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RF-SOI技术在5G中的应用前景简析

5G不仅仅是4G的增量改进,它是移动通信技术的下一个重大演变,其系统性能将提升几个数量级以上。根据ITU的定义,5G的峰值速率可达10~20Gbit/s,用户的体验速率也能达到100Mbit/s~1 Gbit/s,延迟更是达到了毫米级别。相比之下,5G的数据吞吐量将是4G的100倍。


为满足上述愿景,5G的载波将涵盖众多高、低频段。根据3GPP R15版本的初步定义,5G主要包括两大频谱范围:1)6GHz以下(Sub-6GHz)频段,其范围为450MHz~6GHz,最大信道带宽100MHz;2)6GHz以上,主要是毫米波频段,最大信道带宽400MHz。业内一致认为高、低频谱之间可以优势互补,即毫米波频段连续大带宽频谱,可满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求,但是其覆盖能力较弱,难以实现全网覆盖,因此需要与Sub-6GHz的低频段联合组网,以解决网络连续覆盖的需求。因此,5G时代需要高、低频段协同发展,Sub-6GHz作为5G基础频段,毫米波频段作为重要的补充频段。


为了在国际博弈和竞争中获取有利地位,加快5G网络试验和商用的进程,各国纷纷着手为5G谋划频率资源(图1)。根据GSA 统计,截至2018年1月,全球共有113个运营商在56个国家开展或计划开展5G技术试验。

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图1全球5G频段部署


未来5G时代将有更多的频段资源被投入使用,一方面多模多频使得射频前端芯片需求增加,直接推动射频前端芯片市场成长。Navian预测,2020年仅移动终端中射频前端芯片的市场规模将达到212亿美元,年复合增长率达15.4%;另一方面,更高功率输出、更高工作频段对射频器件性能和可集成能力提出了更高的挑战。例如对于Sub-6GHz频段,由于5G频段的频率更高、衰减多,未来可能还需射频套件的输出功率从原有的23dBm提升至26dBm,以支持更好的空间覆盖,这对射频器件的设计难度也提出新的挑战。


RF-SOI在Sub-6GHz频段的应用机遇

射频SOI(RF-SOI)将延续其在4G应用的技术和市场优势,继续成为5G Sub-6GHz频段手机射频开关的主流解决方案,原因如下:


1) RF-SOI已经牢牢把控4G手机射频开关市场。

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图2 RF-SOI市场


相比传统的砷化镓(GaAs)和蓝宝石上硅(SOS)技术,RF-SOI可以同时提供优良的射频性能和低廉的成本。正是基于以上优势,作为移动智能终端前端模块中的关键器件之一,射频开关芯片从2013年已经舍弃原来的GaAs和SOS工艺,转而采用低成本的RF-SOI工艺。RF-SOI技术目前已经成为4G手机开关类RF应用的主流技术,其市占率已经超过95%(图2)。 


在Sub-6 GHz频段,5G将会在现有成熟的4G通信基础上延拓,因此,尽管复杂性会大幅度增加,5G使用的技术和设备将与4G类似。经过近5年的发展,基于RF-SOI技术的射频开关市场已经被Qorvo、psemi、Skyworks等IDM公司垄断。这些射频厂商有充足的技术积累和市场优势,这为RF-SOI技术快速切入5G Sub-6GHz频段应用打下了坚实的基础。


2)RF-SOI制造业已经开始进军5G。


为了满足5G超高的下行速率标准,相较于4G中最高支持5个20MHz的载波聚合,进入5G时代,载波聚合的数量可能会高达32个或者64个。这对手机射频开关的线性度等关键性能指标提出更高的要求。近几年,RF-SOI衬底的主要供应商Soitec公司一直致力于开发更高性能、更大尺寸的RF-SOI衬底,以满足未来5G的需求:Soitec已经开发出谐波水平(用于表征线性度的参量)低于-100dBm(输入功率为15dBm时)超高线性度的RF-SOI衬底材料,满足未来5G开关设计的需求(图3);当前,制造4G及以下射频开关使用的大都是200mm RF-SOI衬底,不能兼容最新的纳米级CMOS工艺,这影响了经济效益和器件性能的提高。因此,从2016年开始,Soitec公司就积极将RF-SOI衬底尺寸向主流的300mm升级。Soitec位于本土的Bernin 2厂已经开始大批量供应300mm大尺寸的RF-SOI衬底片,以满足TowerJazz、GlobalFoundries等代工厂更高节点的制造需求。


于此同时,在代工端,GlobalFoundries推出了基于130nm节点的8SW射频开关制造工艺,是业内第一个300mm RF-SOI代工平台。8SW开关采用铜互联,降低了开关速度,提升了功率容量,满足5G Sub-6GHz的应用需求。另外,近期TowerJazz宣布其65nm RF-SOI技术已在位于日本鱼津的300mm工厂实现量产,这进一步增强了RF-SOI的市场潜力。

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图3 RF-SOI的谐波水平(输入功率为900MHz)


分析可知,RF-SOI在4G手机射频开关应用中占有绝对的市场优势;而高性能、大尺寸的RF-SOI衬底制备和射频开关代工技术已经证明能够满足5G Sub-6 GHz应用的性能和产能需求,未来RF-SOI无疑将把持5G Sub-6GHz下的手机射频开关市场。


三、 RF-SOI在毫米波段的应用机遇

在毫米波段,由于频率较高,带宽较大,现有的RF-SOI衬底可能难以满足高性能独立射频开关的设计需求,以MACOM和pSemi为代表的射频厂商转而寻绝缘性更优的衬底解决方案,包括SOS和GaAs等(表1)。另外,基于MEMS和相变原理的创新型射频开关也是业内关注的热门技术,未来也可能颠覆射频开关产业。


尽管如此,由于具备高集成能力优势,RF-SOI在毫米波段仍具有应用潜力。


近日,格芯宣布了基于45nm节点RF-SOI(45RFSOI)产品的正式投放。45RFSOI产品具有较高的截止频率(fmax)(图4)、高线性度、改进的噪声隔离能力,可用于集成5G智能手机毫米波前端模块和波束赋形器,为实现5G射频芯片的全集成打下了良好的工艺基础。

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表1 MACOM和pSemi推出的应用于5G毫米波段的射频开关及其特性

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图4 格芯45RFSOI技术的fmax与其 28nm、40nm和65nm 体硅 CMOS技术的比较


四、 总结

从长远来看,手机通信将从2019年正式迎来5G时代,而5G毫米波技术将最早从2022年开始逐渐步部署(图5)。可以预见,未来五年甚至十年内RF-SOI技术在5G应用中的成长空间巨大。

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图5 基于空口标准的移动市场预测

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