5G正在推動對300mm和200mm射頻器件能力的需求。兩者都供不應求。

由於巨大的需求和智能手機技術的短缺，幾家代工廠正在擴大其射頻SOI工藝的晶圓廠產能。

許多代工廠正在增加其200mm射頻SOI晶圓廠產能以滿足急劇增長的需求。接下來，GlobalFoundries，TowerJazz，臺積電和聯電正在擴大或提高300mm工廠的射頻SOI工藝，這顯然是為下一代無線標準5G爭取第一波射頻業務。

RF SOI是專門用於製造智能手機和其他產品的選擇性射頻芯片（如開關設備和天線調諧器）的專用工藝。 RF SOI是絕緣體上硅（SOI，silicon-on-insulator）技術的RF版本，與用於數字芯片的完全耗盡SOI（FD-SOI）不同。

影響RF SOI有幾種發展動態。簡而言之，無線網絡中頻帶的數量有所增加。因此，OEM廠商必須在智能手機中增加更多RF元件，例如基於RF SOI的射頻開關，以解決這些頻段的複雜性以及其他問題。

反過來，這對許多射頻芯片，特別是基於射頻SOI工藝的射頻芯片造成了超出預期的需求。實際上，整個RF SOI供應鏈的需求超過供應，導致幾個方面的供應出現短缺。

“整個供應鏈非常緊張，”FD-SOI和RF SOI襯底供應商Soitec的客戶群和營銷執行副總裁Thomas Piliszczuk說。 “我們正在經歷一段時間，需求比生態系統能夠提供的要強。”

這個領域的重大問題包括：

•RF SOI從Soitec及其他公司生產的200mm或300mm襯底開始。但供應商無法跟上200mm的基材需求，300mm的產能受到限制。

Soitec和其他公司將射頻SOI襯底出售給代工廠，後者將其加工成RF芯片。代工廠商擁有200mm RF SOI的產能，但仍然無法跟上需求。

•幾家代工廠正在增加300mm射頻SOI，但產能有限。全球RF SOI產能的約5％在300mm以上，但到2019年應該增加到20％。

“今天情況緊張，因為需求非常強勁。需求正在加速。第一代5G sub-6 GHz技術甚至有所加速。所有這些都產生了更多的需求，“Piliszczuk說。 “我們將在接下來的幾個季度內克服它。”

根據Soitec的數據，整個行業預計2018年將出貨150萬到160萬個200毫米等效射頻SOI晶圓，比2017年增長15％到20％。預計到2020年，這一數字預計將超過200萬片。

RF SOI適合在哪裡應用？

採用射頻SOI工藝的芯片針對各種應用，但最大的市場是手機中的射頻前端模塊。 Gartner預測，到2018年全球手機出貨量將達到19億部，比2017年增長1.6％。根據Gartner的數據，2019年智能手機銷量將按5％的速度增長。

RF SOI芯片不是手機中唯一使用的器件。智能手機由數字和射頻芯片組成。基於CMOS的數字部分由應用處理器和其他器件組成。

射頻組件集成到一個射頻前端模塊中，後者處理發射/接收功能。前端模塊由多個組件組成，包括功率放大器，天線調諧器，低噪聲放大器（LNA），濾波器和射頻開關。

通常，功率放大器基於砷化鎵（GaAs），它是一種III-V化合物。功率放大器為信號到達目的地提供功率。

LNA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入系統。低噪聲放大器和濾波器使用各種工藝。

同時，開關芯片和調諧器基於RF SOI。 RF開關將信號從一個組件傳送到另一個組件，調諧器可幫助天線適應任何頻段。

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圖1：一個簡單的前端模塊。來源：Globalfoundries，“使用RF SOI設計下一代蜂窩和Wi-Fi開關”。

圖2

圖2：另一種RF前端模塊。來源：意法半導體

多年來，儘管智能手機出貨量出現下滑，但每部手機的RF內容都有所增長。 “在RF世界中，頻段數量不斷增加。因此，我們看到射頻方面的增長率為兩位數的成長空間領域，而手機本身的增長處於一位數的領域，“GlobalFoundries RF業務部高級副總裁Bami Bastani表示。

在無線系統中，無線電頻譜被劃分為頻段。幾年前，運營商部署了2G和3G無線網絡。 2G有四個頻段，3G有五個頻段。

最近，運營商已經部署了名為LTE Advanced的4G無線標準，該標準在智能手機中提供更快的數據速率。它也造成了蜂窩世界的頻帶出現碎片化。許多國家已經分配了自己的頻譜，所以現在LTE在不同國家的不同頻率上工作。事實上，今天的4G無線網絡包含40多個頻段。 4G不僅融合了2G和3G頻段，還融合了多個新增的4G頻段。

另外，移動運營商已經部署了一項稱為載波聚合（CA：carrier aggregation）的技術。 “這意味著你將這些頻段放在一起，這樣你就可以擁有更多的下載功能。這也是頻段數量上升的原因之一，因為你把它們聚合在一起，“Bastani解釋說。

越來越多的頻段，加上載波聚合，已經影響了射頻市場。首先，由於頻帶數量龐大，每部手機的RF內容正在增加。 2000年，手機中的射頻內容為2美元。相比之下，今天的智能手機每部手機的射頻內容價格在12美元至15美元之間，第一批5G智能手機的射頻內容的價格上漲到18美元至20美元以上。

然後，為了處理較多的頻段數目，今天的RF前端模塊可能集成了兩個或更多的多模多頻段功率放大器以及多個開關和濾波器。 “任何時候你有一個射頻頻段，這意味著你需要有一個濾波器和一個開關。一般來說，你把一堆開關放在一個非常小的IC中，“Bastani說。 “如果你看看這些模塊，其中有20到30個組件，從濾波器到RF SOI開關和功率放大器。”

通常，今天的LTE手機有兩個天線 - 主機天線和分集天線。主天線用於發送/接收功能。分集天線可以提高手機中的下行數據速率。

圖3

圖3：4G前端。來源：GlobalFoundries，“使用RF SOI設計下一代蜂窩和Wi-Fi開關”技術，2016年5月。

在操作中，信號到達主天線。然後移動到天線調諧器，從而使系統能夠適應任何頻段。

然後信號進入一系列射頻開關。智能手機可能包含10多個射頻開關器件。這些器件將信號切換到適當的頻段。從那裡，信號進入濾波器，然後是功率放大器。

所有這些都為手機OEM廠商帶來了重大挑戰。功耗和尺寸至關重要，這就是OEM廠商希望射頻開關具有無插入損耗和良好隔離的原因。插入損耗涉及信號功率的損失。如果開關沒有良好的隔離，系統可能會遇到干擾。

總而言之，智能手機的複雜性推動了對RF組件的需求，特別是開關和調諧器。 TowerJazz高級副總裁兼射頻/高性能模擬業務部門總經理Marco Racanelli表示：“需求受到手機和物聯網設備中射頻開關內容增加的驅動，這些設備主要採用內置RF SOI器件。

“例如，每一款新一代手機都需要支持越來越多的頻段和標準，並且每款手機都需要通過射頻SOI元件進入和退出電路的濾波器。 RF SOI也用於WiFi接收和切換功能，以及用於改善接收的天線調諧器，“Racanelli說。 “天線數量的增加也是導致這一趨勢的原因，現在分集天線更常見。而MIMO（多輸入多輸出）天線正在採用，每個天線都需要額外的射頻開關來幫助引導數據信息流量。“

壓力下的供應鏈

跟蹤RF供應鏈是另一個挑戰。例如，功率放大器由選定的一組砷化鎵供應商生產。這些和其他供應商也設計其他類型的射頻器件。其中許多使用傳統的RF CMOS工藝，而不是RF SOI的。

不過，一般來說，射頻開關和天線調諧器都是基於射頻SOI。在許多情況下，這些芯片由代工鑄造廠製造。

RF SOI開始生產專用高電阻率襯底。在襯底中，富含陷阱的層夾在晶片和掩埋氧化物層之間。富陷阱層可以恢復襯底中的高電阻率屬性，從而降低插入損耗並提高系統的線性度。

圖4

圖4：射頻SOI襯底，資料來源：Soitec

Soitec是射頻SOI襯底的最大供應商，擁有70％的市場份額。 Soitec生產200mm和300mm射頻SOI襯底。

其他兩家供應商Shin-Etsu和GlobalWafers也基於Soitec的技術生產200mm和300mm射頻SOI襯底。另外，中國的Simgui生產200mm射頻SOI襯底。

對於200毫米和300毫米的襯底，供應都很緊張。 “RF SOI襯底容量正在經歷一個瓶頸（階段），”Soitec的Piliszczuk說。 “（2019年）當我們的合作伙伴Simgui將有更多的200mm產能可用並獲得認證時，這將會有所改進。而這正在進行中。“

隨著時間的推移，300mm的情況也會有所改善。 “隨著需求的不斷增長，所有三家供應商Soitec，Shin-Etsu和GlobalWafers都在不斷增加產能。”他說。 “這種情況將會向前發展。從（2019年）開始，所有需求都應該被覆蓋。“

儘管如此，代工廠還是希望能夠提供更多的300mm射頻SOI襯底產能。分析師表示，基板供應商願意增加更多產能，但只有在需求增加且行業願意為其提供資金的情況下。

所以目前，300mm基板的供應是有限的。最重要的是，該技術的價格比200mm貴2.7至3倍，使得300mm工藝器件的平均價高。

但是，許多成本敏感的客戶都希望300mm射頻SOI襯底的成本與200mm相當。分析師稱，很多客戶可能不願意向300mm移動速度更快，至少在短期內。

“在市場上，RF SOI的容量需求不斷增長，”聯電業務管理副總裁Walter Ng表示。 “市場需要更多的產能。他們需要更多的器件。但問題是產能需求繼續受到打擊。“

在某個時候，行業可能需要重新審視供應鏈。 “業界有機會發展業務並支持市場需求。 Ng表示，整個供應鏈如何實現的模式正在制定中。

一旦射頻SOI襯底製造完成，它們就會被運送到代工廠，並將它們處理成RF開關芯片，天線調諧器以及其他客戶產品。

在工廠中，射頻開關和天線調諧器採用傳統的CMOS工藝製造。芯片使用傳統的蝕刻，沉積，光刻和其他步驟進行處理。

對於今天的手機，射頻SOI芯片是在200mm的工廠中生產的。事實上，絕大多數射頻開關和其他產品將保持在200mm。 “今天，大多數RF SOI都在8英寸。運行在180nm上的RF SOI正在向130nm和110nm移動。 Ng說，其中一些已經移動到12英寸。

今天，全球95％的射頻SOI芯片都採用200mm工廠製造。 GlobalFoundries，TowerJazz，聯電，索尼，中芯國際，臺積電，HHGrace和意法半導體均擁有200mm RF SOI晶圓廠產能。

較大的代工廠正在提供300mm射頻SOI。 GlobalFoundries，TowerJazz，臺積電和聯電都在300mm陣營中。這些廠家的工藝範圍從130nm到45nm。

然而，300mm並不能解決整體RF SOI容量緊縮的問題。 300mm產能主要針對高端5G系統，其中一些產能被分配給當今的4G手機。

儘管如此，300mm RF SOI是5G的一項要求。最初，5G網絡將在2019年部署在6GHz以下的頻率範圍內，其餘的將應用毫米波技術。

對於射頻SOI，300mm在200mm以上有幾個優點。 “300mm提供更多的工藝過程控制和全自動化（在晶圓廠），”GlobalFoundries'Bastani說。 “最終客戶的產品的公差，重複性和良品率優於200mm。”

在200mm射頻SOI中，芯片中的一些但不是全部互連層都基於鋁。鋁互連價格低廉，但也具有更高的電容。 “當你轉向300毫米的世界時，它就是銅。這些RF產品需要具有無源元件，如電感器。所以，我們的強項之一是我們做粗銅線，“Bastani說。 “真正的價值來自當你到達距表面多微米遠的頂層兩層時。現在，您的電感和頂部厚銅線之間沒有任何干擾或耦合。“

集成整合是300mm的最大優勢。第一批5G手機將擁有與當今4G系統類似的RF前端架構。但對於5G來說，最大的區別在於，OEM想要將單獨的射頻開關和LNA集成到一個設備中。

對於LNA開關集成，200mm不起作用，這就是300mm的適用範圍。“集成浪潮現在將開關和LNA集成到一起，”他說。 “我們正在將LNA的幾何形狀提升到55nm的領域。而這還不是全部。開關在130nm和180nm處都非常好。 LNA是一款非常快速，低噪聲的器件。你不能在200mm線上做55nm的器件。“

還有其他好處。例如，GlobalFoundries發佈300mm的45nm RF SOI。 “它將開關的性能再提高30％或40％。它將LNA的性能提高了20％到30％，“他說。 “它減少了佔地面積並改善了噪音。”

也有設計考慮。 “在傳統架構中，LNA集成在收發器內，”臺積電業務發展副總裁B.J. Woo表示。 “但對於5G而言，信號質量變得重要。因此，LNA需要儘可能靠近天線放置，以獲得最佳的信號質量。為了實現這一點，我們使用RF SOI來集成整合開關和LNA。“

隨著時間的推移，5G也將運行在毫米波段。這涉及30 GHz到300 GHz之間的頻譜帶。 “RF架構將需要修改以覆蓋這些毫米波頻段。為此，RF收發信機將把IF或中頻收發信機和下變頻器與一個基於CMOS的毫米波RF前端模塊結合起來，“Woo說。

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圖5：GlobalFoundries的2018毫米波5G波束成形系統。來源：Globalfoundries

“RF內容將隨著5G手機射頻複雜度的增加而增長。由於實施這種增加的承載RF量的空間有限，解決方案的規模是一個優先事項。有了這個，集成整合將繼續增加，不僅僅是規模，還有性能。 Qorvo移動5G業務開發總監Ben Thomas表示：“在試驗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集成PA，濾波，開關和LNA功能的高階RF前端模塊。

“當我們進入5G時，根據地區的不同，可能會有更多的頻段，比如n77，n78和/或79，這些頻段將以全球不同的組合部署。 5G手機將利用更復雜的調諧和天線複用功能來管理雙上行鏈路和增加MIMO配置的複雜性質，所有這些都旨在提高數據速率。所有這些與CA組合的多倍增加結合在一起導致更多的天線調諧，更復雜的濾波，更多的開關以及將這些功能與功率放大器結合的更多RF前端模塊。總之，需要更多的RF來實現提供更多數據的5G承諾，“Thomas說。

300mm RF SOI競賽

同時，代工廠正在擴大他們的RF SOI產能。 RF SOI領導廠商GlobalFoundries正在兩座晶圓廠East Fishkill，N.Y.和新加坡推出300mm射頻SOI。這些工藝包括130nm和45nm。

RFSOI工藝的好處

一段時間以來，GlobalFoundries一直在兩座工廠 - 紐約伯靈頓和新加坡運行200mm射頻SOI。 “在這個鏈條上下投資是一個優先事項。我們也在投資200mm的產能，“GlobalFoundries的Bastani說。

與此同時，TowerJazz已經出貨了200mm RF SOI一段時間。該公司正在日本的晶圓廠增加300mm RF SOI。該工藝基於65納米，儘管該工廠能夠達到45納米。

RF SOI的產品範圍

聯電和臺積電已經出貨200mm RF SOI一段時間，同時它們也計劃進入300mm競賽中。

（完）