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。基于CMOS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。

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

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。

在晶圓代工廠中，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。現在，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是一種非常快速、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。

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。