RF SOI战争一触即发 RF SOI适用在哪里？

5G正在推动对300mm和200mm晶圆产能的需求。二者都供不应求。

由于智能手机对RF SOI工艺芯片有着巨大需求，几家代工厂都在扩大其RF SOI工艺的产能。

许多代工厂都在扩大其200mm RF SOI晶圆厂产能，以满足急剧增长的需求。GlobalFoundries，TowerJazz，台积电和联电正在扩大300mm RF SOI晶圆产能，以迎接5G，争抢第一波RF业务。

RF SOI是专门用于制造智能手机和其他产品中的特定射频芯片（如开关和天线调谐器）的专用工艺。RF SOI是绝缘体上硅（SOI）技术的RF版本，与用于数字芯片的全耗尽型绝缘体上硅（FD-SOI）不同。

随着5G的到来，对RF SOI提出了更多需求。简单地说，无线网络中频带的数量增加了。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，以解决这些频带的复杂性及其他问题。

反过来，这对于许多射频芯片，特别是基于RF 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供应链都供不应求，导致多方面的短缺。

FD-SOI和RF SOI衬底供应商Soitec公司的客户和营销执行副总裁Thomas Piliszczuk表示：“整个供应链都非常紧张，我们正在经历一段需求超出生态系统提供能力的时间。”

这个领域的主要问题包括：

• RF SOI必需Soitec及其他公司生产的200mm或300mm晶圆衬底。但供应商无法跟上200mm晶圆的衬底需求，300mm的产能就更有限了。

• Soitec和其他公司将RF SOI衬底出售给代工厂，后者使用它来加工射频芯片。代工厂商拥有200mm RF SOI晶圆产能，但仍然无法跟上需求。

• 几家代工厂正在增产300mm RF SOI晶圆，但产能仍有限。全球大约5%的RF SOI晶圆产能是300mm的，但到2019年比例应该会增加到20%。

Piliszczuk表示：“目前的形势很严峻，因为需求非常强劲，而且正在加速。甚至第一代5G——Sub-6 GHz技术也在加速。所有这些都产生了更多的需求。我们将在接下来的几个季度内解决。”

根据Soitec的数据，预计2018年整个行业将出货150万—160万片等效200mm RF SOI晶圆，比2017年增长15％~20％。预计到2020年，这一数字将超过200万片。

RF SOI适用在哪里？

采用RF SOI工艺的芯片针对各种应用，但最大市场是手机中的射频前端模块。Gartner预计，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年智能手机销量将以5％的速度增长。

RF SOI芯片不是手机中唯一使用的器件。智能手机由数字芯片和射频芯片组成，另外还包括电源管理芯片。基于CMOS的数字部分由应用处理器和其他器件组成。

射频组件集成在射频前端模块中，该模块负责处理传输/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族化合物。功率放大器为信号提供功率，使之到达目的地。

LNA用于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。LNA和滤波器使用不同的工艺。

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，调谐器可帮助天线调整到任何频段。

图1：一个简单的前端模块（来源：Globalfoundries），“利用RF SOI设计下一代蜂窝和Wi-Fi开关”，Technology，2016年5月。

图2：另一个RF前端模块。

近年来，尽管智能手机增长出现了放缓态势，但每部手机的RF内容都有所增长。 GlobalFoundries射频业务部门高级副总裁Bami Bastani表示：“在RF世界中，频段数量不断增加。因此，我们在射频方面的增长率是两位数，而手机本身的增长率是一位数。”

在无线通信系统中，射频频谱被分为多个频段。运营商部署的2G和3G网络中，2G有四个频段，3G有五个频段。

最近，运营商部署了名为LTE Advanced的4G网络，该标准为智能手机提供更快的数据速率。它还造成了蜂窝网络的频带碎片化。许多国家已经分配了自己的频谱，所以，现在LTE在不同国家工作在不同频率上。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4G频段。

另外，移动运营商已经部署了一项称为载波聚合的技术。Bastani解释说：“这意味着你将这些频段放在一起，这样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了一起。”

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器件正在增加。2000年，手机中的射频器件成本为2美元。相比之下，今天的每部智能手机的射频器件成本在12~15美元之间，第一批5G智能手机的射频器件成本将从18美元上涨到20美元以上。

为了应对如此多的频段，今天的RF前端模块可能集成了两个或更多的多模多频功率放大器，以及多个开关和滤波器。Bastani表示：“任何时候，你有了一个频段，便意味着需要有一个滤波器和一个开关。通常，你希望把一堆开关放在一个非常小的集成电路中，但是，如果你看看这些模块，其中有20~30个组件，包括滤波器、RF SOI开关和功率放大器。”

通常，今天的LTE手机有两个天线——主天线，分集天线。主天线用于发送/接收信号。分集天线可以提高手机中的下行数据速率。

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

在运行中，信号到达主天线。然后传输到天线调谐器，从而使系统可以调整到任何频段。

然后信号进入一系列射频开关。智能手机可能包含10余个射频开关器件。这些器件将信号切换到适当的频段。信号从这里进入滤波器，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厂商希望射频开关没有插入损耗，且要有良好隔离的原因。插入损耗涉及到信号功率的损失。如果开关没有良好的隔离效果，系统可能会遇到干扰。

总之，智能手机的复杂性正在推动对射频元件的需求，尤其是开关和调谐器。TowerJazz射频/高性能模拟业务部门高级副总裁兼总经理Marco Racanelli表示：“需求是由手机和物联网设备的射频开关数量和功能的增加所驱动的，而这些器件主要使用RF SOI制造。”

“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，并且每个手机都需要多个滤波器，这些滤波器通过RF SOI元件来开关电路。RF SOI也被用于WiFi接收和开关功能，以及用于改善接收效果的天线调谐器。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导流。”

压力下的供应链

跟踪射频供应链是另一个挑战。例如，功率放大器是由选定的GaAs供应商生产的。这些和其他供应商也设计其他类型的射频设备。其中许多使用传统的RF CMOS工艺，而不是RF SOI。

一般来说，RF开关和天线调谐器都是基于RF SOI。在许多情况下，这些芯片是由代工厂制造的。

RF SOI始于生产一种特殊的高电阻率基板。在衬底中，晶圆与掩埋氧化物层之间夹有trap-rich层。trap-rich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：射频SOI衬底

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晶圆衬底。

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晶圆衬底。另外，中国的Simgui生产200mm RF SOI晶圆衬底。

200mm和300mm晶圆的衬底供应都很紧张。Soitec的Piliszczuk表示：“RF SOI衬底容量正在经历一个瓶颈（阶段）。2019年，我们的合作伙伴Simgui将有更多的200mm晶圆产能，并获得认证，这将会缓解紧张态势。目前一切正在进行中。”

随着时间的推移，300mm晶圆的情况也会有所改善。“随着需求的不断增长，三家供应商Soitec，Shin-Etsu和GlobalWafers都在不断增加产能。”他说，“这种情况将会继续发展。从2019年开始，所有的需求都应该被覆盖。”

尽管如此，代工厂还是希望能够提供更多的300mm RF SOI晶圆衬底产能。分析师表示，基板供应商愿意增加更多产能，但前提是需求增加且行业愿意为其提供资金。

目前，300mm晶圆基板的供应是有限的。这项技术的价格要比200mm高2.7~3倍，高于300mm的平均价格。

但是，许多成本敏感的客户都希望300mm RF SOI晶圆衬底的成本与200mm相当。分析师表示，至少在短期内，许多客户可能不愿意加快向300mm迁移。

联电业务管理副总裁Walter Ng表示：“在市场上，RF SOI的产能需求不断增长。市场需要更多的能力。他们需要更多的器件。但问题是，产能需求依然得不到满足。”

在某种程度上，行业可能需要重新审视供应链。Ng表示：“业界有机会发展业务并支持市场需求。整个供应链的实现模式正在制定中。”

一旦RF SOI衬底制造完成，它们就会被运送到代工厂，并基于它们加工出RF开关芯片，天线调谐器和其他产品。

在晶圆代工厂中，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，RF SOI芯片在200mm晶圆厂制造。事实上，绝大多数射频开关和其他产品将保持在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迁移。其中一些已经迁移到12英寸。”

今天，世界上95%的RF SOI芯片都是在200mm晶圆厂制造的。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。

较大的代工厂正在生产300mm RF SOI晶圆。GlobalFoundries、TowerJazz、台积电和联电都在300mm阵营。工艺范围从130nm到45nm不等。

然而，300mm晶圆并不能解决整个RF SOI产能的问题。300mm产能主要针对高端5G系统，其中一些产能分配给当今的4G手机。

尽管如此，300mm RF SOI晶圆是5G的一项要求。最初，5G网络将在2019年部署在sub-6GHz频率，其中将应用毫米波技术。

对于RF SOI，300mm晶圆相比于200mm有几个优点。GlobalFoundries的Bastani表示：“晶圆厂中，300mm提供了更多的过程控制和完全自动化。最终客户产品的公差、可重复性和良品率优于200mm的。”

在200mm的RF SOI晶圆中，芯片中的一些（不是所有的）互连层都基于铝。铝互连价格便宜，但电容也更高。Bastani 表示：“当你迁移到300mm的世界，就是铜互连层。这些RF产品需要具有无源元件，如电感器。所以，我们的强项之一是做粗铜线。当你到达顶部的两层时，这里距离表面有很多微米远，此时真正的价值就体现了。现在，你的电感和顶部厚铜线之间没有任何干扰或耦合。”

集成度是300mm晶圆最大的优势。第一波5G手机将拥有与今天4G系统类似的射频前端架构。但对于5G来说，最大的区别在于，OEM厂商希望将单独的射频开关和LNA集成到一个器件中。

对于LNA开关集成，200mm晶圆无能为力，这是300mm的适用范围。Bastani表示：“大的趋势就是把开关和LNA放在一起。我们正在将LNA的制造工艺推进到55nm，但这不是全部。开关在130nm和180nm处都非常合适。LNA是一种非常快速、低噪音的器件。不能在200mm晶圆上做55nm。”

还有其他的好处。例如，GlobalFoundries发布300mm的45nm RF SOI。Bastani表示：“它能将开关的性能提高30%~40%。将LNA的性能提升20%~30%。它减少了占用面积并改善了噪声。”

还有设计上的考虑。台积电业务发展副总裁B.J. Woo表示：“在传统架构中，LNA集成在收发器内。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来整合开关和LNA。”

随着时间的推移，5G也将工作在毫米波波段。这涉及到30 GHz~300 GHz之间的频段。Woo表示：“RF架构需要修改，以覆盖其中一个频段。为此，RF收发器将把IF或中频收发器和下变频器与一个基于CMOS的毫米波RF前端模块结合在一起。”

图5：GlobalFoundries 2018 毫米波5G波束形成系统。

Qorvo移动5G业务开发总监Ben Thomas表示：“RF器件及功能将随着5G手机射频复杂度的增加而增加。由于实现这种增长的RF空间有限，因此解决方案的尺寸是优先考虑的问题。由此，集成度将会继续提升，不仅仅是为了尺寸，也为了性能。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PA、滤波、开关和LNA功能的高级RF前端模块。”

Thomas表示：“当我们进入5G时代时，根据地区的不同，可能会有更多的频段，比如n77，n78和n79，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并增加MIMO配置的复杂特性，所有这些都旨在提高数据速度。所有这些与CA组合的多倍增加结合在一起导致了更多的天线调谐，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。简而言之，需要在RF方面做更多的事情来传送5G承诺的海量数据。”

300mm RF SOI竞赛

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——纽约East Fishkill和新加坡推出300mm RF SOI晶圆。包括130nm和45nm工艺。

一段时间以来，GlobalFoundries一直在两座晶圆厂——佛蒙特州Burlington和新加坡生产200mm RF SOI晶圆。GlobalFoundries的Bastani表示：“在供应链上下游投资是优先考虑的事情。我们还在投资200mm的产能。”

与此同时，TowerJazz出货200mm RF SOI晶圆已经有一段时间。该公司正在日本的晶圆厂增加300mm RF SOI晶圆产能。该工艺基于65nm，尽管该晶圆厂能够达到45nm。

联电和台积电出货200mm RF SOI晶圆已经有一段时间，也计划进军300mm的竞赛。