根據(jù)IHS Markit獨立研究的《5G經(jīng)濟》報告2020年更新版，盡管全球經(jīng)濟受到疫情影響，但5G賦能的經(jīng)濟產(chǎn)出的增長趨勢幾乎保持不變。預計到2035年，5G將創(chuàng)造13.1萬億美元的全球經(jīng)濟產(chǎn)出，創(chuàng)造2280萬個工作崗位，全球5G資本支出和研發(fā)投入將增長10.8%，年均投入高達2650億美元。

迄今為止，全球已有超過45家OEM廠商已經(jīng)或即將宣布推出5G終端，超過50家運營商部署了5G商用網(wǎng)絡，超過345家運營商正在投資5G。從終端角度看，基于《IDC全球智能手機跟蹤報告》，IDC預測2020年全球5G手機出貨量約2.4億臺，而中國市場的貢獻將超過1.6億臺，占比約67.7%。在未來5年內(nèi)，中國也將持續(xù)占據(jù)全球約一半的市場份額。

被5G改變的交流方式

國際電聯(lián)（ITU）為5G定義了三大應用場景，即eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（海量機器類通信）和uRLLC（超可靠、低時延通信），并將6GHz以下（FR1）頻段和毫米波（FR2）頻段作為承載5G部署的核心。

目前來看，F(xiàn)R1頻段相對更加擁擠，除中國外，很少有國家能在6GHz以下為運營商分配100M以上的連續(xù)頻譜；毫米波頻段雖然覆蓋能力相對較弱，但豐富的頻譜資源可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，并顯著提高容量，對于充分釋放5G性能、容量、吞吐量的全部潛能而言至關重要。

因此，只有當網(wǎng)絡在高頻部署有毫米波、中頻部署有Sub-6GHz與LTE、低頻部署有2G與3G網(wǎng)絡，再配合多載波聚合技術時，整個5G網(wǎng)絡的速率、覆蓋、時延三項指標才能達到最優(yōu)。

圖1：部分國家在S和C頻段的頻譜分配（圖片來自Soitec）

圖2：部分國家/地區(qū)在mmWave頻段的頻譜分配（圖片來自Soitec）

Soitec射頻業(yè)務發(fā)展高級經(jīng)理Luis Andia在《RF-SOI優(yōu)化襯底 — 當代射頻和毫米波前端的核心》白皮書中也談到了這點，并指出，為了充分利用頻譜資源，5G在系統(tǒng)中引入了眾多針對新應用場景進行了高度優(yōu)化的技術，例如網(wǎng)絡切片、頻譜共享和共存、聚合帶寬高達1GHz的載波聚合、大規(guī)模MIMO和天線陣列系統(tǒng)、以及固定無線接入，小型基站和毫米波技術等等。

“這份清單并不完整，還會隨著新規(guī)范的發(fā)布而不斷發(fā)展，但從我們的角度來看，它代表了5G中實現(xiàn)的一些最具創(chuàng)新性的功能。”Luis Andia在接受《電子工程專輯》獨家專訪時表示，5G是材料提供商、代工廠、設計公司、封裝與測試、智能手機制造商、運營商和許多其他機構(gòu)之間多年密切合作的結(jié)果，Soitec RF-SOI優(yōu)化襯底上的CMOS就是其中一種工藝，Soitec的HR-SOI，iFEM-SOI和RFeSI系列產(chǎn)品，為使其成為先進射頻前端的標準技術作出了巨大貢獻。

圖3：Soitec面向5G的RF-SOI襯底選擇

被5G改變的射頻前端

RF半導體設計者都在挖空心思為5G系統(tǒng)尋找新材料和新設計/架構(gòu)，但是為什么會這樣呢？

這是由于5G使用不同的高頻頻段來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，因此5G RF前端模塊所需要的功率放大器、濾波器、開關、LNA和天線調(diào)諧器的需求量倍增，速度之快令人措手不及。對于智能手機設計者來說，龐大的零部件數(shù)量很讓人頭疼，他們必須將所有這些RF模塊全部塞到一部5G手機里。

5G智能手機開發(fā)商也擔心RF器件的質(zhì)量、散熱和能效問題，因為這些都可能降低RF前端模塊的性能。

此外，并不是每個RF器件都使用相同的材料或相同的技術，這也解釋了為什么Soitec為射頻系統(tǒng)準備了一攬子優(yōu)化襯底方案的原因：RF-SOI工藝主要用于5G智能手機射頻前端中的開關器件和天線調(diào)諧器；FD-SOI用于SoC模擬/射頻集成；壓電（POI）優(yōu)化襯底用于生產(chǎn)高性能表面聲波（SAW）濾波器組件，主要針對4G和5G新無線電（NR）波段；硅基氮化鎵（GaN-on-Si）和碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）則是進入5G GaN功率放大器市場的利器。

對射頻前端來說，一個顯而易見的趨勢是集成化與模塊化，如何將這些不同材料、不同工藝的器件集成在一起，是件非常令人頭疼的事情。

Luis Andia同意這個判斷。但他認為前文所列舉的各種優(yōu)化襯底技術已經(jīng)不再是小眾市場，整個生態(tài)系統(tǒng)相對比較成熟，Soitec正在與合作伙伴一起共同理解射頻生態(tài)中各個環(huán)節(jié)的實際需求、發(fā)展趨勢和架構(gòu)，確保優(yōu)化襯底和對應的模塊、測試封裝技術都能夠?qū)崿F(xiàn)完美兼容。

以目前業(yè)界談論最多的5G毫米波應用為例，由于大氣吸收和障礙物，毫米波頻率在距離上比6GHz 以下頻率更容易遭受信號衰減。對了補償這種衰減，毫米波射頻前端利用多達1，024個天線陣列系統(tǒng)大規(guī)模MIMO的陣元，進一步將輻射的RF信號集中在更窄的波束中，實現(xiàn)相當?shù)木嚯x覆蓋和更高的能效和專一性（即更低的用戶互擾），但隨之而來的后果是射頻前端的復雜性大幅增加。得益于RF-SOI技術的存在，不但使開關、PA、LNA、移相器、可變增益放大器（VGA）被完全集成在一起，還同時具有控制、偏置、內(nèi)存和電源結(jié)合功能。

圖4：得益于RF-SOI技術，5G毫米波前端實現(xiàn)了高度集成

“RF-SOI和FD-SOI是相互補充的技術。在解決5G不同頻段共存的問題上，他們可以為射頻設計提供更多的靈活性，特別是一些手機需要兼容6GHz以下和毫米波頻段時。當然，這涉及到的不僅僅只有5G手機，還包括其他5G基礎設施。”Luis Andia說。

因此，即便是在面對除智能手機之外的垂直應用領域，比如汽車、工業(yè)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT） 時，Soitec也能夠打出一套包括HR-SOI、iFEM-SOI和RFeSI在內(nèi)的“組合拳”

5G的RF-SOI優(yōu)化襯底創(chuàng)新

如前文所述，RF-SOI工藝主要用于智能手機射頻前端模塊制造。尤其是在5G智能手機中，RF-SOI 器件的比例正在不斷增加，例如Sub-6GHz頻段中，RF-SOI含量比4G高60%；毫米波頻段中，120mm2 SOI內(nèi)容含量增加；RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射頻前端中更具優(yōu)越性。

作為當前性能最為出色的RF-SOI優(yōu)化襯底，RFeSI在當前智能手機中的使用率達到了100%。但Luis Andia說考慮到未來射頻前端應用仍然存在巨大的市場空間，為了提高線性度，在保證成本競爭力的同時，Soitec又新引入了RFeSI100，其二階諧波能夠達到低于-100dBm的性能提升。按照官方的說法，這是“首次在商業(yè)RF-SOI襯底上使用的創(chuàng)新材料，為eMBB和uRLLC中的所有應用提供了無與倫比的線性度。”

并行引入的可選功能還包括RFeSI_T（“T”代表溫度）。通過加入一層具有極低電容率的材料，它允許RFeSI系列中的所有襯底（RFeSI80，RFeSI90和RFeSI100）可以在高達150度的溫度范圍內(nèi)都具有極低的線性漂移，并同時保留了Trap-rich的所有其他特性并且具有成本競爭力，從而提高了關鍵任務應用（蜂窩網(wǎng)絡基礎設施、工業(yè)4.0、汽車、軍事）的耐用性。

圖5：RFeSI和RFeSI_T襯底在特定溫度范圍內(nèi)的二階諧波功率

最后，意識到了mMTC總體擁有成本的壓力，Soitec還推出了一種新型iFEM-SOI襯底，該襯底具有簡化的制造工藝，可以在優(yōu)化的射頻前端 TCO（總擁有成本）上提供合適的性能。

他特別提到了Smart Cut技術在其中扮演的關鍵角色。這是一種SOI晶圓鍵合和剝離技術，也是Soitec的核心競爭力所在，從1992年公司成立一直使用至今，在硅、碳化硅、藍寶石襯底等多種半導體材料上得到了實踐應用。它能將超薄的晶體材料從一個襯底轉(zhuǎn)移到另一個襯底之上，從而打破原有的物理限制并改變整個襯底行業(yè)的狀況。該技術最大的優(yōu)點在于可以提高材料均勻性，降低材料缺陷密度，并且使高質(zhì)量晶圓可以循環(huán)再利用，廣泛應用于SOI襯底的批量生產(chǎn)，包括FD-SOI、RF-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI 和Imager-SOI，用以滿足不同市場應用的需求。

產(chǎn)能方面，Soitec中國區(qū)戰(zhàn)略發(fā)展總監(jiān)張萬鵬表示，5G是中國拉動經(jīng)濟增長的重要行業(yè)之一，對RF-SOI襯底的需求十分巨大和迫切，目前的晶圓產(chǎn)能足以支持市場的快速發(fā)展，Soitec一直努力提高新加坡工廠的300mm SOI晶圓和外延片，以及中國的200mm晶圓產(chǎn)能。與此同時，在與5G、邊緣計算和汽車相關的應用中，F(xiàn)D-SOI設計和流片也很活躍，Soitec將持續(xù)改善產(chǎn)能規(guī)劃，更好地服務不斷增長的全球市場，特別是中國市場。
責編AJX