隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正無(wú)限增加，這就需要更大的網(wǎng)絡(luò)容量來(lái)解決連網(wǎng)的問(wèn)題。除了5G、5G Advanced、6G的不斷迭代更新外，無(wú)線局域網(wǎng)和Wi-Fi的復(fù)雜性也不斷增加。目前，Wi-Fi 6E的頻率已經(jīng)提升至6GHz。據(jù)預(yù)估，Wi-Fi 7有效帶寬將是Wi-Fi 6的2倍，可用頻譜將是Wi-Fi 6的3倍。
隨著智能設(shè)備、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)，對(duì)器件內(nèi)射頻系統(tǒng)的性能和復(fù)雜度都大幅提升。這些采用不同材料、不同工藝生產(chǎn)的器件該如何更好的集成在一起，射頻系統(tǒng)未來(lái)如何持續(xù)提供更高的頻率和更高的效率，是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。
01
射頻前端模組化已成必然趨勢(shì)
射頻前端模組化已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)幾種不同的射頻系統(tǒng)需要在內(nèi)部共存時(shí)，線性方面的限制就越多，系統(tǒng)共存的限制也越多，由此給射頻前端模塊化帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。
Soitec移動(dòng)通信部門(mén)高級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Luis Andia認(rèn)為，有兩個(gè)挑戰(zhàn)尤為重要。
首先是溫度管理。由于模塊密度相對(duì)較高，并且裸片位置非常接近，溫升的影響就非常明顯。比如當(dāng)功率放大器溫度升高時(shí)，溫升對(duì)相鄰裸片的性能就有可能產(chǎn)生降級(jí)影響；對(duì)于低噪聲放大器而言，它的噪聲系數(shù)可能會(huì)由于溫度變化而上升。所以溫度管理是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。
另一個(gè)挑戰(zhàn)是干擾，例如相鄰碼片信號(hào)之間的串?dāng)_。
Luis Andia，Soitec移動(dòng)通信部門(mén)高級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理
Luis Andia表示：“射頻前端現(xiàn)在變得越來(lái)越復(fù)雜，需要更多的更復(fù)雜的模塊來(lái)解決毫米波、5G、sub-6 5G的通信方面的需求。”針對(duì)溫升，Soitec的解決辦法是，選用一些能量密度相對(duì)較高的材料，如 RF-GaN，它可以幫助更有效地管理功率，從而最大限度地減少溫升。對(duì)于抗干擾，Soitec的 RFeSI 產(chǎn)品可以最大限度地減少相鄰芯片之間的串?dāng)_。同時(shí)，POI 以及基于它所設(shè)計(jì)的濾波器等產(chǎn)品，可以最大限度地減少相鄰系統(tǒng)之間的干擾，例如蜂窩和 Wi-Fi 共存于同一射頻前端。
此外，Soitec還在為 RF-SOI 襯底開(kāi)發(fā)新功能，以幫助保證高溫下的高線性度環(huán)境。例如，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生事故情況下的緊急呼叫。使用RF-SOI帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)之一，是當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，用戶可以快速建立一個(gè)通信路徑，進(jìn)行緊急服務(wù)溝通。Soitec的RF-SOI能夠提供汽車(chē)所需的熱切換（hot switching）和可靠性。
隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來(lái)越多，需要更大的網(wǎng)絡(luò)容量來(lái)解決連網(wǎng)的問(wèn)題。這意味著要達(dá)到更高的頻率，也許是毫米波，但不僅如此。Luis Andia分享說(shuō)：“不同國(guó)家和地區(qū)有不同的頻率規(guī)定。我們已經(jīng)看到將Wi Fi的頻率提高到接近7GHz的努力；也看到政府正在探索使用10GHz、20GHz的蜂窩。未來(lái)幾年仍然會(huì)有一些變化，但原則都是一樣的。即頻譜用得越多頻率就越高，線性方面的限制就越多，系統(tǒng)共存的限制也越多。RF-SOI 的優(yōu)勢(shì)就在于此。”
02
RF-SOI的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
RF SOI是一種具有獨(dú)特的硅/絕緣層/硅三層結(jié)構(gòu)的硅基半導(dǎo)體工藝材料，它通過(guò)絕緣埋層(通常為SiO2)實(shí)現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離。由于RF-SOI 能夠以最優(yōu)的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗，它可以為人們帶來(lái)更快的數(shù)據(jù)速度、更長(zhǎng)的電池壽命，和頻率更穩(wěn)定、流暢的通信質(zhì)量。
Luis Andia分享到：“RF-SOI能夠取得巨大成功和獲得廣大市場(chǎng)的原因，主要是由于RF-SOI能夠保證非常高的信號(hào)的線性度和信號(hào)完整性。”對(duì)SOI+低電阻率晶圓、SOI+高電阻率晶圓、RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓這三類(lèi)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)在這三種材料中，RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓的信號(hào)失真度（distortion）是最低的，線性度是最高的。
通過(guò)富陷阱層，能夠捕捉氧化埋層以及高電阻操作層中游離的寄生電荷（parasitic charge）。這樣保證了襯底非常高的電阻率，進(jìn)而帶來(lái)極高的線性度，不僅僅是為晶體管，也為其他的無(wú)源器件的提供高線性度。
部分系統(tǒng)級(jí)射頻前端共存問(wèn)題及解決方案一
這樣極高的線性度能夠幫助實(shí)現(xiàn)WiFi系統(tǒng)和蜂窩系統(tǒng)的共存，減少相鄰頻段的干擾。如上圖所示，Band的干擾和WiFi信號(hào)的相鄰?fù)ǖ佬孤抖急粶p少。基于富陷阱層，就能實(shí)現(xiàn)非常好的隔離，不管是數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)，即便是在這個(gè)非常復(fù)雜的5G 毫米波的射頻前端，也能夠?qū)崿F(xiàn)隔離，從而防止信號(hào)串?dāng)_。
干擾可能出現(xiàn)在射頻前端無(wú)源器件（傳輸線、電感等）或有源電路（晶體管、二極管等）的任一點(diǎn)。而采用富陷阱的 RF-SOI 優(yōu)化襯底來(lái)構(gòu)建大部分的射頻前端電路，無(wú)論干擾發(fā)生在何處，都將被最小化。如上圖（RFF非線性可能會(huì)在相鄰頻段產(chǎn)生干擾）所示，TCU 中使用的不同頻段相互彼此接近時(shí)，頻段泄漏將極大地影響相鄰頻段；而 RF-SOI 優(yōu)化襯底將有助于最大限度地減少這種泄漏。采用富陷阱的 RF-SOI 襯底（例如 Soitec 的 iFEM-SOI 和 RFeSI 產(chǎn)品）可以最小化射頻信號(hào)的非線性二次和三次諧波。與非富陷阱的 RF-SOI (HR-SOI) 襯底相比，這種改善非常顯著。
部分系統(tǒng)級(jí)射頻前端共存問(wèn)題及解決方案二
模塊化是 NAD 設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵要素，它提供的靈活性可用于滿足不同區(qū)域市場(chǎng)的需求。而將發(fā)射、接收和濾波功能集成在多個(gè)模塊中的射頻前端組件更具優(yōu)勢(shì)。
03
智能手機(jī)中100%采用RF-SOI
Luis Andia分享說(shuō)：“如今，世界上100% 的智能手機(jī)都離不開(kāi)Soitec 的RF-SOI技術(shù)。”
智能手機(jī)融合了多樣化的功能，包括無(wú)線電發(fā)射和接收、數(shù)字處理、 存儲(chǔ)、音頻、電池 管理、攝像和顯示等，通過(guò)前端模塊能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩電話和基站之間的射頻信號(hào)傳輸和接收。高性能開(kāi)關(guān)的市場(chǎng)需求在2016年更加強(qiáng)烈。當(dāng)時(shí)已經(jīng)演進(jìn)出了LTE技術(shù)，出現(xiàn)了4G以及許多復(fù)雜的模塊，也出現(xiàn)了天線調(diào)諧器。RF-SOI也隨之被應(yīng)用到越來(lái)越多的天線調(diào)諧器以及開(kāi)關(guān)當(dāng)中。對(duì)于射頻前端的開(kāi)關(guān)、射頻前端控制等器件，RF-SOI是使用得最多的。
在智能手機(jī)中，射頻開(kāi)關(guān)處于射頻前端的關(guān)鍵位置且必不可少，其插損、回?fù)p、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對(duì)射頻前端鏈路有重要影響。射頻開(kāi)關(guān)的主要作用在于通過(guò)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向（接收或發(fā)射）、不同頻率的信號(hào)進(jìn)行切換，以達(dá)到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。
發(fā)展到今天的5G時(shí)代，智能手機(jī)需要更加復(fù)雜的模塊和更高的集成度。LNA也被集成到開(kāi)關(guān)當(dāng)中。5G 毫米波對(duì)于高集成度有著更強(qiáng)烈的需求。目前，接近100%的射頻開(kāi)關(guān)都是基于Connect-SOI技術(shù)開(kāi)發(fā)的，即RF-SOI或FD-SOI技術(shù)；超過(guò)80%的集成低噪聲放大器都是基于RF-SOI開(kāi)發(fā)的，接近100%的天線調(diào)諧器是在用Soitec的SOI技術(shù)。據(jù)介紹，Soitec 的RF-SOI 產(chǎn)品已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 在大規(guī)模生產(chǎn)中被用于制造射頻前端模塊的IC ，同時(shí)滿足芯片制造商對(duì)成本與性能要求。
04
RF-SOI在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用
相比智能手機(jī)，現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)于連接性的需求和依賴程度更高。目前的遠(yuǎn)程通信不僅要使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也非常依賴V2X的連接，還要使用專屬的近距離通信系統(tǒng)，包括WiFi、藍(lán)牙等。新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他連接系統(tǒng)正在助力移動(dòng)服務(wù)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。例如，它們通過(guò)提升車(chē)輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的無(wú)線交互來(lái)提高駕駛安全性，或是與其他車(chē)輛之間的無(wú)線交互來(lái)優(yōu)化交通條件。車(chē)載無(wú)線連接還可以輕松實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)的高質(zhì)量視頻與音頻娛樂(lè)內(nèi)容訪問(wèn)，讓乘客體驗(yàn)更加舒適。
TCU及內(nèi)部射頻前端詳解
與所有無(wú)線設(shè)備一樣，網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)依賴多個(gè)射頻 IC 和射頻模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)線連接。大多數(shù)此類(lèi)元件都包含在一個(gè)“盒子”中，通常稱為遠(yuǎn)程信息處理盒（T-BOX），也稱為遠(yuǎn)程信息處理控制單元（TCU）。如“TCU及內(nèi)部射頻系統(tǒng)詳解”中能夠看到，一個(gè)集成的網(wǎng)聯(lián)車(chē)?yán)锏牟煌纳漕l系統(tǒng)模塊。
Luis Andia介紹說(shuō)，藍(lán)色的都是建立在Soitec的SOI產(chǎn)品之上。Soitec的SOI產(chǎn)品能夠確保優(yōu)秀的信號(hào)完整性（signal integrity），給汽車(chē)的連接帶來(lái)極高的可靠性和穩(wěn)定性。TCU 中包含了用于傳感、定位以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與傳輸?shù)墓δ苣K。在這些模塊中，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備（NAD）中又包含了確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)（4G LTE 或 5G）通信可靠與穩(wěn)健所需的所有電路，而圖左下角提到的射頻前端即涵蓋在這其中。RF-SOI 為射頻前端模塊 (RF FEM) 提供了無(wú)可比擬的集成靈活度，這有助于將高性能低噪聲放大器 (LNA)、開(kāi)關(guān)和功率放大器 (PA) 集成到單個(gè)芯片中，或集成到與濾波器和其他支持功能相關(guān)的高附加值多技術(shù)模塊中。
隨著汽車(chē)連接需求的顯著增加，汽車(chē)行業(yè)在輔助駕駛和信息娛樂(lè)等系統(tǒng)方面具有巨大的市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力。汽車(chē)RFFE 的設(shè)計(jì)正變得更加定制化，并要求從一開(kāi)始就考慮到特殊汽車(chē)相關(guān)的設(shè)計(jì)限制。
05
結(jié)束語(yǔ)
RF- SO不僅可以應(yīng)用于智能手機(jī)上，許多日常生活中的設(shè)備上都能看到RF- SOI的身影。RF- SOI還用于每天使用的物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備上，比如說(shuō)像智能耳機(jī)、手表等。而且也不僅僅適用于蜂窩通信，還包括5G、藍(lán)牙、WiFi以及超寬帶UWB。
對(duì)于5G毫米波，當(dāng)前也面臨著提高集成度等相似的挑戰(zhàn)。Luis Andia建議，對(duì)于毫米波，客戶可以根據(jù)最終應(yīng)用選擇不同的射頻前端架構(gòu)。一些客戶可能會(huì)優(yōu)先考慮非常高性能的射頻前端，而其他客戶可能會(huì)犧牲部分性能以獲得更高的集成度和更小的芯片尺寸。對(duì)于第一種情況，可以在 RF-SOI 中集成完整的高性能射頻前端（PA + LNA + 開(kāi)關(guān) + 移相器 + 支持功能）；而在第二種情況下，可以選擇將部分頻率轉(zhuǎn)換與 RFFE 集成到 FD-SOI 技術(shù)中。這最終取決于客戶的應(yīng)用以及他們的競(jìng)爭(zhēng)策略。
科技創(chuàng)新是Soitec的企業(yè)宗旨。世界上的創(chuàng)新分兩類(lèi)，一類(lèi)是顛覆式創(chuàng)新，一類(lèi)是改進(jìn)式創(chuàng)新。顛覆性創(chuàng)新是發(fā)明，是非常稀缺的。而成功企業(yè)，更多的則是在做改進(jìn)式創(chuàng)新，是把現(xiàn)有的要素進(jìn)行重新組合，從而創(chuàng)造出新的產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)。那么，Soitec是如何創(chuàng)新的呢？
RF-SOI是Soitec 的主流產(chǎn)品。不過(guò)，Luis Andia表示：“我們并不認(rèn)為一項(xiàng)技術(shù)可以解決所有的問(wèn)題。所以我們有很多的技術(shù)來(lái)相互補(bǔ)充。這就是為什么我們提供其他產(chǎn)品，RF-SOI和FD-SOI產(chǎn)品，我們也在Connect-SOI之外引入了用于濾波器的POI，和用于大功率的RF-GaN優(yōu)化襯底來(lái)滿足不同的需求。”
