在这个最具变革性的时代，以RF-SOI为代表的射频半导体技术正在车辆舒适性(信息娱乐)、远程信息处理、安全性(驾驶辅助)、环境(V2X)等方面发挥着无可替代的关键作用。
近年来，以Connectivity(互联化)、Autonomous Driving(自动化)、Services(服务化)、Electrification(电气化)为代表的“CASE”四大趋势，正在重塑汽车产业的整体格局，也导致汽车中的半导体器件用量快速增长。IEEE Spectrum 2021的数据显示，汽车电子在整车制造中的总成本占比，已经从1970年的5%增长至2010年的35%，预计到2030年，这一数字将增加到50%。
同时，在CASE的推动下，从2019年到2025年，汽车芯片营收将从420亿美元增长至660亿美元，年复合增长率(CAGR)为8%。其中，与安全性(ADAS)、车联网、新能源汽车相关的芯片营收将分别达到140亿/60亿/110亿美元，从而给汽车产业带来巨大变化。
“移动性(Mobility)概念正从我们此前所熟悉的智能手机快速向汽车行业拓展。”Soitec射频业务发展高级经理Luis Andia在接受《电子工程专辑》独家专访时表示，对汽车行业而言，移动性是一个以用户为中心的，新的出行方式概念，它要求与交通相关的产品与服务必须满足消费者的需求、习惯和喜好。而在这个最具变革性的时代，以RF-SOI为代表的射频半导体技术正在车辆舒适性(信息娱乐)、远程信息处理、安全性(驾驶辅助)、环境(V2X)等方面发挥着无可替代的关键作用。
“车载射频系统/射频半导体”的说法对普通消费者来说可能太过专业，但如果把它们具像成，例如“鲨鱼鳍天线”，可能很多人就会恍然大悟。下图左侧就为我们展示了汽车“鲨鱼鳍天线”或是“共形平板天线”的样子，其专业的称谓是汽车远程信息处理盒(T-BOX)或远程信息处理控制单元(TCU)，而右侧则是内部包含的复杂射频电路，用以确保汽车连接的稳定性、可靠性和节能性。
不难发现，随着5G、Wi-Fi 5/6(E)、GNSS、V2X等连接技术的大量应用，汽车射频前端设计正日趋复杂，这将让设计人员在两方面面临巨大挑战：一是射频前端的非线性可能会在相邻频段产生干扰，甚至影响较远处的频段；二是由于射频前端变得愈发复杂，噪声源也随之增加(如数字噪音)，但高阶调制信号(高数据速率)对噪声非常敏感，如果想将CMOS-bulk芯片上的干扰降至最低，基于现有设计技术，就需要增加芯片面积，而且极易降低功效。
另一方面，温度变化对射频前端性能的影响也越来越引起了人们的重视。用手机做对比，目前，智能手机的设计工艺能保证其温度处于一定的稳定水平(85℃以下)，但汽车的运行情况明显更加复杂，控温方面难度很大，如果处理不当，汽车内外部较大的温度变化幅度和预期的RFIC变化就会降低射频前端性能，从而影响汽车连接的可靠性，行业迫切需要引入预测性连接管理，力争在早期设计阶段就能解决上述潜在问题。
非线性和温度变化对射频前端的影响
除了频段干扰、噪声源增加、温控等因素外，Luis Andia还特别提到了5G毫米波、UWB等新技术的采用所带来的新挑战。虽然借助毫米波频谱技术可以使公共汽车、火车等交通工具上的乘客获得5G网络的数据速率，但复杂的毫米波射频前端需要高集成度、高效率、低功耗和高串扰隔离度，作为毫米波前端的关键元件，功率放大器需要足够的输出功率才能支持良好的网络覆盖。
总之，射频前端是车辆连接系统的关键元素，选择相关技术需要慎之又慎，应综合考虑以下因素：1. 资深、成熟的制造能力；2. 高效率、低功耗；3. 多协议系统共存(包括5G sub-6GHz、5G毫米波、Wi-Fi、UWB、蓝牙、GNSS等)条件下的射频信号高度完整性；4. RF CMOS和RF-SOI衬底共同发展，为移动性提供所需的高性能、高可靠性和高稳健性。
RF-SOI：射频前端的行业标准
其实，从Soitec的角度来讲，为了更有效的帮助汽车产业面对各种挑战，他们准备了包括用于4G/5G RF前端模块的RF-SOI、用于5G滤波器的POI、用于SoC模拟/射频集成的FD-SOI和碳化硅/氮化镓在内的一系列优化衬底产品组合，但在本文中，我们将把重点投向RF-SOI技术。
在《电子工程专辑》此前所撰写的多篇文章中，都对RF-SOI工艺进行了详细的介绍。简单来说，RF-SOI工艺主要用于射频前端模块制造。以5G智能手机为例，RF-SOI 器件的比例正在不断增加，例如Sub-6GHz频段中，RF-SOI含量比4G高60%；毫米波频段中，120mm2 SOI内容含量显著增加；RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射频前端中更具优越性，等等。
而当RF-SOI技术被用于汽车工业时，Luis Andia认为它将在以下四方面为射频集成提供便利：
● 有助于适应复杂的天线布局，以应对不同区域的频段
● 符合严格的热切换需求——无论汽车在事故发生后的状况如何，紧急开关都能保持工作
● 共集成开关+LNA有助于降低总系统噪声系数，提高安全(ASIL)域中的V2X接收器灵敏度
● 智能手机蜂窝网络和Wi-Fi射频前端设计领域的长期专业积淀，可用于消费级轿车的网络连接，如车载信息娱乐系统
例如作为当前性能最为出色的RF-SOI优化衬底，专为消费级产品设计的RFeSI在当前智能手机中的使用率达到了100%。为了提高线性度，在保证成本竞争力的同时，Soitec又新引入了RFeSI100，其二阶谐波能够达到低于-100dBm的性能提升。按照官方的说法，这是“首次在商业RF-SOI衬底上使用的创新材料，为eMBB和uRLLC中的所有应用提供了无与伦比的线性度。”
并行引入的可选功能还包括RFeSI_T(“T”代表温度)。通过加入一层具有极低电容率的材料，它允许RFeSI系列中的所有衬底(RFeSI80，RFeSI90和RFeSI100)可以在高达150度的温度范围内都具有极低的线性漂移，并同时保留了Trap-rich的所有其他特性并且具有成本竞争力，从而提高了关键任务应用(蜂窝网络基础设施、工业4.0、汽车、军事)的耐用性、稳定性和可靠性。
这对汽车的紧急系统来说非常关键。我们很难想象，该系统如果在恶劣的运行环境，甚至在事故发生后无法联网，无法工作，会是怎样的一种情形。因此，相关产品就必须在收发信号时兼容天线的热切换，确保在任何状况下数据都能够顺利收发。
当然，要实现高温线性度的目标，衬底优化只是整个系统解决方案的一部分，还需要和半导体产业链上的其他环节展开合作，才能确保衬底在整个系统上达到设定的温度目标。
下图则描述了各种材料在5G毫米波功率放大器中的性能表现。可以看出，在中等输出功率下，所有技术选项都具有竞争力，但凭借优越的集成能力，SOI为功效优化提供了更便捷的途径；而在高输出功率下，化合物材料脱颖而出，优势显著。
SOI晶圆的革命性晶圆键合和剥离技术Smart Cut是Soitec的核心竞争力所在，从1992年公司成立一直使用至今，在硅、碳化硅、蓝宝石衬底等多种半导体材料上得到了实践应用，它能将超薄的晶体材料从一个衬底转移到另一个衬底之上，从而打破原有的物理限制并改变整个衬底行业的状况。该技术最大的优点在于可以提高材料均匀性，降低材料缺陷密度，并且使高质量晶圆可以循环再利用，广泛应用于SOI衬底的批量生产，包括FD-SOI、RF-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI 、PD-SOI和Imager-SOI，用以满足不同市场应用的需求。
从消费级到汽车级的无缝跨越
众所周知，消费类和汽车类应用对产品性能的要求差别很大，在汽车中使用的芯片、器件、模组等都要经过非常严格的车规级标准认证。那么，Soitec又是如何确保RF-SOI在从消费类产品转移到汽车类产品的过程中实现无缝衔接的呢？
“这是一个非常好的问题。”Luis Andia说，的确，相对于消费品，汽车产品在稳定性和可靠性方面的要求更高。因此，Soitec在设计汽车类产品的时候，一定会保证产品在稳定性和可靠性上达到更高的标准，不仅是机械性能，还包括热性能等其他特点。
同时，通过相关行业的认证非常重要，无论是汽车行业标准ISO26262，还是工业行业标准IEC61508，都是如此，这一点也得到了Luis的认同。例如当用于逆变器时，汽车行业对FuSa的要求会更高，至少要达到ASIL C或D级，否则有可能造成安全隐患；而在工业领域，考虑到操作人员的安全，相关的智能功率IC也会有FuSa的需求。所以Soitec不仅自已拥有汽车方面的认证，还要确保供应商也已经获得汽车行业相关认证，这样才能加快产品从消费级向汽车领域的过渡。
尽管我们之前花费了较大篇幅介绍RF-SOI技术在汽车射频中的应用，但Luis Andia仍提醒业界说，还有两个重要的因素不可忽视：功耗与模块化。在他看来，随着汽车上集成的电子器件越来越多，若持续联网，功耗会是一个不可忽视的因素，毕竟没有人希望由于功耗太大影响行驶里程。同时，与手机能够适应不同地区的频带频宽要求不同，汽车对射频前端的尺寸和成本有着非常严格的要求，汽车OEM厂商也不希望在不同地方联网都要进行定制化，他们更倾向那些适用于所有联网网络的模块化产品，而这也是RF-SOI产品的优势所在。
谈到汽车芯片，缺货可能是近期一个无法回避的现实问题。
“确实如此，我们在产能方面也一直在想办法。但好在Soitec在法国、新加坡、比利时都设有工厂，中国也有生产合作伙伴，可以根据市场需求灵活调配产能。“Luis Andia认为，造成目前汽车供应链紧张的原因是多重的，需要全产业链协同规划，Soitec也正在密切关注市场动向，对未来产能做出适当的规划，时机成熟后会及时发布相关信息。
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