什麼是RF MEMS和RF SOI技術？誰是未來射頻技術的霸主？

什麼是RF MEMS？

所謂的RF MEMS是使用MEMS技術處理的RF產品。有望將RF-MEMS技術與MMIC高度集成，從而有可能製造出一個集成了信息獲取，處理，傳輸，處理和執行的系統集成芯片（SOC）。根據微電子技術的概念，不僅可以晶圓級生產和批量生產，而且具有價格低，體積小，重量輕，可靠性高的優點。 RF MEMS器件可分為兩大類：一類稱為無源MEMS，其結構沒有活動部件；另一類稱為無源MEMS。另一個稱為有源MEMS，具有可移動結構。在電應力的作用下，可移動部件將變形或移動。它的關鍵處理技術分為四類：平面處理技術，塊狀矽腐蝕技術，固相結合技術和LIGA技術。

射頻微機電系統（RF MEMS）是MEMS技術的重要應用領域之一，並且自1990年代以來一直是MEMS領域的研究熱點。 RFMEMS用於射頻和微波頻率電路中的信號處理，這項技術將對現有雷達和通信的射頻結構產生重大影響。隨著信息時代的到來，在無線通信領域中，特別是在移動通信和衛星通信領域中，迫切需要具有低功耗，超小型化和可與之集成的平面結構的新設備。信號處理電路。覆蓋包括微波，毫米波和亞毫米波在內的寬頻帶。但是，當前通信系統中仍然存在大量必不可少的片外分立元件，例如電感器，可變電容器，濾波器，耦合器，移相器，開關陣列等，它們已成為限制進一步降低功耗的瓶頸。系統大小。 RF MEMS技術的出現有望解決此問題。使用RF MEMS技術製造的無源器件可以與有源電路直接集成在同一芯片中，以實現射頻系統的高芯片集成，消除由分立元件引起的寄生損耗，真正實現高內聚和低耦合，可以顯著改善系統的性能。

RF SOI優於RF MEMS有哪些優勢？
首先，RF SOI工藝可以在很高的頻率下工作，Ft / Fmax滿足毫米波工作頻率的3至5倍的要求； RF SOI可以實現器件堆疊，從而同時提高功率和能量效率比；第三，RF SOI工藝中使用的襯底減少了寄生效應，因此製成的RF芯片具有更高的品質因數，更低的損耗和更好的噪聲係數。同時，這種基材還提高了產品的絕緣水平和線性；第四，RF SOI可以集成邏輯和控制功能，這是GaAs技術無法實現的。因此，GaAs器件在應用中需要配備控制芯片。使用RF SOI技術，可以將PA和控制功能集成在一個芯片上。在降低成本的同時，還節省了寶貴的PCB面積。最後，RF-SOI具有背柵偏置功能，可用於微調毫米波射頻電路以滿足使用需求。

在回顧了中國智能手機產業的發展歷史後，思茅科技總經理王慶餘指出，隨著智能手機數量的增加，對RF-SOI的需求也迅速增長，這為中國帶來了難得的機遇。開發RF-SOI。機會，但也有許多挑戰。

這兩種技術中的哪一種更適合未來？
　　射頻設備和製造工藝市場正在升溫，這一趨勢對於智能手機中使用的兩個關鍵組件-射頻開關設備和天線調諧器尤其明顯。射頻設備製造商及其代工合作夥伴繼續為當今的4G無線網絡引入基於RF SOI處理技術的傳統RF開關芯片和調諧器。最近，GlobalFoundries為未來的45G網絡引入了5nm RF SOI工藝。 RF SOI是絕緣體上矽（SOI）技術的RF版本，它利用了內置隔離襯底的高電阻率特性。

為了改變市場結構，無晶圓廠IC設計公司Cavendish KineTIcs正在推出基於替代工藝RF MEMS的新一代RF產品和天線調諧器。

射頻開關和調諧器是手機射頻前端模塊中的兩個關鍵組件。射頻前端集成了系統的發送/接收功能。其中，RF開關路由無線信號，調諧器幫助將天線調整到任何頻帶。

即使不考慮射頻設備和工藝類型的變化，當今的射頻市場也面臨著巨大的挑戰。 Cavendish KineTIcs總裁兼首席執行官Paul Dal Santo表示：“幾年前，RF是一個相當簡單的設計，但現在情況發生了翻天覆地的變化。首先，您的RF前端必須處理非常寬的範圍。頻帶從600MHz擴展到3GHz。隨著更先進的5G技術的出現，該頻段將進一步擴展到5GHz至60GHz。這給前端射頻設計師帶來了一些難以置信的挑戰。”

手機OEM必鬚麵對這一挑戰，進行權衡並考慮選擇新組件。具體而言，對於RF開關和天線調諧器，可以歸結為兩種技術-基於RF SOI工藝和RF MEMS工藝的設備。

RF SOI是當前正在使用的製造過程。基於RF SOI技術的設備可以滿足當前的要求，但是它們開始遇到一些技術問題。此外，市場仍然存在價格壓力。當器件從200mm晶圓遷移到300mm晶圓時，也會引起一些問題。

相反，RF MEMS具有一些有趣的特性，並在某些領域取得了進展。實際上，卡文迪許KineTIcs說，三星和其他OEM正在使用基於RF MEMS工藝的MEMS天線調諧器。

Strategy AnalyTIcs的分析師Chris Taylor說：“ RF MEMS可以提供非常低的導通電阻，從而減少了插入損耗。但是，RF MEMS缺乏生產記錄，而且大批量的無線系統OEM廠商不會盲目地關注於新產品。技術和小的供應商付費。當然，與RF SOI器件相比，RF MEMS的價格必須具有足夠的競爭力，但OEM仍需要驗證產品可靠性和可靠的供應來源，這是另一個主要障礙。

射頻前端
智能電話是一個大市場，在業務環境中混合了RF開關，天線調諧器和其他組件。其數據值得一看。根據Pacific Crest Securities的數據，2017年，全球智能手機出貨量預計將增長1％。 2016年，智能手機的年增長率僅為1.3％。

另一方面，根據YoleDéveloppement的數據，智能手機RF前端模塊/組件的市場規模預計將從10.1年的2016億美元躍升至22.7年的2022億美元。根據Strategy Analytics，在2016年，射頻開關設備市場價值1.7億美元。

隨著OEM繼續向智能手機添加更多RF組件，RF市場正在增長。 Strategy Analytics的泰勒說：“多頻帶LTE在低端設備中也變得越來越流行。” “射頻開關組件市場正在增長。”

在移動電話網絡過渡到4G或長期演進（LTE）的過程中，每台移動電話的RF交換設備的數量已經增加。泰勒說：“我們正在談論的出貨量非常大。” “如今，大多數RF開關設備（並非全部）都用在手機中，並且大多數都使用RF SOI製造工藝。RFMEMS仍是新興事物，與RF SOI開關相比微不足道。”

儘管RF開關的出貨量很大，但市場競爭激烈，價格壓力也更大。泰勒說，這些設備的平均銷售價格為10至20美分。

同時，在一個簡單的系統中，RF前端由功率放大器，低噪聲放大器（LNA），濾波器和RF開關等多個組件組成。

GlobalFoundries的技術員蘭迪·沃爾夫（Randy Wolf）在最近的一次演講中說：“功率放大器的主要目的是確保有足夠的能量將信號或信息傳遞到目的地。

LNA放大來自天線的小信號。 RF開關將信號從一個組件路由到另一組件。沃爾夫說：“該濾波器可防止任何有害信號進入後端。”

在手機上，2G和3G無線網絡的射頻功能非常簡單。 2G只有四個頻帶，而3G有五個頻帶。但是4G有40多個頻段。 4G不僅結合了2G和3G頻段，而且還承載了一系列4G頻段。

另外，移動運營商已經部署了一種稱為載波聚合的技術。載波聚合將多個信道或分量載波組合成一個大數據管道，以在無線網絡中實現更高的帶寬和更快的數據速率。

為了應對多個頻帶和載波聚合，OEM製造商需要復雜的RF前端模塊。如今的RF前端模塊將集成兩個或多個多模和多頻帶功率放大器，以及多個開關和濾波器。 “這取決於所使用的射頻架構。功率放大器的數量取決於手機的可尋址區域頻段。” Qorvo移動戰略營銷經理Abhiroop Dutta說：“使用單個SKU來應對多區域/全球蜂窩市場。典型的“全網通”手機具有非常寬的頻帶覆蓋範圍。在實施典型的集成RF前端時，這種手機的終端模塊，一種工程選擇是使用帶有子帶模塊的RF前端，以滿足高，中和低頻段的不同要求。”

相反，存在另一種情況，智能手機OEM可能會為特定市場設計專用手機。杜塔說：“一個例子是面向中國大陸市場的手機。在這種情況下，射頻前端需要支持該地區獨有的頻段。”

根據Cavendish Kinetics的說法，LTE手機上有兩個天線，即主天線和分集天線。基本上，主天線用於發送/接收功能，而分集天線用於提高移動電話的下行鏈路數據速率。

在實際操作中，信號首先到達主天線，然後移至天線調諧器，這使系統可以調整到任何頻帶。然後，信號進入一系列RF開關。 GlobalFoundries的Wolf表示：“它將轉換為您要使用的適用頻段，例如GSM，3G或4G。” “信號從那裡進入濾波器，然後進入功率放大器，最後進入接收器。”

考慮到這種複雜性，手機OEM面臨著一些挑戰，功耗和尺寸至關重要。沃爾夫說：“由於這種複雜性，信號在前端將遭受更多損失，這將對接收機的整體噪聲指數產生負面影響。”

顯然，RF開關在解決此問題方面起著關鍵作用。通常，智能手機可能包含超過10個RF開關設備。基本的RF開關使用單刀單擲（SPST）配置。這是一個簡單的通斷開關。

今天，OEM製造商使用更複雜的開關類型。 Ron * Coff是射頻開關的關鍵指示器。根據Peregrine Semiconductor的說法，“ Ron * Coff反映了當開關處於“ on”狀態時，RF信號發生了多少損耗（Ron或導通電阻），以及當開關處於“ on”狀態時，RF信號通過電容器洩漏了多少能量。處於“關閉”狀態（Coff或關閉電容）比率。”

總而言之，OEM製造商需要的是無插入損耗和良好隔離的RF開關。插入損耗與信號功率的損耗有關。如果RF開關無法實現良好的隔離，則係統可能會受到干擾。 “總的來說，RF前端面臨的挑戰是支持不斷增長的性能要求，並跟上不斷發展的標準和不斷增加的頻帶覆蓋範圍。不僅如此，隨著手機變得越來越薄，RF解決方案的封裝尺寸也在不斷縮小。 Qorvo的Dutta表示，諸如插入損耗，天線功率和隔離度之類的關鍵指標仍然是不斷開發射頻產品組合解決方案的動力。

解
如今，手機的功率放大器主要使用砷化鎵（GaAs）技術。幾年前，OEM將諸如射頻開關的製造工藝從GaAs和藍寶石（SoS）遷移到了RF SOI。 GaAs和SoS是SOI的變體，並且隨著RF開關變得越來越複雜，這兩個過程變得過於昂貴。

RF SOI與完全耗盡的SOI（FD-SOI）不同，適用於數字應用。與FD-SOI相似，RF SOI在基板中具有非常薄的絕緣層，可以實現高擊穿電壓和低洩漏電流。

GlobalFoundries射頻業務部負責人Peter Rabbeni表示：“移動市場對RF SOI仍然持樂觀態度，因為它可以在很寬的頻率範圍內提供低插入損耗，低諧波和高線性度，並具有良好的性能和成本效益。 ”

如今，Qorvo，Peregrine和Skyworks等公司提供了基於RF SOI的RF開關。通常，RF開關製造商會使用代工廠製造這些產品。 GlobalFoundries，意法半導體，TowerJazz和UMC是RF SOI鑄造業務的領導者。

因此，OEM在組件供應商和鑄造產品方面有多種選擇。通常，代工廠提供RF SOI工藝，覆蓋從180nm到45nm的節點以及不同的晶圓尺寸。

確定使用哪個節點取決於特定的應用程序。聯電業務管理副總裁吳坤表示：“關於RF SOI技術的規範，從技術性能，成本和功耗的角度出發，都是要考慮適合終端應用的技術解決方案。”

即使有多種選擇，RF開關製造商也面臨一些挑戰。 RF開關本身包含一個場效應晶體管（FET）。像大多數設備一樣，FET受不想要的溝道電阻和電容影響。

在射頻開關中，場效應管用於堆疊。一般來說，當今的RF開關中堆疊有10到14個FET。據專家介紹，隨著FET數量的增加，設備可能會遇到與插入損耗和電阻有關的問題。

另一個問題是電容。 Skyworks在2014年發表了一篇題為“射頻應用中SOI技術的最新發展和未來趨勢”的文章，他說：“在射頻開關中，有30％或更多的不想要的電容來自設備中的互連。互連是一種金屬層或微佈線方案，包括基於RF SOI的開關。

通常，在4G手機中，RF開關的主流製造工藝是在180mm晶圓上形成130nm和200nm節點。許多（但不是全部）互連層都基於鋁。鋁互連已在IC行業中使用了很多年，並且價格便宜，但它們也具有較高的電容。

因此，在射頻設備的選定層中使用了銅。銅是比鋁更好的導體，並且電阻較小。 Ng說：“用於130nm RF CMOS工藝產品的傳統金屬堆棧包括經濟高效的鋁互連層和性能優越的銅互連層。” 這是平衡成本和性能的最佳解決方案。 RF SOI解決方案通常包含一定數量的鋁金屬層和一個或多個銅層。

通常，銅用作頂層上的超厚金屬層，以幫助提高無源器件的性能。他說：“最好使用較厚的頂部金屬，例如銅，這樣可以最大程度地減少歐姆損耗並改善性能。”

最近，RF設備製造商已經從200mm晶圓遷移到300mm晶圓，其工藝節點也從130nm遷移到45nm。通常，300毫米晶圓廠僅使用銅互連。

僅使用銅互連，RF開關製造商可以減少電容。然而，300mm晶圓增加了製造成本，從而導致了市場上的一些矛盾。一方面，對成本敏感的手機OEM要求使用RF開關來保持價格低廉。另一方面，RF開關設備製造商和鑄造廠希望保持利潤。

Ng說：“如今，在300mm晶圓上生產的RF SOI器件很少。” “造成這種情況的原因很多，其中包括300mm RF SOI襯底的成本/可用性以及支持後矽處理的基礎設施。但是，我們預計這些挑戰在未來幾年將是巨大的。解決方案之後，大多數大批量RF SOI應用將遷移到300mm晶圓。”

在此之前，該行業可能面臨300mm的供需問題。 “我們相信，在更多的生產轉移到300mm晶圓之前，市場將始終面臨供不應求的挑戰。產能的啟動速度和需求的巨大程度將反映在供需矛盾中。” 他說。

當今的RF SOI工藝適用於4G手機。 GlobalFoundries希望在5G競爭中脫穎而出，並最近推出了適用於45G應用的5nm RF SOI工藝。該工藝利用了富含高電阻阱的SOI襯底。
5G是4G網絡的升級。如今的LTE網絡頻段介於700 MHz和3.5 GHz之間。相比之下，5G將不僅與LTE共存，而且還將在30 GHz至300 GHz之間的毫米波波段中運行。 5G會將數據傳輸速率提高到10Gbps以上，這是LTE的100倍。但預計5G的大規模部署將在2020年及以後。

無論如何，5G需要一個新的組件。 “（45nm RF SOI）主要集中在5G毫米波前端。它集成了PA，LNA，開關和移相器，以創建用於5G系統的集成毫米波可控波束形成器。” GlobalFoundries的Rabbeni說。

5G還有其他解決方案，RF MEMS就是其中之一。此外，TowerJazz和加利福尼亞大學聖地亞哥分校最近還展示了一種12Gbps 5G相控陣芯片組。該芯片組採用了TowerJazz的SiGe BiCMOS技術。

哪個過程將獲勝？只有時間會告訴我們答案。 Strategy Analytics的泰勒說：“目前尚不清楚RF MEMS在5G應用中是否具有優勢。”

什麼是RF MEMS？
基於RF SOI的RF開關將繼續佔據主導地位，但是新技術RF MEMS可能也具有一定的生存空間。 “隨著時間的流逝，SOI取得了令人難以置信的進步。電阻降低了，線性度變得更好了。” 卡文迪許動力學公司的達爾·桑託說。 “但是，SOI開關的本質是晶體管導通或截止。導通時，性能不是很好，而截止時則不是很好。

多年來，RF MEMS技術一直在穩步發展。今天，Cavendish，Menlo Micro和WiSpry（AAC Technologies）正在開髮用於移動應用的RF MEMS。

RF MEMS與陀螺儀和加速度計等基於傳感器的MEMS不同。傳感器MEMS將機械能轉換為電信號。相反，RF MEMS僅進行信號傳輸。

最初，諸如Cavendish之類的公司使用RF SOI和其他工藝將RF MEMS技術應用於天線調諧器市場。

Dal Santo說：“如果天線是固定的，我們將無法使其支持所需的不同頻段。因此需要調整天線。” “現在，主要方法是切換，要么在不同的固定電容器之間切換，要么在不同的固定電感器之間切換。問題是天線是高Q器件。您必須小心，否則會造成天線損耗。輻射性能。”

相比之下，卡文迪許的調諧器具有32種不同的電容範圍。 “它們是完全可編程的，並且具有非常好的高Q性能。因此，輻射性能損失非常低。您可以使用它們將天線調整到所需的頻率範圍。” 他說。

展望未來，卡文迪許計劃在更大的RF開關領域採用RF SOI器件。他說：“如果用真正的開關代替RF SOI，則它是MEMS開關，接收器或發射器的插入損耗將降低。” 他說。

但是，RF MEMS器件會取代基於RF SOI的器件嗎？在這個問題上，TowerJazz可以提供一些見解。 TowerJazz提供傳統的RF SOI技術，同時還是Cavendish的RF MEMS器件的代工供應商。

TowerJazz說Marco Racanelli說：“ RF MEMS和RF SOI在競爭相同應用時可能會有一些小的重疊。通常來說，它們是互補的。RFMEMS用於最苛刻的應用，而RF SOI用於其餘應用。” ，RF /高性能模擬業務部高級副總裁兼總經理。
Racanelli說：“ RF SOI技術將繼續發展，並且仍可用於RF開關應用和一些低噪聲放大器市場。” “但是，在某些特殊應用中，諸如低噪聲放大器的SiGe和開關的MEMS之類的替代技術可以提供更好的線性度或更低的損耗。總之，RF SOI將繼續成為一個不斷擴展的市場。服務以及其他技術也將得到發展。。”
RF MEMS已在天線調諧器市場中佔據一席之地，能否將其天線擴展到RF開關業務仍有待驗證。 “將來，與內置的RF SOI相比，RF MEMS通過提供更多的線性和更低損耗的開關，可以幫助提高手機的數據速率。” 他說。 “在RF MEMS中，金屬板可以在“導通”狀態下直接接觸以形成金屬的低損耗線性連接。較高的線性度允許更多的頻帶和更複雜的調製方案，從而提高電話的數據速率。