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行業動態

RF SOI戰爭打響

來源:本文由公眾號 半導體行業觀察(ID:icbank)翻譯自semiengineering, 作者 Mark LaPedus,謝謝。

 

 

5G正在推動對300mm和200mm晶圓產能的需求。二者都供不應求。

 

由于智能手機對RF SOI工藝芯片有著巨大需求,幾家代工廠都在擴大其RF SOI工藝的產能。

 

許多代工廠都在擴大其200mm RF SOI晶圓廠產能,以滿足急劇增長的需求。GlobalFoundries,TowerJazz,臺積電和聯電正在擴大300mm RF SOI晶圓產能,以迎接5G,爭搶第一波RF業務。

 

RF SOI是專門用于制造智能手機和其他產品中的特定射頻芯片(如開關和天線調諧器)的專用工藝。RF SOI是絕緣體上硅(SOI)技術的RF版本,與用于數字芯片的全耗盡型絕緣體上硅(FD-SOI)不同。

 

隨著5G的到來,對RF SOI提出了更多需求。簡單地說,無線網絡中頻帶的數量增加了。因此,OEM廠商必須在智能手機中增加更多RF元件,例如基于RF SOI的射頻開關,以解決這些頻帶的復雜性及其他問題。

 

反過來,這對于許多射頻芯片,特別是基于RF 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供應鏈都供不應求,導致多方面的短缺。

 

FD-SOI和RF SOI襯底供應商Soitec公司的客戶和營銷執行副總裁Thomas Piliszczuk表示:“整個供應鏈都非常緊張,我們正在經歷一段需求超出生態系統提供能力的時間。”

 

這個領域的主要問題包括:

 

• RF SOI必需Soitec及其他公司生產的200mm或300mm晶圓襯底。但供應商無法跟上200mm晶圓的襯底需求,300mm的產能就更有限了。

 

• Soitec和其他公司將RF SOI襯底出售給代工廠,后者使用它來加工射頻芯片。代工廠商擁有200mm RF SOI晶圓產能,但仍然無法跟上需求。

 

• 幾家代工廠正在增產300mm RF SOI晶圓,但產能仍有限。全球大約5%的RF SOI晶圓產能是300mm的,但到2019年比例應該會增加到20%。

Piliszczuk表示:“目前的形勢很嚴峻,因為需求非常強勁,而且正在加速。甚至第一代5G——Sub-6 GHz技術也在加速。所有這些都產生了更多的需求。我們將在接下來的幾個季度內解決。”

 

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晶圓,比2017年增長15%~20%。預計到2020年,這一數字將超過200萬片。

 

RF SOI適用在哪里? 

 

 

采用RF SOI工藝的芯片針對各種應用,但最大市場是手機中的射頻前端模塊。Gartner預計,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年智能手機銷量將以5%的速度增長。

 

RF SOI芯片不是手機中唯一使用的器件。智能手機由數字芯片和射頻芯片組成,另外還包括電源管理芯片?;贑MOS的數字部分由應用處理器和其他器件組成。

 

射頻組件集成在射頻前端模塊中,該模塊負責處理傳輸/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,功率放大器基于砷化鎵(GaAs),它是一種III-V族化合物。功率放大器為信號提供功率,使之到達目的地。

 

LNA用于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。LNA和濾波器使用不同的工藝。

 

同時,開關芯片和調諧器基于RF SOI。RF開關將信號從一個組件傳送到另一個組件,調諧器可幫助天線調整到任何頻段。

 

圖1:一個簡單的前端模塊(來源:Globalfoundries),“利用RF SOI設計下一代蜂窩和Wi-Fi開關”,Technology,2016年5月。

 

圖2:另一個RF前端模塊。(來源:意法半導體)

 

近年來,盡管智能手機增長出現了放緩態勢,但每部手機的RF內容都有所增長。 GlobalFoundries射頻業務部門高級副總裁Bami Bastani表示:“在RF世界中,頻段數量不斷增加。因此,我們在射頻方面的增長率是兩位數,而手機本身的增長率是一位數。”

 

在無線通信系統中,射頻頻譜被分為多個頻段。運營商部署的2G和3G網絡中,2G有四個頻段,3G有五個頻段。

 

最近,運營商部署了名為LTE Advanced的4G網絡,該標準為智能手機提供更快的數據速率。它還造成了蜂窩網絡的頻帶碎片化。許多國家已經分配了自己的頻譜,所以,現在LTE在不同國家工作在不同頻率上。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4G頻段。

 

另外,移動運營商已經部署了一項稱為載波聚合的技術。Bastani解釋說:“這意味著你將這些頻段放在一起,這樣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了一起。”

 

越來越多的頻段,加上載波聚合,已經影響了射頻市場。首先,由于頻帶數量龐大,每部手機的RF器件正在增加。2000年,手機中的射頻器件成本為2美元。相比之下,今天的每部智能手機的射頻器件成本在12~15美元之間,第一批5G智能手機的射頻器件成本將從18美元上漲到20美元以上。

 

為了應對如此多的頻段,今天的RF前端模塊可能集成了兩個或更多的多模多頻功率放大器,以及多個開關和濾波器。Bastani表示:“任何時候,你有了一個頻段,便意味著需要有一個濾波器和一個開關。通常,你希望把一堆開關放在一個非常小的集成電路中,但是,如果你看看這些模塊,其中有20~30個組件,包括濾波器、RF SOI開關和功率放大器。”

 

通常,今天的LTE手機有兩個天線——主天線,分集天線。主天線用于發送/接收信號。分集天線可以提高手機中的下行數據速率。

 

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

 

在運行中,信號到達主天線。然后傳輸到天線調諧器,從而使系統可以調整到任何頻段。

 

然后信號進入一系列射頻開關。智能手機可能包含10余個射頻開關器件。這些器件將信號切換到適當的頻段。信號從這里進入濾波器,然后是功率放大器。

 

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廠商希望射頻開關沒有插入損耗,且要有良好隔離的原因。插入損耗涉及到信號功率的損失。如果開關沒有良好的隔離效果,系統可能會遇到干擾。

 

總之,智能手機的復雜性正在推動對射頻元件的需求,尤其是開關和調諧器。TowerJazz射頻/高性能模擬業務部門高級副總裁兼總經理Marco Racanelli表示:“需求是由手機和物聯網設備的射頻開關數量和功能的增加所驅動的,而這些器件主要使用RF SOI制造。”

 

“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,并且每個手機都需要多個濾波器,這些濾波器通過RF SOI元件來開關電路。RF SOI也被用于WiFi接收和開關功能,以及用于改善接收效果的天線調諧器。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)天線正在采用,每個天線都需要額外的射頻開關來幫助導流。”

 

壓力下的供應鏈 

 

 

跟蹤射頻供應鏈是另一個挑戰。例如,功率放大器是由選定的GaAs供應商生產的。這些和其他供應商也設計其他類型的射頻設備。其中許多使用傳統的RF CMOS工藝,而不是RF SOI。

 

一般來說,RF開關和天線調諧器都是基于RF SOI。在許多情況下,這些芯片是由代工廠制造的。

 

RF SOI始于生產一種特殊的高電阻率基板。在襯底中,晶圓與掩埋氧化物層之間夾有trap-rich層。trap-rich層可以恢復襯底中的高電阻率屬性,從而降低插入損耗并提高系統的線性度。

 

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晶圓襯底。

 

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

 

200mm和300mm晶圓的襯底供應都很緊張。Soitec的Piliszczuk表示:“RF SOI襯底容量正在經歷一個瓶頸(階段)。2019年,我們的合作伙伴Simgui將有更多的200mm晶圓產能,并獲得認證,這將會緩解緊張態勢。目前一切正在進行中。”

 

隨著時間的推移,300mm晶圓的情況也會有所改善。“隨著需求的不斷增長,三家供應商Soitec,Shin-Etsu和GlobalWafers都在不斷增加產能。”他說,“這種情況將會繼續發展。從2019年開始,所有的需求都應該被覆蓋。”

 

盡管如此,代工廠還是希望能夠提供更多的300mm RF SOI晶圓襯底產能。分析師表示,基板供應商愿意增加更多產能,但前提是需求增加且行業愿意為其提供資金。

 

目前,300mm晶圓基板的供應是有限的。這項技術的價格要比200mm高2.7~3倍,高于300mm的平均價格。

 

但是,許多成本敏感的客戶都希望300mm RF SOI晶圓襯底的成本與200mm相當。分析師表示,至少在短期內,許多客戶可能不愿意加快向300mm遷移。

 

聯電業務管理副總裁Walter Ng表示:“在市場上,RF SOI的產能需求不斷增長。市場需要更多的能力。他們需要更多的器件。但問題是,產能需求依然得不到滿足。”

 

在某種程度上,行業可能需要重新審視供應鏈。Ng表示:“業界有機會發展業務并支持市場需求。整個供應鏈的實現模式正在制定中。”

 

一旦RF SOI襯底制造完成,它們就會被運送到代工廠,并基于它們加工出RF開關芯片,天線調諧器和其他產品。

 

晶圓代工廠中,射頻開關和天線調諧器采用傳統的CMOS工藝制造。芯片使用傳統的蝕刻、沉積、光刻和其他步驟進行處理。

 

對于今天的手機,RF SOI芯片在200mm晶圓廠制造。事實上,絕大多數射頻開關和其他產品將保持在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遷移。其中一些已經遷移到12英寸。”

 

今天,世界上95%的RF SOI芯片都是在200mm晶圓廠制造的。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。

 

較大的代工廠正在生產300mm RF SOI晶圓。GlobalFoundries、TowerJazz、臺積電和聯電都在300mm陣營。工藝范圍從130nm到45nm不等。

 

然而,300mm晶圓并不能解決整個RF SOI產能的問題。300mm產能主要針對高端5G系統,其中一些產能分配給當今的4G手機。

 

盡管如此,300mm RF SOI晶圓是5G的一項要求。最初,5G網絡將在2019年部署在sub-6GHz頻率,其中將應用毫米波技術。

 

對于RF SOI,300mm晶圓相比于200mm有幾個優點。GlobalFoundries的Bastani表示:“晶圓廠中,300mm提供了更多的過程控制和完全自動化。最終客戶產品的公差、可重復性和良品率優于200mm的。”

 

在200mm的RF SOI晶圓中,芯片中的一些(不是所有的)互連層都基于鋁。鋁互連價格便宜,但電容也更高。Bastani 表示:“當你遷移到300mm的世界,就是銅互連層。這些RF產品需要具有無源元件,如電感器。所以,我們的強項之一是做粗銅線。當你到達頂部的兩層時,這里距離表面有很多微米遠,此時真正的價值就體現了?,F在,你的電感和頂部厚銅線之間沒有任何干擾或耦合。”

 

集成度是300mm晶圓最大的優勢。第一波5G手機將擁有與今天4G系統類似的射頻前端架構。但對于5G來說,最大的區別在于,OEM廠商希望將單獨的射頻開關和LNA集成到一個器件中。

 

對于LNA開關集成,200mm晶圓無能為力,這是300mm的適用范圍。Bastani表示:“大的趨勢就是把開關和LNA放在一起。我們正在將LNA的制造工藝推進到55nm,但這不是全部。開關在130nm和180nm處都非常合適。LNA是一種非??焖?、低噪音的器件。不能在200mm晶圓上做55nm。”

 

還有其他的好處。例如,GlobalFoundries發布300mm的45nm RF SOI。Bastani表示:“它能將開關的性能提高30%~40%。將LNA的性能提升20%~30%。它減少了占用面積并改善了噪聲。”

 

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

 

隨著時間的推移,5G也將工作在毫米波波段。這涉及到30 GHz~300 GHz之間的頻段。Woo表示:“RF架構需要修改,以覆蓋其中一個頻段。為此,RF收發器將把IF或中頻收發器和下變頻器與一個基于CMOS的毫米波RF前端模塊結合在一起。”

 

圖5:GlobalFoundries 2018 毫米波5G波束形成系統。(來源:Globalfoundries)

 

Qorvo移動5G業務開發總監Ben Thomas表示:“RF器件及功能將隨著5G手機射頻復雜度的增加而增加。由于實現這種增長的RF空間有限,因此解決方案的尺寸是優先考慮的問題。由此,集成度將會繼續提升,不僅僅是為了尺寸,也為了性能。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PA、濾波、開關和LNA功能的高級RF前端模塊。”

 

Thomas表示:“當我們進入5G時代時,根據地區的不同,可能會有更多的頻段,比如n77,n78和n79,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復用功能來管理雙上行鏈路并增加MIMO配置的復雜特性,所有這些都旨在提高數據速度。所有這些與CA組合的多倍增加結合在一起導致了更多的天線調諧,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。簡而言之,需要在RF方面做更多的事情來傳送5G承諾的海量數據。”

 

300mm RF SOI競賽 

 

 

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——紐約East Fishkill和新加坡推出300mm RF SOI晶圓。包括130nm和45nm工藝。

 

一段時間以來,GlobalFoundries一直在兩座晶圓廠——佛蒙特州Burlington和新加坡生產200mm RF SOI晶圓。GlobalFoundries的Bastani表示:“在供應鏈上下游投資是優先考慮的事情。我們還在投資200mm的產能。”

 

與此同時,TowerJazz出貨200mm RF SOI晶圓已經有一段時間。該公司正在日本的晶圓廠增加300mm RF SOI晶圓產能。該工藝基于65nm,盡管該晶圓廠能夠達到45nm。

 

聯電和臺積電出貨200mm RF SOI晶圓已經有一段時間,也計劃進軍300mm的競賽。

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