從夢想到引領，RF-SOI賦能射頻技術變革

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文｜樂川

校對｜范蓉

圖源｜網路

集微網消息，今年9月，新傲科技協同SOI國際產業聯盟等聯合舉辦的第六屆國際RF-SOI論壇在上海舉行。六年來，SOI領域技術創新和應用取得了重大突破，回顧歷屆主題，從最開始的探討SOI在集成電路特徵尺寸逼近物理極限的情形下的差異化競爭優勢及歷史機遇，到產業充分認識到SOI在射頻領域的優勢後，開始探討這一技術在5G、物聯網、人工智慧等新興市場的應用。來自RF-SOI領域的行業領袖和技術專家也在逐年遞增，從最開始的200多位，增加到今年的近400位，證明越來越多的人開始認識到SOI技術在5G、物聯網、人工智慧、汽車電子等領域應用的差異化競爭優勢，並積極投入SOI生態系統建設之中。

RF-SOI日趨成熟

國內產業鏈進展迅猛

隨著智能設備、無線網路技術的演進，對器件內射頻系統的性能和複雜度都大幅提升。採用RF-SOI工藝，能做到提高襯底絕緣性，降低襯底寄生效應，擁有良好的射頻性能，與III-V相近，同時可提供同一顆晶元上的集成邏輯控制。

如今RF-SOI技術及產業鏈已經成熟且獲得越來越多的應用。襯底方面，從200mm到300mm，目前主要有法國Soitec、日本信越（ShinEtsu）半導體、台灣環球晶圓和上海新傲科技（Simgui）四家供應商。根據Soitec的數據，預計2018年整個行業將出貨150萬~160萬片等效200mm RF-SOI襯底，比2017年增長15％~20％。預計到2020年，這一數字將超過200萬片。

作為SOI襯底的主要供應商，法國Soitec是「Smart Cut」的擁有者，已實現SOI晶圓的高良率成熟量產，可提供8英寸和12英寸的RF-SOI襯底，產品範圍包括數字應用產品如FD-SOI、光電-SOI和Imager-SOI；通信和功率應用產品如RF-SOI和功率-SOI。如今，全球基本100%的智能手機都在應用Soitec的RF-SOI技術。Soitec公司通信和功率電子業務部執行副總裁Bernard Aspar表示，目前為止，RF-SOI工藝主要用於智能手機的射頻開關與天線調諧器等設計，但是5G為RF-SOI提供了更廣泛的應用空間。每項技術都要求合適的襯底——即便我們正在著手5G領域的Sub-6-GHz基礎設施搭建，4G網路仍有許多技術需要我們去完善。

此外，信越半導體於97年獲得「Smart Cut」授權後，開始供應FD-SOI襯底。台灣環球晶圓則主要提供4英寸、5英寸、6英寸襯底，並有少量8英寸襯底。

國內成立於2001年的新傲科技以研發和製造SOI材料為目標，一直耕耘SOI材料，公司研發的SOI材料現可滿足當今世界主流IC生產線的要求，並已廣泛應用於射頻器件、汽車電子、MEMS、光電子等領域，是國內領先的高端硅基材料供應商。在目前全球SOI產能緊缺的情況下，新傲科技作為全球SOI材料的主要供應商，通過自主研發和海外合作，已經具備提供5G SOI材料的能力。新傲科技總經理王慶宇博士表示，受益於5G通訊產業爆發對射頻前端模塊的大量需求，RF-SOI將迎來新一波供不應求的熱潮。為了支持國內和全球SOI產業鏈的發展，新傲科技正在積極擴展8英寸SOI生產線的產能，計划到2019年下半年完成年產40萬片的產能擴展。同時，新傲科技還在規劃12英寸SOI生產線，為未來毫米波射頻器件和FD-SOI做好準備。

在晶圓代工方面，包括格芯、TowerJazz、台積電、聯電、意法半導體以及國內的中芯國際、華虹宏力正在擴大各自的RF-SOI晶圓產能，以迎接5G，爭搶第一波RF業務。此外，格芯、TowerJazz、台積電、聯電還能提供300mm RF-SOI晶圓，工藝範圍從130nm到45nm不等。

例如格芯推出了基於130nm節點的8SW射頻開關製造工藝，是業內第一個300mm RF-SOI代工平台。8SW開關採用銅互聯，降低了開關速度，提升了功率容量，滿足5G Sub-6GHz的應用需求。另外，近期TowerJazz宣布其65nm RF-SOI技術已在位於日本魚津的300mm工廠實現量產，這進一步增強了RF-SOI的市場潛力。

在設計應用方面，由於相比傳統的GaAs和藍寶石上硅技術，RF-SOI可以同時提供優良的射頻性能和低廉的成本，作為移動智能終端前端模塊中的關鍵器件之一，射頻開關晶元從2013年已經捨棄原來的GaAs和SOS工藝，轉而採用低成本的RF-SOI工藝，並已成為4G手機開關類RF應用的主流技術，其市佔率已經超過95%。同時，基於RF-SOI技術的射頻開關市場幾家國際廠商具有較大的領先優勢，這些射頻廠商有充足的技術積累和市場優勢。不過，國內的廠商也在急起直追，慧智微等射頻器件廠商已有基於RF-SOI工藝的產品。

總體而言，國內的RF-SOI的生態系統和產業鏈已經基本形成，包括襯底材料、晶圓代工、射頻器件到系統設計和整機。但產業鏈發展不平衡，有的環節發展很快，有的環節還有待提高，需要產業各方共同努力，儘快形成可以支持5G射頻前端完整的產業鏈能力。

5G爆發前夜

RF-SOI賦能射頻技術變革

5G商用的腳步已經越來越近，預計2019年，第一波5G移動通信系統將有望商用化並為消費者提供低時延、強連接、高穩定的特性，帶領全球走向「萬物互聯，萬物智能」的時代。與此同時我們注意到，一方面多模多頻使得射頻前端晶元需求增加，直接推動射頻前端晶元市場成長，Navian預測，2020年僅移動終端中射頻前端晶元的市場規模將達到212億美元，年複合增長率達15.4%；另一方面，更高功率輸出、更高工作頻段對射頻器件性能和可集成能力提出了更高的挑戰，例如對於Sub-6GHz頻段，由於5G頻段的頻率更高、衰減多，未來可能還需射頻套件的輸出功率從原有的23dBm提升至26dBm，以支持更好的空間覆蓋，這對射頻器件的設計難度也提出新的挑戰。

例如射頻功率放大器是發射系統中的重要部分，它將輸入的信號放大並輸出。在以往的射頻前端解決方案中，每個頻段用一個單頻段功率放大器支持。隨著頻段增多，功率放大器數目會快速上升，成本增加，面積增大。這些挑戰在5G到來之後，會表現得更加強烈。

面對未來射頻前端的挑戰，慧智微電子開發的具有自主知識產權的基於可重構設計的AgiPAM技術，結合使用新型RF-SOI技術，創造性地開發出射頻器件方面的可重構顛覆性技術。據了解，這是一種智能行動技術，可以根據感知和決策的結果重新改造射頻器件，獲得優化的通信連接，獲得更好的信息傳遞效果。

據慧智微電子介紹，其可重構技術同時結合了高性能的射頻硬體，以及靈活的可配置軟體，完成多頻段、多模式射頻前端的設計。與當前砷化鎵的多組功率器件的解決方案相比，AgiPAM技術使用同一組器件便能夠在多個頻段和多種模式間復用，使得基於該技術的功率放大器產品具有尺寸小、支持頻帶多、低成本等特點。

圖：採用傳統架構（上）與慧智微可重構架構（下）實現的4G射頻前端方案對比

以4G時代為例，覆蓋全部頻段，Skyworks及Qorvo等傳統方案至少採取3個射頻通路完成信號的放大，採用慧智微可重構技術的4G手機射頻功放晶元，僅需要2路射頻通路就可以滿足所有4G頻段需求。相比Skyworks等競爭對手，至少可以節省一個射頻通路。

進入5G時代，傳統廠商需要將射頻套件增加到6路，而慧智微利用可重構技術期待可將射頻通路個數保持在3路，甚至2路就能夠滿足對頻段的需求。與傳統方案下需要6個通路相比，無論是成本還是晶元尺寸都明顯減少。

事實上，在射頻前端產業的發展過程中，先後有多家公司和研究單位進行了可重構射頻前端的研究，例如：

2003年，RFMD（後與Triquint合併更名為Qorvo）採用MEMS技術從事可調射頻功放的開發，未推出產品；

2005年起，Wispry採用MEMS技術從事可調射頻前端開發，未推出產品；

2010年左右，Paratek採用BST技術從事可調射頻功放的開發，未推出產品；

2013年，QualComm（美國高通公司）採用全RF-SOI工藝從事可重構射頻前端「RF360」平台，但因電流過高，高頻段功率功率不足，未大規模量產；

2014年，Peregrine（現併入Murata）在MWC展中，展出基於RF-SOI工藝的可重構4G功放原型，Global 1。因技術原因，未能進入量產；

2016年，Morfis基於RF-SOI工藝，在CES展中展出MORF90x，未進入量產。

可見，可重構射頻前端原理聽起來很簡單，但是要實現卻並不容易。

在這方面，慧智微走在了全球前列，成為可重構射頻前端的領導者。據其開發可重構射頻前端的經驗，要想實現可重構射頻技術需要能夠設計複雜數字模塊和模擬模塊，擁有良好的射頻性能，能夠實現低成本、大批量的生產等基本的技術和要求。同時，可重構射頻技術也對可調諧器件提出了特有的要求，例如大調諧範圍、小尺寸；合理的功率輸出範圍；合理的調諧電壓；能夠實現大規模製造能力的平面結構等。

慧智微認為，RF-SOI將是能滿足以上需求的最為適合設計生產可重構射頻技術中可調諧器件的工藝技術。

從夢想到引領，慧智微構建可重構射頻前端領導者之路

隨著5G時代更多頻段的引入，射頻前端需要支持的頻譜將更加複雜。並且，5G與4G/3G/2G的兼容，也給射頻前端提出了更多的要求。在這種情況下，射頻可重構的概念的重要性也將日益凸現。

成立於2011年11月11日，由數位留美歸來的技術專家創立的Smarter Micro（慧智微電子）在「創新引領者，行業領導者」的夢想驅動下，開始了可重構射頻前端產品的研究和開發工作。七年以來，慧智微電子基於可重構架構，開發和研製了數十款射頻前端產品。產品銷往世界多個國家及地區，出貨量達數千萬套。

2013年9月，成立兩年的慧智微團隊就創造性地開發出射頻器件方面的可重構顛覆性技術，公司的4G混合可重構射頻前端平台AgiPAM 1.0研製成功，原型樣片S302完成國際一線大廠測試驗證。這是全球第一家實現可重構多頻多模射頻前端技術並量產的晶元公司。其產品性能優於國內外各大廠商的同類產品，同時成本降低了一半多。2005年，基於該平台的系列套片已實現每月百K級出貨量。2017年5月，慧智微推出了AgiPAM 2.0平台，今年AgiPAM 3.0平台也已研發成果並實現量產。可重構系列晶元的出貨已達數千萬。未來，慧智微電子的可重構平台，還可以擴展至PAMiD（PA及開關、濾波器一體化模組）、LNA模組等多種射頻連接領域，隨著射頻前端複雜度的增加，未來還將帶來更多的收益。

一直以來，慧智微電子堅持擁有自主知識產權的可重構架構，在性能、供應鏈穩定、專利安全等多方面為客戶提供價值。2014年，慧智微電子開始向市場推出拳頭產品，並被廣泛認可。隨著產品不斷推出與升級迭代，慧智微陸續接到國內外一系列廠商訂單，產品通過如中國移動通信、T-Mobile、Orange、Vodafone等一系列國內外運營商認證。

對於射頻前端，可重構可以提供極大的靈活性，為未來支持物聯網中的空口升級打下堅實基礎。隨著「萬物互聯」時代的到來，物聯場景的無限增加，無線通信協議也會變得越來越複雜。目前，除了可重構技術，慧智微已經有團隊在開展可靈活多變的無線通信協議。

回顧七年創業歷程，慧智微秉承「化繁為簡，讓一切智慧互連」理念，著眼未來，將可重構射頻前端技術從夢想變為現實，再從現實出發，步步超越，實現引領。5G的到來，使得晶元上下游產業鏈看到了RF-SOI的巨大機會，慧智微電子將繼續加大在可重構射頻前端晶元的開發，讓未來的無線互連更加智能。

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