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5G 的日益临近正在推升业界对 300mm 和 200mm 射频晶圆的需求，晶圆短缺，供不应求。
为了应对智能手机对 RF SOI 工艺的巨大需求造成的供不应求，几家晶圆代工厂正在努力扩大 RF SOI 工艺的产能。
许多代工厂正在提高 200mm RF SOI 晶圆的产能，以满足急剧增长的需求。格罗方德、TowerJazz、台积电和联电也正在扩大和提高 RF SOI 的 300mm 晶圆产能，为即将带来的下一代无线标准 5G 争夺第一波射频业务。
RF SOI 是用于制造智能手机和其它产品上使用的开关器件和天线调谐器等特有 RF 芯片的专用工艺。RF SOI 是绝缘体上硅（SOI）工艺的 RF 版本，不同于用于数字芯片的完全耗尽 SOI（FD-SOI）。
市场需求的变化引起了 RF SOI 的供应短缺。简而言之，由于无线网络中的频带数量增加，OEM 厂商必须在智能手机中增加更多 RF 元件，比如基于 RF SOI 工艺的射频开关，用在智能手机中处理复杂的频段和其它问题。
不仅是射频开关器件，很多 RF 器件的需求也超出预期，特别是基于 RF SOI 工艺的器件。实际上，整个 RF SOI 供应链供不应求，几种器件都出现了短缺。
“整个供应链非常紧张，”FD-SOI 和 RF SOI 衬底供应商 Soitec 的客户群和营销执行副总裁 Thomas Piliszczuk 说。 “我们正在经历需求比生态系统的供应更大的一段时期。”
这个领域目前面临的重大问题包括：
1、Soitec 及其他公司生产的 200mm 或 300mm 衬底是 RF SOI 的基础原料，供应商无法满足业界对 200mm 衬底的需求，300mm 的产能也有限。
2、Soitec 及其他公司将 RF SOI 衬底销售给晶圆厂，晶圆厂制造 RF 芯片，但是目前晶圆厂的 200mm RF SOI 产能无法满足巨大的需求。
3、几家晶圆厂正在抓紧提升 300mm RF SOI 产能，但产能有限。全球 RF SOI 产能只有 5%在 300mm 晶圆上，到 2020 年时这个比例应该增加到 20%。
“因为需求非常强劲，现在的情势比较紧张，而且需求还在加速提升。第一代 5G sub-6GHz 技术的上市时间甚至还在提速，所有这些都产生了更多需求，”Piliszczuk 说。 “我们将在接下来的几个季度内克服这些挑战。”
根据 Soitec 的数据，整个行业预计 2018 年将出货 150 万到 160 万片 RF SOI 工艺的 200mm 等效晶圆，比 2017 年增长 15％-20％。预计到 2020 年，这一数字将超过 200 万片。
RF SOI 适合用在哪里？
很多应用都可以使用基于 RF SOI 工艺的芯片，但是它最大的目标市场是手机中的射频前端模块。据 Gartner 预测，2018 年全球手机出货量将达到 19 亿部，比 2017 年增长 1.6%，2019 年的智能手机出货量增速将达到 5%。
手机中除了使用 RF SOI 芯片，还包括数字芯片和其它射频芯片。基于 CMOS 工艺的数字芯片包括应用处理器和其它器件。
射频组件集成到一个射频前端模块中，处理射频发射和接收功能。前端模块由多个组件组成，包括功率放大器、天线调谐器、低噪声放大器（LNA）、滤波器和射频开关。
通常，功率放大器基于砷化镓（GaAs）工艺，砷化镓是一种 III-V 族化合物，功率放大器提供所需的功率，使得信号可以到达目的地。
低噪声放大器放大来自天线的小信号，滤波器则过滤所有不需要的信号，阻止它们进入系统。 低噪声放大器和滤波器使用的工艺多种多样。
开关芯片和调谐器使用 RF SOI 工艺。RF 开关将信号从一个组件路由到另一个组件上，调谐器帮助天线适应任何频段。
图 1 一个简单的前端模块
图 2 另一个前端模块
多年来，尽管智能手机的销售增速放缓，但单台手机中的 RF 器件数量却在不断增长。“在 RF 世界中，频带数量不断增加，因此，尽管智能手机出货量增速仅为百分之几，而射频器件的增长率却达到两位数。”格罗方德 RF 业务部高级副总裁 Bami Bastani 表示。
在无线系统中，无线电频谱被划分为多个频段。很多年前，运营商部署了 2G 和 3G 无线网络，其中，2G 有四个频段，3G 有五个频段。
近年来，运营商部署了名为 LTE Advanced 的 4G 无线网络，4G 可以帮助智能手机获得更快的数据速率，同时也造成了蜂窝世界的频带碎片化。许多国家都分配了各自不同的频谱，所以现在的 LTE 手机需要能够在不同国家的不同频段上工作。事实上，今天的 4G 无线网络包含多达 40 多个频段，4G 不仅融合了 2G 和 3G 频段，还融合了多个 4G 频段。
除此以外，移动运营商还部署了一项称为载波聚合的技术。“这项技术意味着你可以将这些频段放在一起，这样你就可以获得更高的下载速度。这也是频段数量不断上升的原因之一，因为你可以把它们聚合在一起使用，“Bastani 解释说。
越来越多的频段，再加上载波聚合，已经影响了射频市场的增长曲线。首先，由于频带数量庞大，每部手机的 RF 器件含量正在增加。2000 年，手机中的射频器件价值为 2 美元，今天每部智能手机的射频器件价值在 12 美元到 15 美元之间，预计第一批 5G 智能手机的射频器件价值将上涨到 18 美元到 20 美元以上。
然后，为了处理众多频段，今天的 RF 前端模块可能集成了两个或更多的多模多频段功率放大器以及多个开关和滤波器。“当加入一个频段时，必须要有一个相应的过滤器和开关。一般来说，你可以把一堆开关放在一个非常小的集成电路中，“Bastani 说。 “看看今天的射频前端模块，里面有 20 到 30 个组件，包括滤波器、RF SOI 开关和功率放大器等。”
通常而言，今天的 LTE 手机有两个天线 - 主天线和分集天线。其中，主天线用于发送和接收功能，分集天线用于提高手机的下行数据速率。
图 3 一个 4G 前端
在实际操作中，信号首先达到主天线，接着移动到一个天线调谐器上，它使得系统可以适应任何频段。
然后，信号通过一系列射频开关，一部智能手机可能包含 10 多个射频开关器件，这些器件把信号切换到适当的频段上，然后，信号进入滤波器、功率放大器。
所有这些都给手机 OEM 厂商带来了重大挑战。射频前端的功耗和尺寸至关重要，这就是 OEM 厂商希望射频开关没有插入损耗并能实现良好隔离的原因所在。插入损耗会导致信号功率的损失，如果开关器件没有实现良好的隔离，系统可能会遇到干扰。
总而言之，智能手机的复杂性推动了对 RF 组件的需求，特别是开关和调谐器。TowerJazz 高级副总裁兼射频 / 高性能模拟业务部门总经理 Marco Racanelli 表示：“RF SOI 工艺的需求受到手机和物联网设备中射频开关内容增加的驱动，这些器件主要采用 RF SOI 工艺制造。”
“例如，每一款新手机都需要支持越来越多的频段和标准，并且每款手机都需要基于 RF SOI 的滤波器。 RF SOI 也用于 WiFi 的接收和切换功能，以及用于改善接收性能的天线调谐器，”Racanelli 说。 “天线数量的增加也是导致供不应求一个的原因，以前只有一个主天线，现在分集天线已经变得更加常见。而且手机正在采用 MIMO（多输入多输出）天线，每个天线链路都需要额外的射频开关来帮助引导流量。”
压力下的供应链
跟踪 RF 供应链也是一个挑战。比如，功率放大器由一些砷化镓供应商生产，还有这样那样的供应商设计其它类型的 RF 器件，其中有许多使用传统的 RF CMOS 工艺，而不是 RF SOI 工艺。
不过，一般来说，射频开关和天线协调器都是基于 RF SOI 工艺生产。在很多情况下，这些器件由代工厂制造。
图 4 RF SOI 衬底
RF SOI 器件的制造是由高电阻率衬底的生产开始的。在衬底中，富陷阱层夹在晶片和掩埋氧化物层之间。 富陷阱层可以恢复衬底中的高电阻率属性，从而降低插入损耗并提高系统的线性度。
Soitec 是 RF SOI 衬底的最大供应商，拥有 70%的市场份额。Soitec 同时生产 200mm 和 300mm RF SOI 衬底。
其他两家供应商 Shin-Etsu 和 GlobalWafers 也基于 Soitec 的技术生产 200mm 和 300mm RF SOI 衬底。除此之外，中国的 Simgui 也生产 200mm RF SOI 衬底。
200mm 和 300mm RF SOI 衬底的供应都很紧张。“RF SOI 衬底产能正在经历一个瓶颈期，”Soitec 的 Piliszczuk 说。 “这种局面将在 2019 年得到改善，届时，我们的合作伙伴 Simgui 将推出更多 200mm 衬底产能并获得认证。”
随着时间的推移，300mm 衬底的产能情况也会有所改善。“随着需求的不断增长，Soitec、Shin-Etsu 和 GlobalWafers 这三家供应商都在不断增加产能。”他说。“这种情况将推动事情向有力的方向发展。从 2019 年开始，所有需求都应该能被满足。”
尽管如此，代工厂还是希望能够提供更多 300mm RF SOI 衬底产能。分析师表示，衬底供应商愿意增加更多产能，但只有在需求增加而且业界愿意帮助提供资金的情况下才会真正增加产能。
所以，目前来说，300mm 衬底的供应有限。最重要的是，300mm 衬底的价格比 200mm 衬底贵 2.7 倍到 3 倍，比普通 300mm 衬底的平均售价也高。
但是，许多成本敏感的客户都希望 300mm RF SOI 衬底的成本下降到与 200mm 衬底相当。分析师称，出于对成本的顾虑，很多客户可能不愿意那么快向 300mm 转换，至少在短期内是如此。
“在市场上，RF SOI 的产能需求不断增长，”联电业务管理副总裁 Walter Ng 表示。 “市场需要更多的产能。他们需要更多的出货单位。但问题是对产能的需求还在不断上涨。”
也许到了某个时间点，行业会重新审视供应链。“对业界来说，有机会发展业务并支持市场需求，整个供应链怎么达到供需平衡的模式正在被摸索出来。”Ng 说。
RF SOI 衬底制造出来后就会被运送到晶圆厂，然后被加工成 RF 开关芯片、天线调谐器和其它产品。
在晶圆厂中，RF 开关和天线采用传统的 CMOS 工艺制造。芯片使用传统的蚀刻、沉积、光刻和其他步骤进行处理。
对于今天的手机来说，RF SOI 芯片是在 200mm 晶圆厂中生产的。事实上，绝大多数射频开关和其他产品仍然会继续使用 200mm 晶圆。 “今天，大多数 RF SOI 晶圆都是 8 英寸，工艺尺寸正在从 180nm 向 130nm 和 110nm 演变。其中有一些已经转换到 12 英寸晶圆上。” Ng 说。
今天，全球 95%的 RF SOI 芯片都是在 200mm 晶圆厂中制造的。格罗方德、TowerJazz、联电、索尼、中芯国际、台积电、HHGrace 和意法半导体均拥有 200mm RF SOI 晶圆厂产能。
较大型的代工厂正在提供 300mm RF SOI 产能。格罗方德、TowerJazz、台积电和联电都能提供 300mm 产能。它们的工艺节点范围是从 130nm 到 45nm。
然而，300mm 晶圆并不能解决 RF SOI 的整体产能紧张问题。300mm 产能主要面向高端 5G 系统，其中一部分产能可以分配给当今的 4G 手机。
尽管如此，300mm RF SOI 是实现 5G 的必备要求。5G 网络将在 2019 年初次部署，采用 6GHz 以下的频段，并将应用毫米波技术。
对于 RF SOI 而言，300mm 对 200mm 存在若干优势。“300mm 工艺可以提供更多的过程控制，并实现全自动化（在晶圆厂），”格罗方德的 Bastani 说。 “300mm 客户的产品的公差、一致性和良率都优于 200mm。”
在 200mm RF SOI 中，芯片中的一部分互连层基于铝。铝互连成本较低，但它们的电容也更高。 “当你转向 300mm 的世界时，要使用的就是铜互联。这些 RF 产品需要具有如电感器之类的无源元件。 我们的强项之一是能做粗铜线，“Bastani 说。 “真正的价值在于，对于最顶上两层，您的电感和顶部厚铜线之间没有任何干扰或耦合。”
集成是 300mm 的最大优势。第一波 5G 手机将拥有与当今 4G 系统类似的 RF 前端架构。但是，对于 5G 来说，最大的区别在于，OEM 想要将单独的射频开关和 LNA 集成到一个器件中。
200mm 晶圆实现不了 LNA 和开关的集成，300mm 可以。“现在的集成趋势是将开关和 LNA 集成到一起，”他说。 “我们正在将 LNA 的工艺尺寸下探到 55nm 的范围，但是，开关器件工艺尺寸的舒适区间是 130nm 和 180nm。LNA 是一种非常快速、低噪声的器件。你无法在 200mm 上做 55 纳米。”
300mm 晶圆还有一些其它的好处。例如，格罗方德发布了 300mm 的 45nm RF SOI。“它将开关器件的性能提高了 30%到 40%，将 LNA 的性能提高了 20%到 30%，“他说。 “它还减少了芯片面积并改善了噪音。”
还有一些设计上的考虑。“在传统架构中，LNA 集成在收发器内，”台积电业务发展副总裁 B.J. Woo 表示。 “但对于 5G 而言，信号质量变得更加重要。因此，LNA 需要尽可能地靠近天线放置，以获得最佳的信号质量。为了实现这一点，我们需要使用 RF SOI 来集成开关和 LNA。”
随着时间的推移，5G 也将运行在毫米波频段。它的频段介于 30 GHz 和 300 GHz 之间。“需要修改 RF 架构，以覆盖其中一个频段。为了实现这一点，RF 收发器将把 IF 或中频收发器、下变频器和一个基于 CMOS 工艺的毫米波 RF 前端模块结合起来，”Woo 说。
图 5 GlobalFoundries 2018 年发布的 5G 毫米波波束形成系统
“RF 器件价值将随着 5G 手机射频复杂度的增加而增长。由于手机空间有限，可供增加 RF 器件的空间亦相当有限，因此，解决方案的尺寸至关重要。有了 RF SOI，集成度将继续提高，不仅仅是为了控制尺寸，还有利于提高性能。”Qorvo 移动 5G 业务开发总监 Ben Thomas 表示：“在试验期间可以看到分立式的 5G 解决方案，但到了商用阶段，它将很快直接变成到具有 PA、滤波、开关和 LNA 功能的高阶 RF 前端模块。”
“当我们进入 5G 时代时，根据部署地区的不同，可能会有更多的频段，比如 n77、n78 和 / 或 79，这些频段将在全球以不同的组合部署。5G 手机将利用更复杂的调谐和天线复用功能来处理双上行链路和更多 MIMO 配置的复杂性，所有这些都旨在提高数据速度。所有这些需求，叠加上载波聚合组合导致多次覆盖，将需要更多天线调谐，更复杂的滤波，更多的开关，以及更多将这些功能与功率放大器组合在一起的 RF 前端模块。总之，为了兑现 5G 承载更多数据的承诺，需要加入更多的 RF 器件。”Thomas 说。
300mm RF SOI 竞赛
同时，晶圆厂们正在提升他们的 RF SOI 产能。RF SOI 领导厂商格罗方德正在位于 East Fishkill，N.Y. 和新加坡的两座晶圆厂中爬产 300mm RF SOI。这些工艺节点尺寸涵盖了 130nm 和 45nm。
一段时间以来，格罗方德一直在其位于伯灵顿和新加坡的两座晶圆厂里运营 200mm RF SOI 业务。 “在这个链条上投资是一个高优先级事项。我们也在投资 200mm 产能，“格罗方德的 Bastani 说。
与此同时，TowerJazz 也已经出货了 200mm RF SOI 一段时间。它正在位于日本的晶圆厂增加 300mm RF SOI 产能，它当前的工艺基于 65 纳米，当然，该工厂完全能够实现 45 纳米工艺。
联电和台积电已经出货了 200mm RF SOI 一段时间，也正在计划加入 300mm RF SOI 竞赛。
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