从梦想到引领 RF-SOI赋能射频技术变革

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文｜乐川

校对｜范蓉

图源｜网络

集微网消息，今年9月，新傲科技协同SOI国际产业联盟等联合举办的第六届国际RF-SOI论坛在上海举行。六年来，SOI领域技术创新和应用取得了重大突破，回顾历届主题，从最开始的探讨SOI在集成电路特征尺寸逼近物理极限的情形下的差异化竞争优势及历史机遇，到产业充分认识到SOI在射频领域的优势后，开始探讨这一技术在5G、物联网、人工智能等新兴市场的应用。来自RF-SOI领域的行业领袖和技术专家也在逐年递增，从最开始的200多位，增加到今年的近400位，证明越来越多的人开始认识到SOI技术在5G、物联网、人工智能、汽车电子等领域应用的差异化竞争优势，并积极投入SOI生态系统建设之中。

RF-SOI日趋成熟

国内产业链进展迅猛

随着智能设备、无线网络技术的演进，对器件内射频系统的性能和复杂度都大幅提升。采用RF-SOI工艺，能做到提高衬底绝缘性，降低衬底寄生效应，拥有良好的射频性能，与III-V相近，同时可提供同一颗芯片上的集成逻辑控制。

如今RF-SOI技术及产业链已经成熟且获得越来越多的应用。衬底方面，从200mm到300mm，目前主要有法国Soitec、日本信越（ShinEtsu）半导体、台湾环球晶圆和上海新傲科技（Simgui）四家供应商。根据Soitec的数据，预计2018年整个行业将出货150万~160万片等效200mm RF-SOI衬底，比2017年增长15％~20％。预计到2020年，这一数字将超过200万片。

作为SOI衬底的主要供应商，法国Soitec是“Smart Cut”的拥有者，已实现SOI晶圆的高良率成熟量产，可提供8英寸和12英寸的RF-SOI衬底，产品范围包括数字应用产品如FD-SOI、光电-SOI和Imager-SOI；通信和功率应用产品如RF-SOI和功率-SOI。如今，全球基本100%的智能手机都在应用Soitec的RF-SOI技术。Soitec公司通信和功率电子业务部执行副总裁Bernard Aspar表示，目前为止，RF-SOI工艺主要用于智能手机的射频开关与天线调谐器等设计，但是5G为RF-SOI提供了更广泛的应用空间。每项技术都要求合适的衬底——即便我们正在着手5G领域的Sub-6-GHz基础设施搭建，4G网络仍有许多技术需要我们去完善。

此外，信越半导体于97年获得“Smart Cut”授权后，开始供应FD-SOI衬底。台湾环球晶圆则主要提供4英寸、5英寸、6英寸衬底，并有少量8英寸衬底。

国内成立于2001年的新傲科技以研发和制造SOI材料为目标，一直耕耘SOI材料，公司研发的SOI材料现可满足当今世界主流IC生产线的要求，并已广泛应用于射频器件、汽车电子、MEMS、光电子等领域，是国内领先的高端硅基材料供应商。在目前全球SOI产能紧缺的情况下，新傲科技作为全球SOI材料的主要供应商，通过自主研发和海外合作，已经具备提供5G SOI材料的能力。新傲科技总经理王庆宇博士表示，受益于5G通讯产业爆发对射频前端模块的大量需求，RF-SOI将迎来新一波供不应求的热潮。为了支持国内和全球SOI产业链的发展，新傲科技正在积极扩展8英寸SOI生产线的产能，计划到2019年下半年完成年产40万片的产能扩展。同时，新傲科技还在规划12英寸SOI生产线，为未来毫米波射频器件和FD-SOI做好准备。

在晶圆代工方面，包括格芯、TowerJazz、台积电、联电、意法半导体以及国内的中芯国际、华虹宏力正在扩大各自的RF-SOI晶圆产能，以迎接5G，争抢第一波RF业务。此外，格芯、TowerJazz、台积电、联电还能提供300mm RF-SOI晶圆，工艺范围从130nm到45nm不等。

例如格芯推出了基于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。

在设计应用方面，由于相比传统的GaAs和蓝宝石上硅技术，RF-SOI可以同时提供优良的射频性能和低廉的成本，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，并已成为4G手机开关类RF应用的主流技术，其市占率已经超过95%。同时，基于RF-SOI技术的射频开关市场几家国际厂商具有较大的领先优势，这些射频厂商有充足的技术积累和市场优势。不过，国内的厂商也在急起直追，慧智微等射频器件厂商已有基于RF-SOI工艺的产品。

总体而言，国内的RF-SOI的生态系统和产业链已经基本形成，包括衬底材料、晶圆代工、射频器件到系统设计和整机。但产业链发展不平衡，有的环节发展很快，有的环节还有待提高，需要产业各方共同努力，尽快形成可以支持5G射频前端完整的产业链能力。

5G爆发前夜

RF-SOI赋能射频技术变革

5G商用的脚步已经越来越近，预计2019年，第一波5G移动通信系统将有望商用化并为消费者提供低时延、强连接、高稳定的特性，带领全球走向“万物互联，万物智能”的时代。与此同时我们注意到，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。

例如射频功率放大器是发射系统中的重要部分，它将输入的信号放大并输出。在以往的射频前端解决方案中，每个频段用一个单频段功率放大器支持。随着频段增多，功率放大器数目会快速上升，成本增加，面积增大。这些挑战在5G到来之后，会表现得更加强烈。

面对未来射频前端的挑战，慧智微电子开发的具有自主知识产权的基于可重构设计的AgiPAM技术，结合使用新型RF-SOI技术，创造性地开发出射频器件方面的可重构颠覆性技术。据了解，这是一种智能行动技术，可以根据感知和决策的结果重新改造射频器件，获得优化的通信连接，获得更好的信息传递效果。

据慧智微电子介绍，其可重构技术同时结合了高性能的射频硬件，以及灵活的可配置软件，完成多频段、多模式射频前端的设计。与当前砷化镓的多组功率器件的解决方案相比，AgiPAM技术使用同一组器件便能够在多个频段和多种模式间复用，使得基于该技术的功率放大器产品具有尺寸小、支持频带多、低成本等特点。

图：采用传统架构（上）与慧智微可重构架构（下）实现的4G射频前端方案对比

以4G时代为例，覆盖全部频段，Skyworks及Qorvo等传统方案至少采取3个射频通路完成信号的放大，采用慧智微可重构技术的4G手机射频功放芯片，仅需要2路射频通路就可以满足所有4G频段需求。相比Skyworks等竞争对手，至少可以节省一个射频通路。

进入5G时代，传统厂商需要将射频套件增加到6路，而慧智微利用可重构技术期待可将射频通路个数保持在3路，甚至2路就能够满足对频段的需求。与传统方案下需要6个通路相比，无论是成本还是芯片尺寸都明显减少。

事实上，在射频前端产业的发展过程中，先后有多家公司和研究单位进行了可重构射频前端的研究，例如：

2003年，RFMD（后与Triquint合并更名为Qorvo）采用MEMS技术从事可调射频功放的开发，未推出产品；

2005年起，Wispry采用MEMS技术从事可调射频前端开发，未推出产品；

2010年左右，Paratek采用BST技术从事可调射频功放的开发，未推出产品；

2013年，QualComm（美国高通公司）采用全RF-SOI工艺从事可重构射频前端“RF360”平台，但因电流过高，高频段功率功率不足，未大规模量产；

2014年，Peregrine（现并入Murata）在MWC展中，展出基于RF-SOI工艺的可重构4G功放原型，Global 1。因技术原因，未能进入量产；

2016年，Morfis基于RF-SOI工艺，在CES展中展出MORF90x，未进入量产。

可见，可重构射频前端原理听起来很简单，但是要实现却并不容易。

在这方面，慧智微走在了全球前列，成为可重构射频前端的领导者。据其开发可重构射频前端的经验，要想实现可重构射频技术需要能够设计复杂数字模块和模拟模块，拥有良好的射频性能，能够实现低成本、大批量的生产等基本的技术和要求。同时，可重构射频技术也对可调谐器件提出了特有的要求，例如大调谐范围、小尺寸；合理的功率输出范围；合理的调谐电压；能够实现大规模制造能力的平面结构等。

慧智微认为，RF-SOI将是能满足以上需求的最为适合设计生产可重构射频技术中可调谐器件的工艺技术。

从梦想到引领，慧智微构建可重构射频前端领导者之路

随着5G时代更多频段的引入，射频前端需要支持的频谱将更加复杂。并且，5G与4G/3G/2G的兼容，也给射频前端提出了更多的要求。在这种情况下，射频可重构的概念的重要性也将日益凸现。

成立于2011年11月11日，由数位留美归来的技术专家创立的Smarter Micro（慧智微电子）在“创新引领者，行业领导者”的梦想驱动下，开始了可重构射频前端产品的研究和开发工作。七年以来，慧智微电子基于可重构架构，开发和研制了数十款射频前端产品。产品销往世界多个国家及地区，出货量达数千万套。

2013年9月，成立两年的慧智微团队就创造性地开发出射频器件方面的可重构颠覆性技术，公司的4G混合可重构射频前端平台AgiPAM 1.0研制成功，原型样片S302完成国际一线大厂测试验证。这是全球第一家实现可重构多频多模射频前端技术并量产的芯片公司。其产品性能优于国内外各大厂商的同类产品，同时成本降低了一半多。2005年，基于该平台的系列套片已实现每月百K级出货量。2017年5月，慧智微推出了AgiPAM 2.0平台，今年AgiPAM 3.0平台也已研发成果并实现量产。可重构系列芯片的出货已达数千万。未来，慧智微电子的可重构平台，还可以扩展至PAMiD（PA及开关、滤波器一体化模组）、LNA模组等多种射频连接领域，随着射频前端复杂度的增加，未来还将带来更多的收益。

一直以来，慧智微电子坚持拥有自主知识产权的可重构架构，在性能、供应链稳定、专利安全等多方面为客户提供价值。2014年，慧智微电子开始向市场推出拳头产品，并被广泛认可。随着产品不断推出与升级迭代，慧智微陆续接到国内外一系列厂商订单，产品通过如中国移动通信、T-Mobile、Orange、Vodafone等一系列国内外运营商认证。

对于射频前端，可重构可以提供极大的灵活性，为未来支持物联网中的空口升级打下坚实基础。随着“万物互联”时代的到来，物联场景的无限增加，无线通信协议也会变得越来越复杂。目前，除了可重构技术，慧智微已经有团队在开展可灵活多变的无线通信协议。

回顾七年创业历程，慧智微秉承“化繁为简，让一切智慧互连”理念，着眼未来，将可重构射频前端技术从梦想变为现实，再从现实出发，步步超越，实现引领。5G的到来，使得芯片上下游产业链看到了RF-SOI的巨大机会，慧智微电子将继续加大在可重构射频前端芯片的开发，让未来的无线互连更加智能。