RF-SOI市场现状是这样...未来还将走向3D化

在最近举办的上海FD-SOI论坛上，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员魏星提到，IC集成电路制造技术的发展分成三个方向，分别是器件微缩的摩尔定律（more Moore）；在射频、功率、MEMS、硅光等多样化应用方向的more than Moore；以及偏非硅的未来材料研究——叫Beyond CMOS。

如果将这三个方向应用到SOI（绝缘体上硅）器件上，那么FD-SOI属于摩尔定律的推进；而在more than Moore方向则包含了RF-SOI、BSOI和硅光SOI。虽然就市场规模来看，后一个方向的应用是不及FD-SOI的，但RF-SOI也是现在的热门——尤其在经过了这些年的技术与生态推进以后。

RF-SOI的RF是指射频。意法半导体官网对RF-SOI的解释是，这是一种特种工艺，针对模拟RF性能与RF前端需求优化。一般我们说常规的RF-SOI是基于PD-SOI沟道，也就是Partial Depleted SOI。这是相对于FD-SOI的Fully Depleted SOI而言的。SOI器件结构大致上包含最上层的顶层硅，中间的BOX（Buried Oxide Layer）绝缘层，以及底层硅层。

在次日的国际RF-SOI论坛活动上，格芯（GlobalFoundries）射频技术副总裁Julio Costa在媒体采访中解释说，FD-SOI的顶层硅很薄，对于低功耗应用而言就有相当的价值，还能获得较高的Ft, Fmax。“但对于手机里面射频前端模组，需求较高功率输出、VRMS电压的应用来说，FD-SOI就不适用了。”也就成为部分耗尽的PD-SOI主场，“如此一来，就会有很出色的体控制，以及较高的VRMS电压，对于RF射频而言非常适用（really nice niche)。”

他也在主题演讲中谈到了GlobalFoundries在FD-SOI与PD-SOI器件的应用方向差异，如上图所示。在FD-SOI论坛的报道中，我们已经分享过GlobalFoundries在FD-SOI技术方向上22FDX及后续工艺的进展情况。而借助国际RF-SOI论坛，我们也来看看RF-SOI发展到哪儿了。

RF-SOI的潜在市场机会在哪儿？

和FD-SOI论坛一样，国际RF-SOI论坛的上一届举办时间是2019年，期间因为疫情停办。论坛组织方包含了新傲科技、芯原、硅产业集团，与SOI国际产业联盟。2021年初，SEMI宣布SOI国际产业联盟正式加入SEMI，所以组织方名单中也出现了SEMI的名字。

上海硅产业集团股份有限公司执行副总裁、上海新傲科技股份有限公司总经理、董事王庆宇在采访中介绍说：“时隔四年，我们实地开展论坛活动。今天看到报告，因为参会人员太多，昨天我们还不得不把在线注册通道关闭。”“我们举办这个活动的主旨，一方面是宣传RF-SOI，和SOI相关的技术、产品、应用；另一方面，更重要的是我们期望建立一个平台，让大家能够相互交流。”

“这个产业不是一家公司就能够做好的，需要上下游产业链，共同建立生态系统。”王庆宇还特别提到中国在这一生态中的重要性，“对于SOI产业联盟来说，中国是不可忽视的市场”，“拿射频这块来说，中国是最大的市场，因为中国占到全球5G连接点的60%，中国的5G用户也是全球最多的。所以中国更要积极推广SOI。不仅是在射频领域，包括汽车、传感器、光电等领域，SOI国际产业联盟都要做积极推广，让更多人知道SOI的价值。

同为SOI产业联盟执行委员会成员，Incize首席执行官Mostafa Emam则说：“好像过去几年SOI产业联盟没那么活跃，所以我们期望未来12个月内，组织更多有吸引力的活动，并且整合、推进SEMI生态”，“不光RF射频，也不光是在上海一个地方”，以期“构建SOI产业联盟与SEMI生态的联结，共同成长”。

SEMI China总裁居龙在主题演讲中分享了全球半导体SOI市场规模的数据：2022年SOI市场规模约在14亿美元左右，预计到2027年，这一市场会以15%的CAGR增长率，增长至29亿美元。在整个半导体市场中，这个数值的占比并不算大——但于SOI自身，已经是相当不错的成长水平——可搭配我们在FD-SOI论坛报道中的相关数字做参考。

另外，Yole Intelligence对于SOI晶圆产量预测大致如下图。Yole的这份数据显示，智能手机仍然是而且未来也将是SOI应用的大头——即便其占比正在对应地降低。除此之外，汽车、可穿戴、成像都是SOI的重要市场；增长率最高的三个市场分别是可穿戴、电信基础设施以及硅光。

若要具体到RF-SOI，可部分参考Julio给出的数据：他在主题演讲中提到2020年以后，RF-SOI技术正式步入成熟期，RF-SOI市场价值已经超过了20亿美元，晶圆产量是700k晶圆/年——这份数据和SEMI与Yole给出的数据量级不同，仅供参考（与FD-SOI论坛上，IBS给出的数据量级也有差异），这可能和统计范围或方式有关——所以该值不能作为RF-SOI在整个SOI市场占比中的数据依据。

在接受采访时，Julio做出了一些补充说明：“RF-SOI市场相比整个CMOS器件市场，应该说只是很小一部分。”“RF-SOI很难上到万亿级别。我在演讲中提到现在的手机上有80mm²是属于RF-SOI的，未来10年或许还可能翻番。但传统的RF市场相对复杂。”“另外，FD-SOI的TAM潜在市场也会比RF-SOI更大。”

“但还是需要明确，RF-SOI对于射频来说仍然很重要，因为对于某些应用而言，并没有其他更好的解决方案。”实际上，Julio在主题演讲中给出了手机蜂窝网络射频前端架构，从4G到5G的演进图，如下图所示。其中红框框出来的部分即是基于或包含RF-SOI器件的部分。

“这两个架构其实也就只相差了4年，但最大band频段数量从25个增加到了45个；天线数量也增加到了8；而且还需要4G、5G支持并存。”Julio说，“从频带转换、LNA（低噪放大器）、滤波驱动，到天线调谐器（antenna tuner）、完整的收发器（transceiver）等等——这对RF-SOI产业而言无疑是巨大的成功。组成部分加起来超过了80mm²——放到10+年前，这是不可想象的。”

RF-SOI在射频前端模组中的应用构成，除了Julio提供的5G手机射频架构图，还可以参考下面这张图：

在GlobalFoundries眼中，RF-SOI市场发展的潜在驱动因素包括了（1）未来10年数据流量的显著增长（Julio援引思科数据，10年内增长5000倍），会驱动移动解决方案中射频前端模组的RF-SOI部署；（2）在所有主要的4G/5G平台以及毫米波解决方案上，RFSOI-on-HRSI(High-Resistivity silicon)技术准备就绪；（3）毫米波SoC上，SOI将与SiGe BiCMOS和bulk CMOS解决方案竞争；（4）FR3频段，switch上可与RF MEMS和RF GaN-on-Si解决方案做竞争；（5）下一代SOI会采用3D键合或interposer的解决方案，用于异构集成，这也会成为市场增长点。

值得一提的是，Julio在采访阶段提到，虽然智能手机市场本身趋于饱和，但单个手机的射频元器件部署及价值（RF-SOI content per handset）在增加，呈现出“稳定的增长曲线，且可持续”；王庆宇也表示5G的应用并不只是智能手机，“自动驾驶、智慧工厂等等，包括矿井的远程操作...还有更多的应用场景，5G的潜力并未被完全挖掘。”

RF-SOI技术本身的发展阶段如何？

“本世纪初，SOI产业是基本不存在的。经过很多人的努力，SOI才有了今天的成绩。”Julio在演讲中说，“RF-SOI相比几年前也已经大不一样了。”而SOI的发展，显然是离不开技术本身的进步的。从2005年手机支持2个频段，到现如今的45个频段，“如果我们只是依靠传统解决方案，今天的手机就做不到这样，我大概也不会站在这儿。”

在Julio看来，如今人们对于5G的使用，99%的流量都集中在FR1频段内。“大城市的5G使用体验就是非常拥塞。而且未来数据流量还要成倍增长。”“FR2就进入到毫米波区间了，一些高端手机会用上Silicon Beamformer——目前的市场接受度都还不算特别高——只占到全球数据流量的1%。”未来走向5G+、6G，“都需要SOI的参与”。

从最初的无人关注，到未来的必不可少，RF-SOI技术的发展也经历了艰苦卓绝的过程。Julio说1990年之时，他刚刚博士毕业，也迎来了SOI技术的起步——“当时我们缺好的衬底（substrate）”；“1995年，其实我们已经有了可完全集成的switch、RFIC和控制器，但衬底仍然是问题，没有低成本的高阻硅衬底，最早的SIMOX SOI衬底良率问题也很大。”

2000年之后，Soitec引入SmartCut工艺，大幅提升了良率和产能。“如果没有这项技术的引入，我觉得行业大概也不会存在。”对于RF-SOI而言，还有个很重要的部分，即相对低成本的高阻硅衬底引入，这也成为行业发展的必要条件，正式“将SOI带入到了新纪元”。

千禧年后，几家重要的foundry厂开始提供RF-SOI技术——当时仍然面临的一个问题是衬底表面的界面效应导致信号线性度不理想。但在随后的2000s末期，两种方案“几乎消除了衬底的界面效应”，如上图所示。Julio特别强调了Soitec投入的Trap Rich衬底——他总结说，行业如果没有Trap Rich，SmartCut，以及高阻衬底这三项重要因素，“我们也不会在这儿开会”。

然后才“有了现如今20亿美元的RF-SOI市场，年产超过700k晶圆”。Julio表示，“这间房间里，正在参会的各位，应该没有哪个人的手机里面是没有RF-SOI器件的。这是个巨大的成功。”下面这张图展示了当代的RF-SOI开关器件及其相关参数。

“到目前为止，GlobalFoundries的RF-SOI晶圆出货量已经超过了100万片。我想确切数字应该比100万要多很多，因为供应链部署的产品显然不止这么多。”到2023年，GlobalFoundries引入了9SW SOI工艺，包括Ron-Coff < 80fs，90nm数字密度与性能，dual Airgap module。

最后值得一提的是GlobalFoundries认为，随着元器件数量增加，尤其“解决方案2倍content面积增长”，异构集成、chiplet会成为RF-SOI的发展趋势。在媒体采访环节，Julio说：“我们想一想5年以后，可能FEM需要现在2倍的频段支持，那就没有空间能堆放了——要么把开关做到一半大小，或者实现更高的集成度。”

“在让SOI变小这件事情上，我们能做的已经非常有限(we are almost out of tricks to make SOI smaller)。行业能看到的方案，是晶圆键合、chiplet键合或者让整个模组更小的解决方案。”“未来可能会看到wafer-to-wafer键合，无论是BAW filter, SAW filter，还是PA等组成部分。”据说GlobalFoundries已经在堆叠解决方案上有所行动，Julio表示未来几年内GlobalFoundries会公开更多3D SOI的技术细节。

今年的国际RF-SOI论坛的几乎所有演讲和圆桌，都在对外展示这项技术的潜力是无限的——和前些年不同的是，有确切的产品与占板面积作为佐证，来表明RF-SOI市场的兴盛。

就市场大趋势来看，社会数字化，及互联互通需求的增长——Mostafa谈到IoT万物互联很快会达到500亿设备的连接，加上健康医疗等方面的新需求可基于雷达一类非传统感知技术来实现，这些对RF-SOI而言都是巨大的市场机会。

在我们看来，RF-SOI的发展与FD-SOI是相对同步的，增长逻辑也基本相同，毕竟电子产业的市场大趋势就是在2030年达到万亿级别——RF-SOI作为现阶段射频领域不可或缺的技术，自然能够获得大量的发展机会。