5G杀到！RF前端需要怎样的工艺和技术？

RF器件和工艺技术的市场正在升温，特别是对于智能手机中使用的两个关键组件——RF开关器件和天线调谐器。

RF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RF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RF版本的绝缘体上硅(SOI)技术，利用内置隔离的高电阻率衬底。

为了打破市场环境，一家无晶圆厂公司Cavendish Kinetics正在推出基于一种替代技术——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前端模块中的关键组件之一。RF前端将发送和接收功能集成到系统中，RF开关对信号进行路由。调谐器帮助天线调整到任意频段。

无论哪种器件和技术类型，当今RF市场的挑战都令人望而生畏。Cavendish Kinetics总裁兼首席执行官Paul Dal Santo表示：“几年前，RF是一项相当简单的设计。但事情现在已经大大改变。首先，RF前端必须可以处理非常宽的频率范围，从600 MHz至3 GHz。采用先进的信号技术和5G技术，频率范围将达到5GHz至60GHz。这给前端RF设计师带来了难以置信的挑战。”

考虑到这些挑战，手机OEM厂商必须考虑选择一些新的组件。具体来说，对于RF开关和天线调谐器，可以归结为两种技术——基于RF SOI的器件和RF MEMS。

RF SOI是现有技术。基于RF SOI的器件能力尚可，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晶圆厂，问题还会出现。

相比之下，RF MEMS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的天线调谐器正在被三星和其他OEM接受。

Strategy Analytics的分析师Chris Taylor说：“接触式RF MEMS提供非常低的导通电阻，从而降低插入损耗。但RF MEMS没有生产记录，高容量无线系统OEM厂商将不会对新技术和小型供应商做出巨大贡献。当然，RF MEMS作为替代品，价格必须有竞争力，但主要OEM厂商想要可靠性得到检验的产品和可靠的供应来源。”

RF前端

不过，在智能手机(RF开关，调谐器，和其他组件)的混合商业环境中，RF前端市场值得关注。根据Pacific Crest Securities的数据，智能手机出货量预计将在2017年增长1%，而2016年则增长了1.3%。

另一方面，根据YoleDéveloppement的数据，手机的RF前端模块/组件市场预计将从2016年的101亿美元跃升至2022年的227亿美元。 据Strategy Analytics分析，RF开关器件市场在2016年达到了17亿美元。

随着OEM厂商继续在智能手机中增加更多RF内容，RF市场正在不断增长。Strategy Analytics的Taylor说：“多频段LTE也正在向下层器件延伸，开关内容正在增加。”

在转向4G或长期演进(LTE)的过程中，每台手机的RF开关器件数量都有所增加。Taylor 说：“我们每年都在谈论大量的单元，大多数但并非全部(RF开关)都会进入手机，其中现在绝大多数是SOI。RF MEMS仍然是新兴市场，相对于RF SOI开关来说微不足道。”

尽管RF开关的出货数量很大，但是市场竞争激烈，价格压力较大。Taylor 表示，这些器件的平均销售价格(ASP)为10-20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)、滤波器、以及RF开关。

图1：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”，2016年5月)

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“动力”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。Wolf 说：“(滤波器)可防止一切无用信号进入。”

在手机中，2G和3G无线网络的RF功能简单。2G有四个频段，3G有五个频段。 但对4G来说，有40多个频段。4G不仅融合了2G和3G频段，而且还搭载了4G频段。

除此之外，移动运营商已经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，可以在无线网络中实现更大的带宽和更快的数据速率。

为了处理频段和载波聚合，OEM厂商需要复杂的RF前端模块。今天的模块可以集成两个或多个多模、多频带功率放大器，以及多个开关和滤波器。Qorvo移动战略营销经理Abhiroop Dutta表示：“这取决于采用的RF架构。PA的数量由手机正在寻址的区域频带决定。通过单个SKU在全球范围内应对全球多地区或全球蜂窝市场的典型“全球通”手机，频段覆盖面广泛。对于这种手机的典型RF前端集成模块的实现，一个选择是使用具有分频带模块的RF前端，以解决高、中、低频带的不同要求。”

相比之下，智能手机OEM厂商可能会为特定市场设计区域手机。Dutta表示： “一个例子是针对中国国内市场的手机。在这种情况下，RF前端需要支持该地区的频段。”

图2：4G前端 (来源：GlobalFoundries，“使用RF SOI设计下一代蜂窝和Wi-Fi开关”，2016年5月)

根据Cavendish Kinetics的理论，LTE手机还有两种天线，主集天线和分集天线。主集天线用于发射和接收功能，分集天线提高了手机的下行数据速率。

实际操作中，信号到达主集天线。然后移动到天线调谐器，允许系统调整到任何频带。

然后，信号进入一系列RF开关。GlobalFoundries的Wolf说：“它转换到您要使用的适用频段，GSM、3G、或4G。”信号从这里进入滤波器，其次是功率放大器，最后到达接收器。

考虑到这种复杂性，手机OEM面临一些挑战。功耗和尺寸至关重要。Wolf说：“由于这种复杂性，您的信号在前端受到更多损失，这对您的接收机的总体噪声系数造成了负面影响。”

显然，RF开关在解决这个问题方面起到了关键作用。总体而言，智能手机可能包含十余个RF开关器件。基本的RF开关采用单刀单掷(SPST)配置。这是一个简单的on-off开关。

今天，OEM们使用更复杂的开关配置。Ron*Coff是RF开关的关键指标。根据Peregrine Semiconductor的理论：“Ron*Coff是无线电信号通过开关处于“导通”状态(Ron，或导通电阻)时产生的损耗比率，以及无线电信号在“关闭”状态下通过电容器的泄漏比率(Coff，或关断电容)”

总而言之，OEM厂商需要没有插入损耗以及具有良好隔离的RF开关。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。Qorvo的Dutta表示：“总的来说，RF前端面临的挑战是支持日益增长的性能需求，这与不断发展的标准和增加频带覆盖范围相一致。同时还要考虑缩小RF器件封装的尺寸，因为手机变薄了。插入损耗、天线功率，以及隔离等关键指标仍然推动RF产品解决方案的不断发展的驱动力。”

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从GaAs和蓝宝石(SoS)迁移到RF开关的RF SOI。GaAs和SoS是SOI的一个变体，它们变得太贵了。

RF SOI不同于完全耗尽型SOI(FD-SOI)，适用于数字应用。与FD-SOI类似，RF SOI的衬底中有薄绝缘层，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：“移动市场继续推动RF SOI，因为它在宽频率范围内提供低插入损耗、低谐波，以及高线性度，拥有良好的性能和成本效益。”

今天，Qorvo、Peregrine、Skyworks等公司提供基于RF SOI的RF开关。 通常，RF开关制造商利用代工厂来制造这些产品。GlobalFoundries、意法半导体、TowerJazz，以及联电是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，从180nm到45nm的节点，以及不同的硅片尺寸。

决定使用哪个节点取决于具体应用。联电公司业务管理副总裁Walter Ng表示：“关于RF SOI技术的扩展，一切都是从技术性能、成本和电力的角度来考虑，让解决方案适用于终端应用。”

即使有选择，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受到无用的沟道电阻和电容的影响。

在RF开关中，FET被堆叠起来。通常，今天的RF开关中堆叠了10-14个FET。 据专家介绍，随着堆叠FET数量的增加，器件可能会遭遇插入损耗和电阻的影响。

另一个问题是电容。Skyworks在2014年的一篇题为《RF应用中SOI的最新进展和未来趋势》的文章中写道，RF开关中，至少30%以上的无用的电容归因于器件中的互连。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开关的主流流程是200mm晶圆厂的180nm和130nm节点。大多数互连层基于铝，但不是全部。铝互连在IC行业使用多年，价格便宜，但电容较大。

因此，铜被用于RF器件中的某些互连层。铜是更好的导体，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低成本的铝互连层以及高性能铜互连层二者的组合。这是平衡成本和性能的最佳解决方案。RF SOI解决方案通常是一定数量的铝金属层以及一个或多个铜金属层。”

通常，在顶层上使用铜作为超厚金属选项，可用于改善无源器件性能。Ng说：“厚的顶层金属，最好是铜，可以通过最小化电阻损耗来提高性能。”

最近，RF器件制造商已经从200mm迁移到300mm晶圆厂，其工艺从130nm提升到45nm。通常，300mm代工厂仅使用铜互连处理晶圆。

通过仅使用铜互连，开关制造商可以降低电容。但是，300mm会提高晶圆成本，从而在市场上产生一些冲突。一方面，OEM厂商在成本敏感的手机市场需要较低的价格。另一方面，器件制造商和代工厂又希望保持利润。

Ng说：“如今，只有极少的RF SOI正在300mm生产。原因有很多，包括300mm RF SOI衬底的成本和可用性，支持后硅处理的基础设施，以及其他因素。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。”

在此之前，行业可能会面临300mm的供需问题。Ng说：“我们认为，市场会继续供不应求，直到更多的生产迁移到300mm。那么，产能上线速度有多快，以及当时的需求如何，二者的匹配会是一个问题。”

通常，今天的RF SOI工艺适用于4G手机。GlobalFoundries希望在5G战场中获得跳跃，最近为5G应用推出了45nm RF SOI工艺。该工艺利用高电阻率trap-rich的SOI衬底。

5G是4G的后续。今天的LTE网络从700 MHz到3.5 GHz。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将使数据传输速率达到10Gbps以上，是LTE的吞吐量的100倍。但预计在2020年以前，5G的大规模部署不会发生。

无论如何，5G都将需要一个新的组件类。GlobalFoundries的Rabbeni说：“(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。”

对于5G，还有其他解决方案。RF MEMS是一种可能性。在另一个可能的解决方案中，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。

谁会是赢家?时间会告诉我们答案。Strategy Analytics的Taylor说“目前尚不清楚RF MEMS是否具有5G的优势。对于SOI来说，单片集成可能会赢得至少6-GHz以上的频段。”

什么是RF MEMS?

基于RF SOI的开关将继续占据主导地位，但新技术——RF MEMS也有存在的空间。Cavendish Kinetics的Dal Santo说：“SOI随着时间的推移已经取得了不可思议的进步。电阻下降，线性度变得更好。但是SOI开关只是一个晶体管开启或关闭。它导通时的表现不是很好，关闭时也不是很好。”

RF MEMS多年来一直在前进。今天，Cavendish、Menlo Micro、以及WiSpry(AAC Technologies)正在为移动应用开发RF MEMS。

RF MEMS与基于传感器的MEMS(例如陀螺仪和加速度计)不同。传感器MEMS是将机械能转换成电信号的传感器。相比之下，RF MEMS则是传导信号。

最初，Cavendish等人瞄准了在天线调谐器市场采用RF MEMS技术，采用基于RF SOI的开关和其他技术。

图3：带开关的天线调谐器 (资料来源：Cavendish Kinetics)

Dal Santo说：“如果天线是固定的，则不可能使它们支持所需要的频段范围。所以他们需要调整。现在，主要的方法是切换，或是切换不同的固定电容器，或是切换不同的固定电感器。问题在于天线是高品质因数(Q)器件。你必须小心，不要给它们接负载，否则会看到辐射性能的损失。”

相比之下，Cavendish的调谐器有32个不同的电容范围。Dal Santo说：“它们是完全可编程的，具有非常高的品质因数(Q)。所以它们的损失非常低。您可以使用这些来把天线调整到您需要支持的频率范围。”

展望未来，Cavendish计划在更大的RF开关领域采用基于RF SOI的器件。Dal Santo说：“如果用一个真正的开关来代替，那必然是MEMS开关，你可以看到接收机或发射机的插入损耗的累积效益。”

但RF MEMS器件是否会取代基于RF SOI的器件?一家名为TowerJazz的公司可以提供一些见解。TowerJazz提供传统的RF SOI工艺，也是Cavendish的RF MEMS器件的代工厂商。

TowerJazz 公司RF与高性能模拟业务部门高级副总裁兼总经理Marco Racanelli说：“RF MEMS和RF SOI在竞争相同的应用，二者可能会有一些小的重叠。一般来说，二者将会相互补充。在最苛刻的应用中获胜的是RF MEMS，RF SOI赢得其余的应用。”

Racanelli说：“RF SOI会继续发展，因此对于RF开关应用和部分低噪声放大器市场而言，RF SOI仍然是可行的。然而，有一些应用，例如用于低噪声放大器的SiGe和用于开关的MEMS替代技术可以提供更好的线性度和更低的损耗。而RF SOI将继续服务于不断扩大的市场，其他技术也将有所发展。”

RF MEMS正在天线调谐器市场上占据一席之地。时间会说明该技术是否可以破局开关市场。Racanelli说：“未来，RF MEMS可以通过提供比内置RF SOI线性度更好和损耗更小的开关来提高手机中的数据速率。这可以理解，在RF MEMS中，金属板可以在“导通”状态下直接接触并形成一个金属的、低损耗的线性连接。更高的线性度允许更宽的频带和更复杂的调制方案，这可以提高手机中的数据速率。”