日趋严重的射频前端设计焦虑在SOI中得到缓解

根据Soitec最新公布的2022财年财报，其300mm晶圆销售额达到4.88亿欧元(占总收入的57%)，与2021财年相比增长了79%。其中，得益于5G智能手机的广泛应用，300mm RF-SOI晶圆的销售取得强劲增长。

在Soitec移动通信部门高级业务发展经理Luis Andia看来，RF-SOI之所以能够取得如此巨大的成功，主要是由于RF-SOI衬底具备极优的表面均匀性（surface uniformity）、极高的耐久性(high ruggedness)、可靠的高电阻率以及无缺陷性(defect free)，加之Soitec拥有的高产能和出色良率，从而能够助力晶圆厂有效提高生产良率，实现产品的高线性度和信号的完整性。

Soitec移动通信部门高级业务发展经理Luis Andia

从技术角度来看，RFeSI SOI富陷阱层能够捕捉氧化埋层和高电阻操作层中游离的寄生电荷(parasitic charge)，确保衬底具备非常高的电阻率，从而给晶体管和其它无源器件带来了极高的信号线性度和完整性。下图对SOI+低电阻率晶圆、SOI+高电阻率晶圆、RFeSI SOI富陷阱+高电阻率晶圆三种材料进行了比较，可以发现，“RFeSI SOI富陷阱+高电阻率晶圆”的信号失真度(distortion)是最低的，线性度是最高的。

Luis Andia说，随着5G、Wi-Fi 5/6(E)、GNSS、V2X等连接技术的大量应用，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。

但RFeSI SOI所拥有的极高线性度，不但能够帮助实现Wi-Fi系统和蜂窝系统的共存，减少相邻频段的干扰。同时，即使在非常复杂的5G毫米波射频前端中，富陷阱层也能实现极好的隔离，防止信号串扰。

射频前端日趋复杂

RF-SOI、FD-SOI、用于滤波器的POI和用于高功率产品的RF-GaN，在Soitec产品线中被统称为Connect-SOI，主要应用于5G sub-6GHz/毫米波、移动蜂窝以及Wi-Fi等领域。

当前，RF半导体设计者都在挖空心思为5G系统寻找新材料、新设计和新架构，这是由于5G使用不同的高频频段来实现高速数据传输，因此5G 射频前端模块所需要的功率放大器、滤波器、开关、LNA和天线调谐器的需求量倍增，速度之快令人措手不及。

从下图中不难看出，2010年时RF-SOI还主要应用于开关和部分射频前端控制器件当中；到了2016年，随着载波聚合数量的不断增加，RF-SOI开始应用于天线调谐器、滤波器、功率放大器、开关中；而到了2022年及之后，移相器、低噪声放大器、分路器/合路器、功率放大器、开关、控制和支持系统……越来越多的射频前端器件都开始基于Connect-SOI衬底进行设计。

对于智能手机设计者来说，庞大的零部件数量很让人头疼，他们必须将所有这些RF模块全部塞到一部5G手机里；5G智能手机开发商也担心RF器件的质量、散热和能效问题，因为这些都可能降低RF前端模块的性能。

此外，并不是每个RF器件都使用相同的材料或相同的技术，这也解释了为什么Soitec为射频系统准备了一揽子优化衬底方案的原因：RF-SOI工艺主要用于5G智能手机射频前端中的开关器件和天线调谐器；FD-SOI用于SoC模拟/射频集成；压电(POI)优化衬底用于生产高性能表面声波(SAW)滤波器组件，主要针对4G和5G新无线电(NR)波段；硅基氮化镓(GaN-on-Si)和碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)则是进入5G GaN功率放大器市场的利器。

同时，考虑到先进封装技术越来越复杂，不少用于5G前端的封装还面临温度管理方面的挑战。所以Soitec也正在同生态系统合作伙伴一起，共同解决温度管理、降低功耗、减少系统之间的干扰等诸多问题。

其实，RF-SOI和FD-SOI是相互补充的技术。在解决5G不同频段共存的问题上，它们可以为射频设计提供更多的灵活性，特别是一些手机需要兼容6GHz以下和毫米波频段时。当然，这涉及到的不仅仅只有5G手机，还包括其他5G基础设施。因此，即便是在面对除智能手机之外的垂直应用领域，比如汽车、工业、窄带物联网(NB-IoT)时，Soitec也能够利用RF-SOI衬底优化实现创新。

以我们最熟知的汽车“鲨鱼鳍天线”或是“车身平板天线”为例，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)，可以看到其内部包含了相当复杂的射频电路，用以确保汽车连接的稳定性、可靠性和节能性。

而在目前业界谈论最多的5G毫米波应用中，由于大气吸收和障碍物，毫米波频率在距离上比6GHz以下频率更容易遭受信号衰减。为了补偿这种衰减，毫米波射频前端采用了大规模MIMO阵列设计，将RF信号集中在更窄的波束中，以实现更好的距离覆盖和更高的能效，但随之而来的后果是射频前端的复杂性大幅增加。

得益于RF-SOI技术的存在，不但使开关、PA、LNA、移相器、可变增益放大器(VGA)被完全集成在一起，还同时具有控制、偏置、内存和电源结合功能。而如果一些客户愿意牺牲部分性能以获得更高的集成度和更小的芯片尺寸时，可以选择将部分频率转换与RFFE集成到FD-SOI 技术中。

射频前端的无缝跨越

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？ 

Luis Andia说，Wi-Fi、蜂窝网络、蓝牙、GPS、sub-6GHz 5G、5G毫米波这些系统能够共存是有原因的。每一个通信系统都要满足具体的需求。因此，了解相关应用的具体需求最为关键，之后基于对需求的理解，再决定使用何种材料来加以实现。

例如相对于消费品更关注整体拥有成本，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。

此外，RF-SOI技术在汽车射频中应用时，还有两个重要的因素不可忽视：温度管理(thermal management)和信号干扰。Luis Andia解释称，对于低噪声放大器而言，当温度升高时其噪声系数会快速上升，所以Soitec在设计中会推荐使用能量密度相对较高的材料，如RF-GaN；而RFeSI SOI和POI则能够最大限度地减少相邻系统之间的干扰。

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。

总体而言，前文所列举的各种优化衬底技术已经不再是小众市场，整个生态系统相对比较成熟，Soitec正在与合作伙伴一起共同理解射频生态中各个环节的实际需求、发展趋势和架构，确保优化衬底和对应的模块、测试封装技术都能够实现完美兼容。