射频SOI的战争已经开始 | 智慧产品圈

原创 韩继国 2018-06-21
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  市场对5G的需求增加了300mm和200mm的产能,目前两者都是供不应求。在智能手机市场巨大需求和产能供不应求的情况下,代工厂正在扩大其用于RF SOI工艺的Fab产能。

  一些代工厂正在增加它们的200mm RF SOI产能以满足不断增长的需求。然而,格罗方德,TowerJazz,TSMC和UMC正在扩大或增加300mm晶圆厂的RF SOI工艺,这显然是为了争夺第一批5G这个下一代无线标准的RF业务。

  RF SOI是一种专门用于制造智能手机和其他产品上的开关和天线调谐器等射频芯片的专用工艺。RF SOI是绝缘体上硅(SOI)技术的RF版本,它不同于用于数字芯片的全耗尽SOI(FD SOI)。

  在射频SOI中有若干个动力学在起作用。简单地说,在无线网络中频带的数目增加了。因此,在智能手机中,OEM厂商必须增加更多的RF组件,例如基于RF SOI的RF开关,以应对这些频段的复杂度和其他问题。

  反过来,这导致对许多RF芯片,特别是基于RF SOI工艺的需求大于预期。事实上,反映在整个射频SOI供应链供不应求的情况,导致了几个方面的不足。

  “整个供应链非常紧张,” Soitec的客户组和营销部执行副总裁Thomas Piliszczuk说,它是一家FD-SOI和RF SOI衬底的供应商。

  这个平台上存在的问题有:

  RF SOI是从Soitec和其他公司生产200mm或300mm衬底开始的,但是供应商不能跟上200mm的衬底需求,300mm的产能也是有限的。

  Soitec和其他公司将RF SOI衬底出售给代工厂,加工成RF芯片。代工厂商有200mm的RF SOI能力,但他们仍然跟不上需求。

  几个代工厂正在提升300mm的RF SOI,但产能有限。世界上大约5%的RF SOI产能是300mm,到2019年这个数字应该增加到20%。

  “强烈的需求导致了今天的紧张局面,需求还在加速增长,甚至还产生了第一代5G和亚6GHz加速技术。所有的这些都产生了(对RF SOI)更多的需求,”Piliszczuk说。“我们将在接下来的几个季度克服这种局面。”

  总的来说,根据Soitec的预测,该行业预计在2018将生产150万到160万片200mm等效的RF SOI晶片,超出2017年15%至20%。到2020年左右,这个数字预计将超过200万片。

  射频SOI适合哪里?

  使用RF SOI工艺的芯片目标是各种应用,但最大的市场是手机射频前端模块。Gartner预测,2018的全球手机出货量将达到19亿台,比2017上升1.6%。2019年智能手机的销售增长速度将达到5%。

  RF SOI芯片并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。

  RF组件被集成到RF前端模块中,该RF前端模块处理发送/接收功能。前端模块包括多个组件,包括功率放大器、天线调谐器、低噪声放大器(LNA)、滤波器、射频开关。

  通常,功率放大器是基于砷化镓(GaAs)工艺,它是III-V化合物。功率放大器提供以保障信号到达目的地的足够功率。

  LNAs放大来自天线的小信号,而滤波器防止任何不需要的信号进入系统。LNAs和滤波器使用不同的工艺。

  这里的开关芯片和调谐器,都是基于RF SOI。RF开关将信号从一个组件路由到另一个组件,调谐器帮助天线调整到任何频带。


图1、一个简单的RF前端模块(来源:格罗方德,“用于下一代蜂窝和Wi-Fi交换机设计的RF SOI技术”,2016年5月)


图2、另一个射频前端模块(来源:意法半导体)

多年来,尽管智能手机增长有所放缓,但每部手机里的RF含量都有所增长。“在RF世界中,频段的数量不断增加。在手机本身一位数的增长情况下RF含量是两位数的增长,”格罗方德射频事业部高级副总裁Bami Bastani说。


  在无线系统中,无线电频谱被分成频带。几年前,运营商部署了2G和3G无线网络。2G频段有四个频段,3G有五个频段。

  最近,运营商已经部署了4G无线标准,称为LTE先进,它提供智能手机更快的数据速率。它也在手机世界中产生了频带分裂,许多国家分配了自己的频谱,因此LTE在不同国家以不同的频率在工作。事实上,今天的4G无线网络由40多个频带组成。4G不仅包含了2G和3G频段,而且还拥有多个4G频段。

  此外,移动运营商已经部署了一种称为载波聚合的技术。“这意味着你把这些频带放在一起,这样你可以有更多的下载能力。这也是频带数量上升的一个原因,因为你把它们都聚集起来了,”Bastani解释说。

  随着载波聚合的加入,越来越多频段的数量对RF市场产生了影响。首先,每部手机的RF部分随着频带数量的增加而增加。2000年一部手机中的RF组件为2美元。相比之下,今天的智能手机每台手机的射频组件在12到15美元之间,第一代5G智能手机每台将上升到18美元~20美元。

  为了处理频带的数量,今天的RF前端模块可以集成两个或更多个多模式、多频带功率放大器,以及多个开关和滤波器。“只要你有一个频带,就意味着你需要有一个过滤器和一个开关。通常,你把一组开关放在一个非常小的集成电路中,”Bastani说。“这些模块每个有20到30个元件,从射频SOI开关到功率放大器。”

  一般来说,今天的LTE手机主要使用两种天线,一种是主天线用于发送/接收功能,另一个分集天线用以提高手机的下行数据速率。


图3、4G的前端模块(来源:格罗方德,“用于下一代蜂窝和Wi-Fi交换机设计的RF SOI技术“,2016年5月)

      在操作中,信号到达主天线后,再移动到一个天线调谐器,这允许系统调整到任何频带。


  然后,信号移动到一系列RF开关中。智能手机可能包含10多个RF开关器件,这些开关将信号切换到适当的频带。从那里,信号移动到滤波器,接着是功率放大器。

  所有这些都给手机OEM制造商带来了巨大的挑战。功耗和尺寸是至关重要的,这就是制造商需要没有插入损耗的RF开关和良好隔离的原因。插入损耗导致信号功率的损失,如果开关没有良好的隔离,系统可能会遇到干扰。

  综上所述,智能手机的复杂性正在推动对射频组件的需求,尤其是开关和调谐器。“需求是由手机和物联网设备中RF开关的增加所驱动的,它们主要是通过RF SOI工艺制造的,”Tower JazzRF /高性能模拟业务部门高级副总裁兼总经理Marco Racanelli说。

  “例如,每一代新手机需要支持越来越多的频段和标准,并且每一个都需要通过RF SOI组件来切换电路的滤波器,RF SOI也用于WiFi中的接收和交换功能,以及在天线调谐器中改善接收效果,”Racanelli说。“天线数量的增加有助于这一趋势,多样性天线现在更加普遍。MIMO(多输入多输出)天线正在被采用,每个都需要额外的RF开关来帮助指挥运行。”

  压力下的供应链

  跟踪RF供应链是另一个挑战。例如,功率放大器是由GaAs供应商生产的。这些供应商也设计其他类型的RF器件。他们中的许多使用传统的RF CMOS工艺,而不是RF SOI。

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

  RF SOI开始于专门的高电阻率衬底的生产。在衬底中,陷阱富集层夹在晶片和掩埋氧化物层之间。陷阱富集层复原了衬底的高电阻率特性,这有助于减少插入损耗并提高系统的线性度。


图4:射频SOI衬底(来源:Soitec)

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

  另外两个供应商,Shin-Etsu(信越)和GlobalWafers,生产基于Soitec技术的200mm和300mm的RF SOI衬底。此外,中国的新傲(Simgui)生产200mm射频SOI衬底。

  不管是200mm还是300mm衬底,供应都很紧张。“RF SOI衬底的产能正在经历一个瓶颈(阶段),“Soitec的Piliszczuk说。“(2019)当我们的合作伙伴Simgui能获得更多的200mm产能和合格率时,这一情况将得到改善。一切正在进行中。”

  300mm的情况也会随着时间的推移而改善。“随着需求的增长,三家供应商-Soitec,信越和GlobalWafers都将保持增长的势头,”他说。“这种情况将朝改善前进。从2019年开始,所有的需求都应该被覆盖。”

  不过,代工厂希望能更快的解决300mm射频SOI衬底产能问题,分析人士说,衬底供应商愿意增加更多的产能,但前提是有更多的需求,并且行业愿意帮助它。

  因此,目前300mm的衬底供应是有限的,除此之外,该技术的价格比200mm高2.7~3倍,高出300mm的平均价格。

  然而,许多成本敏感的客户希望300mm的RF SOI衬底成本能够做到与200mm相当。分析人士说,许多客户可能不愿意更快地迁移到300mm,至少在近期是如此。

  “在市场上,对射频SOI的需求越来越大,”联华电子企业管理副总裁Walter Ng说。“市场需要更多的产能,他们需要更多的单位(units)。但问题是产能需求继续与此相反。”

  在某种程度上,该行业可能需要重新审视供应链。“这个行业有机会发展业务,支持市场需求。整个供应链如何到达的模式正在制定中,”Ng说。

  一旦RF SOI衬底生产出来,它们被送到代工厂,加工成RF开关芯片、天线调谐器和其他产品以供客户使用。

  在代工厂的RF开关和天线调谐器使用传统CMOS工艺来建造。芯片使用的是传统的蚀刻、沉积加工、光刻等步骤。

  今天的手机射频SOI芯片是200mm的代工厂制造的。事实上,绝大多数RF开关和其他产品将保持在200mm水平。“今天,大部分的射频SOI是8英寸。射频SOI,正在从180nm工艺移动到130nm和110nm工艺。其中一些已经转移到12英寸,”Ng说。

  目前,世界上95%的RF SOI芯片都是在200mm的Fab中制造的。格罗方德,TowerJazz,联华电子、索尼、中芯国际、台积电、HHGrace和意法半导体都具有200mm RF SOI Fab产能。

  大的代工厂开始生产300mm射频SOI, 格罗方德,TowerJazz,台积电和联电都已进入300mm阵营。这些工艺包括从130nm到45nm。

  然而,300mm不能解决整个RF SOI产能不足问题。300mm的产能主要是针对高端的5G系统,从中调配一定产能分配给4G手机。

  300mm的射频SOI是针对5G的需求。随着毫米波技术在工程中的应用,最初的5G网络将在2019年的子6GHz频率范围内部署。

  对于射频SOI,300mm具有超过200mm的几个优点, “300mm提供更多的工艺控制和全自动化(在Fab),“格罗方德的Bastani博士说。“终端用户对产品的耐受性、重复性和成品率优于200mm。”

  在200mm的RF SOI中,芯片不是所有的互连层都是基于铝的。铝互连是便宜的,但它们有更高的电容。“当你移动到300mm世界时,互连线是铜的。这些射频产品需要有无源元件如电感。所以,一个优点是我们做的是厚厚的铜导线,”Bastani说。“真正的价值是当你到达顶部两层的时候,它离表面有很多微米,电感器和衬底上面厚厚的铜线之间没有任何干扰或耦合。”

  集成是300mm最大的优势。第一代5G手机将拥有与当今4G系统类似的RF前端架构。然而,对于5G来说,最大的不同在于OEM希望将单独的RF开关和LNA集成到单个器件中。

  对于LNA开关集成,200mm不适合,而300mm较适合。“集成化是把开关和LNA放在一起,”他说。“我们将LNA的几何结构做到55nm的范围内。这不是全部,开关在130nm和180nm处是非常满意的。低噪声放大器是一种非常快速,低噪音的器件。你不能在一个200mm生产线上做55nm。”

  还有其他的好处。例如,格罗方德在300mm线上生产45nm射频SOI。“它将开关的性能提高了30%或40%,它把LNA的性能提高了20%到30%,“他说。 “它减少了面积,改善了噪音。”

  也有设计方面的考虑。“在传统体系结构中,LNA集成在收发器内部,”台积电业务发展副总裁B.J. Woo说。“但对于5g,信号质量是十分重要的。因此,LNA需要放在尽可能靠近天线的地方以使信号质量最好。为了实现这一点,我们使用RF SOI集成开关和低噪声放大器。”

  随着时间的推移,5G还将在毫米波段中工作。这涉及到在30 GHz和300 GHz之间的频谱带。“RF架构将需要被修改以覆盖其中的频带。为了实现这一点,RF收发器将包含中频或中频收发器和带有CMOS基毫米波射频前端模块的下变频器,”Woo说。


图5、格罗方德的2018毫米波5G波束形成系统(来源:格罗方德)

“RF部分将增长以适应5G手机RF复杂度的增加,由于用来实现这一不断增加的RF量的空间有限,解决方案的面积大小是一个优先项。这样不仅仅是继续增加的集成度,不仅仅是大小,而且还有性能。在试验过程中可以看到分立器件的5G解决方案,但将很快直接跳到高阶RF前端模块,其中包括PA、滤波、开关和LNA功能,” Qorvo的移动5G业务发展总监Ben Thomas说。


  “当我们到达5G时,可能会有更多的波段应用于该区域,如n77、n78和n79,它们将在全球范围内以不同的组合部署。5G手机将利用更复杂的调谐和天线丛来管理双上行链路和增加MIMO配置的复杂特性,所有这些都旨在提高数据速度。所有这些结合CA组合的多倍增加导致天线调谐更多,更复杂的滤波,更多的开关和更多的射频前端模块,这些功能与功率放大器相结合,更多的开关和射频前端模块的功能与功率放大器相结合。简而言之,需要更多的RF来传送5G承诺的更多的数据,”Thomas说。

  300mm RF SOI竞争

  与此同时,代工厂正在扩大RF SOI产能。格罗方德是RF SOI的领导者,它的两个Fab——East Fishkill,N.Y.和新加坡(River SoI)正在加快扩充300mm的RF SOI产能,工艺包括130nm和45nm。

  有一段时间,格罗方德已经在两个工厂——佛蒙特州伯灵顿和新加坡运行200mm RF SOI。 “投资上下产业链是当务之急,我们也投资200mm的产能,”格罗方德的Bastani博士说。

  与此同时, TowerJazz,200mm RF SOI发货已经开始。公司正在加大其在日本Fab的300mmRF SOI产能,其工艺是基于65nm,虽然Fab能够做45nm。

  联华电子和台积电已经出货200mm RF SOI一段时间了,也在计划进入300mm的竞争。

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