圓上做55nm?！?/p>

還有其他的好處。例如，GlobalFoundries發(fā)布300mm的45nm RF SOI。Bastani表示：“它能將開關(guān)的性能提高30%~40%。將LNA的性能提升20%~30%。它減少了占用面積并改善了噪聲?！?/p>

還有設(shè)計(jì)上的考慮。臺(tái)積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁B.J. Woo表示：“在傳統(tǒng)架構(gòu)中，LNA集成在收發(fā)器內(nèi)。但對于5G而言，信號質(zhì)量變得重要。因此，LNA需要盡可能靠近天線放置，以獲得最佳的信號質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們使用RF SOI來整合開關(guān)和LNA?！?/p>

隨著時(shí)間的推移，5G也將工作在毫米波波段。這涉及到30 GHz~300 GHz之間的頻段。Woo表示：“RF架構(gòu)需要修改，以覆蓋其中一個(gè)頻段。為此，RF收發(fā)器將把IF或中頻收發(fā)器和下變頻器與一個(gè)基于CMOS的毫米波RF前端模塊結(jié)合在一起?！?/p>

圖5：GlobalFoundries 2018 毫米波5G波束形成系統(tǒng)。

Qorvo移動(dòng)5G業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Ben Thomas表示：“RF器件及功能將隨著5G手機(jī)射頻復(fù)雜度的增加而增加。由于實(shí)現(xiàn)這種增長的RF空間有限，因此解決方案的尺寸是優(yōu)先考慮的問題。由此，集成度將會(huì)繼續(xù)提升，不僅僅是為了尺寸，也為了性能。在試驗(yàn)期間可以看到分立式5G解決方案，但它將很快直接跳躍到具有PA、濾波、開關(guān)和LNA功能的高級RF前端模塊?！?/p>

Thomas表示：“當(dāng)我們進(jìn)入5G時(shí)代時(shí)，根據(jù)地區(qū)的不同，可能會(huì)有更多的頻段，比如n77，n78和n79，這些頻段將以全球不同的組合部署。5G手機(jī)將利用更復(fù)雜的調(diào)諧和天線復(fù)用功能來管理雙上行鏈路并增加MIMO配置的復(fù)雜特性，所有這些都旨在提高數(shù)據(jù)速度。所有這些與CA組合的多倍增加結(jié)合在一起導(dǎo)致了更多的天線調(diào)諧，更復(fù)雜的濾波，更多的開關(guān)以及將這些功能與功率放大器結(jié)合的更多RF前端模塊。簡而言之，需要在RF方面做更多的事情來傳送5G承諾的海量數(shù)據(jù)?！?/p>

300mm RF SOI競賽

代工廠正在擴(kuò)大他們的RF SOI產(chǎn)能。RF SOI領(lǐng)導(dǎo)廠商GlobalFoundries正在兩座晶圓廠——紐約East Fishkill和新加坡推出300mm RF SOI晶圓。包括130nm和45nm工藝。

一段時(shí)間以來，GlobalFoundries一直在兩座晶圓廠——佛蒙特州Burlington和新加坡生產(chǎn)200mm RF SOI晶圓。GlobalFoundries的Bastani表示：“在供應(yīng)鏈上下游投資是優(yōu)先考慮的事情。我們還在投資200mm的產(chǎn)能?！?/p>

與此同時(shí)，TowerJazz出貨200mm RF SOI晶圓已經(jīng)有一段時(shí)間。該公司正在日本的晶圓廠增加300mm RF SOI晶圓產(chǎn)能。該工藝基于65nm，盡管該晶圓廠能夠達(dá)到45nm。

聯(lián)電和臺(tái)積電出貨200mm RF SOI晶圓已經(jīng)有一段時(shí)間，也計(jì)劃進(jìn)軍300mm的競賽。