今年9月，新傲科技協(xié)同SOI國際產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等聯(lián)合舉辦的第六屆國際RF-SOI論壇在上海舉行。六年來，SOI領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用取得了重大突破，回顧歷屆主題，從最開始的探討SOI在集成電路特征尺寸逼近物理極限的情形下的差異化競爭優(yōu)勢及歷史機(jī)遇，到產(chǎn)業(yè)充分認(rèn)識到SOI在射頻領(lǐng)域的優(yōu)勢后，開始探討這一技術(shù)在5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興市場的應(yīng)用。來自RF-SOI領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)袖和技術(shù)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(rèn)識到SOI技術(shù)在5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、汽車電子等領(lǐng)域應(yīng)用的差異化競爭優(yōu)勢，并積極投入SOI生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)之中。
RF-SOI日趨成熟，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展迅猛
隨著智能設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)，對器件內(nèi)射頻系統(tǒng)的性能和復(fù)雜度都大幅提升。采用RF-SOI工藝，能做到提高襯底絕緣性，降低襯底寄生效應(yīng)，擁有良好的射頻性能，與III-V相近，同時可提供同一顆芯片上的集成邏輯控制。
如今RF-SOI技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟且獲得越來越多的應(yīng)用。襯底方面，從200mm到300mm，目前主要有法國Soitec、日本信越（ShinEtsu）半導(dǎo)體、臺灣環(huán)球晶圓和上海新傲科技（Simgui）四家供應(yīng)商。根據(jù)Soitec的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2018年整個行業(yè)將出貨150萬~160萬片等效200mm RF-SOI襯底，比2017年增長15％~20％。預(yù)計(jì)到2020年，這一數(shù)字將超過200萬片。
作為SOI襯底的主要供應(yīng)商，法國Soitec是“Smart Cut”的擁有者，已實(shí)現(xiàn)SOI晶圓的高良率成熟量產(chǎn)，可提供8英寸和12英寸的RF-SOI襯底，產(chǎn)品范圍包括數(shù)字應(yīng)用產(chǎn)品如FD-SOI、光電-SOI和Imager-SOI；通信和功率應(yīng)用產(chǎn)品如RF-SOI和功率-SOI。如今，全球基本100%的智能手機(jī)都在應(yīng)用Soitec的RF-SOI技術(shù)。Soitec公司通信和功率電子業(yè)務(wù)部執(zhí)行副總裁Bernard Aspar表示，目前為止，RF-SOI工藝主要用于智能手機(jī)的射頻開關(guān)與天線調(diào)諧器等設(shè)計(jì)，但是5G為RF-SOI提供了更廣泛的應(yīng)用空間。每項(xiàng)技術(shù)都要求合適的襯底——即便我們正在著手5G領(lǐng)域的Sub-6-GHz基礎(chǔ)設(shè)施搭建，4G網(wǎng)絡(luò)仍有許多技術(shù)需要我們?nèi)ネ晟啤?/p>
此外，信越半導(dǎo)體于97年獲得“Smart Cut”授權(quán)后，開始供應(yīng)FD-SOI襯底。臺灣環(huán)球晶圓則主要提供4英寸、5英寸、6英寸襯底，并有少量8英寸襯底。
國內(nèi)成立于2001年的新傲科技以研發(fā)和制造SOI材料為目標(biāo)，一直耕耘SOI材料，公司研發(fā)的SOI材料現(xiàn)可滿足當(dāng)今世界主流IC生產(chǎn)線的要求，并已廣泛應(yīng)用于射頻器件、汽車電子、MEMS、光電子等領(lǐng)域，是國內(nèi)領(lǐng)先的高端硅基材料供應(yīng)商。在目前全球SOI產(chǎn)能緊缺的情況下，新傲科技作為全球SOI材料的主要供應(yīng)商，通過自主研發(fā)和海外合作，已經(jīng)具備提供5G SOI材料的能力。新傲科技總經(jīng)理王慶宇博士表示，受益于5G通訊產(chǎn)業(yè)爆發(fā)對射頻前端模塊的大量需求，RF-SOI將迎來新一波供不應(yīng)求的熱潮。為了支持國內(nèi)和全球SOI產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，新傲科技正在積極擴(kuò)展8英寸SOI生產(chǎn)線的產(chǎn)能，計(jì)劃到2019年下半年完成年產(chǎn)40萬片的產(chǎn)能擴(kuò)展。同時，新傲科技還在規(guī)劃12英寸SOI生產(chǎn)線，為未來毫米波射頻器件和FD-SOI做好準(zhǔn)備。
在晶圓代工方面，包括格芯、TowerJazz、臺積電、聯(lián)電、意法半導(dǎo)體以及國內(nèi)的中芯國際、華虹宏力正在擴(kuò)大各自的RF-SOI晶圓產(chǎn)能，以迎接5G，爭搶第一波RF業(yè)務(wù)。此外，格芯、TowerJazz、臺積電、聯(lián)電還能提供300mm RF-SOI晶圓，工藝范圍從130nm到45nm不等。
例如格芯推出了基于130nm節(jié)點(diǎn)的8SW射頻開關(guān)制造工藝，是業(yè)內(nèi)第一個300mm RF-SOI代工平臺。8SW開關(guān)采用銅互聯(lián)，降低了開關(guān)速度，提升了功率容量，滿足5G Sub-6GHz的應(yīng)用需求。另外，近期TowerJazz宣布其65nm RF-SOI技術(shù)已在位于日本魚津的300mm工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了RF-SOI的市場潛力。
在設(shè)計(jì)應(yīng)用方面，由于相比傳統(tǒng)的GaAs和藍(lán)寶石上硅技術(shù)，RF-SOI可以同時提供優(yōu)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(guān)鍵器件之一，射頻開關(guān)芯片從2013年已經(jīng)舍棄原來的GaAs和SOS工藝，轉(zhuǎn)而采用低成本的RF-SOI工藝，并已成為4G手機(jī)開關(guān)類RF應(yīng)用的主流技術(shù)，其市占率已經(jīng)超過95%。同時，基于RF-SOI技術(shù)的射頻開關(guān)市場幾家國際廠商具有較大的領(lǐng)先優(yōu)勢，這些射頻廠商有充足的技術(shù)積累和市場優(yōu)勢。不過，國內(nèi)的廠商也在急起直追，慧智微等射頻器件廠商已有基于RF-SOI工藝的產(chǎn)品。
總體而言，國內(nèi)的RF-SOI的生態(tài)系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本形成，包括襯底材料、晶圓代工、射頻器件到系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整機(jī)。但產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不平衡，有的環(huán)節(jié)發(fā)展很快，有的環(huán)節(jié)還有待提高，需要產(chǎn)業(yè)各方共同努力，盡快形成可以支持5G射頻前端完整的產(chǎn)業(yè)鏈能力。
5G爆發(fā)前夜，RF-SOI賦能射頻技術(shù)變革
5G商用的腳步已經(jīng)越來越近，預(yù)計(jì)2019年，第一波5G移動通信系統(tǒng)將有望商用化并為消費(fèi)者提供低時延、強(qiáng)連接、高穩(wěn)定的特性，帶領(lǐng)全球走向“萬物互聯(lián)，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芯片需求增加，直接推動射頻前端芯片市場成長，Navian預(yù)測，2020年僅移動終端中射頻前端芯片的市場規(guī)模將達(dá)到212億美元，年復(fù)合增長率達(dá)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(zhàn)，例如對于Sub-6GHz頻段，由于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(shè)計(jì)難度也提出新的挑戰(zhàn)。
例如射頻功率放大器是發(fā)射系統(tǒng)中的重要部分，它將輸入的信號放大并輸出。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(shù)目會快速上升，成本增加，面積增大。這些挑戰(zhàn)在5G到來之后，會表現(xiàn)得更加強(qiáng)烈。
面對未來射頻前端的挑戰(zhàn)，慧智微電子開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于可重構(gòu)設(shè)計(jì)的AgiPAM?技術(shù)，結(jié)合使用新型RF-SOI技術(shù)，創(chuàng)造性地開發(fā)出射頻器件方面的可重構(gòu)顛覆性技術(shù)。據(jù)了解，這是一種智能行動技術(shù)，可以根據(jù)感知和決策的結(jié)果重新改造射頻器件，獲得優(yōu)化的通信連接，獲得更好的信息傳遞效果。
據(jù)慧智微電子介紹，其可重構(gòu)技術(shù)同時結(jié)合了高性能的射頻硬件，以及靈活的可配置軟件，完成多頻段、多模式射頻前端的設(shè)計(jì)。與當(dāng)前砷化鎵的多組功率器件的解決方案相比，AgiPAM?技術(shù)使用同一組器件便能夠在多個頻段和多種模式間復(fù)用，使得基于該技術(shù)的功率放大器產(chǎn)品具有尺寸小、支持頻帶多、低成本等特點(diǎn)。
圖：采用傳統(tǒng)架構(gòu)（上）與慧智微可重構(gòu)架構(gòu)（下）實(shí)現(xiàn)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(tǒng)方案至少采取3個射頻通路完成信號的放大，采用慧智微可重構(gòu)技術(shù)的4G手機(jī)射頻功放芯片，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(jié)省一個射頻通路。
進(jìn)入5G時代，傳統(tǒng)廠商需要將射頻套件增加到6路，而慧智微利用可重構(gòu)技術(shù)期待可將射頻通路個數(shù)保持在3路，甚至2路就能夠滿足對頻段的需求。與傳統(tǒng)方案下需要6個通路相比，無論是成本還是芯片尺寸都明顯減少。
事實(shí)上，在射頻前端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，先后有多家公司和研究單位進(jìn)行了可重構(gòu)射頻前端的研究，例如：
2003年，RFMD（后與Triquint合并更名為Qorvo）采用MEMS技術(shù)從事可調(diào)射頻功放的開發(fā)，未推出產(chǎn)品；
2005年起，Wispry采用MEMS技術(shù)從事可調(diào)射頻前端開發(fā)，未推出產(chǎn)品；
2010年左右，Paratek采用BST技術(shù)從事可調(diào)射頻功放的開發(fā)，未推出產(chǎn)品；
2013年，QualComm（美國高通公司）采用全RF-SOI工藝從事可重構(gòu)射頻前端“RF360”平臺，但因電流過高，高頻段功率功率不足，未大規(guī)模量產(chǎn)；
2014年，Peregrine（現(xiàn)并入Murata）在MWC展中，展出基于RF-SOI工藝的可重構(gòu)4G功放原型，Global 1。因技術(shù)原因，未能進(jìn)入量產(chǎn)；
2016年，Morfis基于RF-SOI工藝，在CES展中展出MORF90x，未進(jìn)入量產(chǎn)。
可見，可重構(gòu)射頻前端原理聽起來很簡單，但是要實(shí)現(xiàn)卻并不容易。
在這方面，慧智微走在了全球前列，成為可重構(gòu)射頻前端的領(lǐng)導(dǎo)者。據(jù)其開發(fā)可重構(gòu)射頻前端的經(jīng)驗(yàn)，要想實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)射頻技術(shù)需要能夠設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字模塊和模擬模塊，擁有良好的射頻性能，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、大批量的生產(chǎn)等基本的技術(shù)和要求。同時，可重構(gòu)射頻技術(shù)也對可調(diào)諧器件提出了特有的要求，例如大調(diào)諧范圍、小尺寸；合理的功率輸出范圍；合理的調(diào)諧電壓；能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制造能力的平面結(jié)構(gòu)等。
慧智微認(rèn)為，RF-SOI將是能滿足以上需求的最為適合設(shè)計(jì)生產(chǎn)可重構(gòu)射頻技術(shù)中可調(diào)諧器件的工藝技術(shù)。
從夢想到引領(lǐng)，慧智微構(gòu)建可重構(gòu)射頻前端領(lǐng)導(dǎo)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復(fù)雜。并且，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(gòu)的概念的重要性也將日益凸現(xiàn)。
成立于2011年11月11日，由數(shù)位留美歸來的技術(shù)專家創(chuàng)立的Smarter Micro（慧智微電子）在“創(chuàng)新引領(lǐng)者，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者”的夢想驅(qū)動下，開始了可重構(gòu)射頻前端產(chǎn)品的研究和開發(fā)工作。七年以來，慧智微電子基于可重構(gòu)架構(gòu)，開發(fā)和研制了數(shù)十款射頻前端產(chǎn)品。產(chǎn)品銷往世界多個國家及地區(qū)，出貨量達(dá)數(shù)千萬套。
2013年9月，成立兩年的慧智微團(tuán)隊(duì)就創(chuàng)造性地開發(fā)出射頻器件方面的可重構(gòu)顛覆性技術(shù)，公司的4G混合可重構(gòu)射頻前端平臺AgiPAM? 1.0研制成功，原型樣片S302完成國際一線大廠測試驗(yàn)證。這是全球第一家實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)多頻多模射頻前端技術(shù)并量產(chǎn)的芯片公司。其產(chǎn)品性能優(yōu)于國內(nèi)外各大廠商的同類產(chǎn)品，同時成本降低了一半多。2015年，基于該平臺的系列套片已實(shí)現(xiàn)每月百K級出貨量。2017年5月，慧智微推出了AgiPAM? 2.0平臺，今年AgiPAM? 3.0平臺也已研發(fā)成果并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。可重構(gòu)系列芯片的出貨已達(dá)數(shù)千萬。未來，慧智微電子的可重構(gòu)平臺，還可以擴(kuò)展至PAMiD（PA及開關(guān)、濾波器一體化模組）、LNA模組等多種射頻連接領(lǐng)域，隨著射頻前端復(fù)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(jiān)持擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)架構(gòu)，在性能、供應(yīng)鏈穩(wěn)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(chǎn)品，并被廣泛認(rèn)可。隨著產(chǎn)品不斷推出與升級迭代，慧智微陸續(xù)接到國內(nèi)外一系列廠商訂單，產(chǎn)品通過如中國移動通信、T-Mobile、Orange、Vodafone等一系列國內(nèi)外運(yùn)營商認(rèn)證。
對于射頻前端，可重構(gòu)可以提供極大的靈活性，為未來支持物聯(lián)網(wǎng)中的空口升級打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著“萬物互聯(lián)”時代的到來，物聯(lián)場景的無限增加，無線通信協(xié)議也會變得越來越復(fù)雜。目前，除了可重構(gòu)技術(shù)，慧智微已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)在開展可靈活多變的無線通信協(xié)議。
回顧七年創(chuàng)業(yè)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(gòu)射頻前端技術(shù)從夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，再從現(xiàn)實(shí)出發(fā)，步步超越，實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)。5G的到來，使得芯片上下游產(chǎn)業(yè)鏈看到了RF-SOI的巨大機(jī)會，慧智微電子將繼續(xù)加大在可重構(gòu)射頻前端芯片的開發(fā)，讓未來的無線互連更加智能。（校對/范蓉）
