RF SOI的战争即将打响

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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。
 
 
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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。
 
 
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。
 
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图2:4G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。
 
 
 
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图3:射频SOI衬底 (资料来源:Soitec)
 
 
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。”
 
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图5:GlobalFoundries 2018 毫米波5G波束形成系统。(来源:Globalfoundries)
 
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。
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