一文读懂 | SOI技能时代下的“芯”浪潮若何卷动国内市场_射频_调谐器

寄生电容小；集成密度高；速率快

什么是SOI

SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，该技能是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。
事理便是在硅晶体管之间，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。
形成SOI材料的技能有以下3类：

SOI的上风

SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底肃清了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采取这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速率快、工艺大略、短沟道效应小及特殊适用于低压低功耗电路等上风。

此外，在SOI晶圆（SOI wafer）本身衬底的阻抗值的部分也会影响到元件的表现，因此后来也有公司在衬底上进行阻抗值的调度，达到射频元件（Radio frequency component、RF component）特性的提升。
原来应通过交流器的电子，有些会钻入硅中造成摧残浪费蹂躏；SOI可防止电子流失落，与补强一些原来Bulk wafer中CMOS元件的缺陷。

RF SOI是一种具有独特的硅/绝缘层/硅三层构造的硅基半导体工艺材料，它通过绝缘埋层(常日为SiO2)实现了器件和衬底的全介质隔离。
由于RF-SOI 能够以最优的性价比实现更高的线性度和更低的插入损耗，它可以为人们带来更快的数据速率、更长的电池寿命，和频率更稳定、流畅的通信质量。

数十年来，电信根本举动步伐市场一贯由宏和微基站驱动。
如今，借助 5G 大规模 MIMO 有源天线系统，射频 (RF) 组件行业正在选用越来越多的射频组件。
Yole Group 旗下的 Yole Intelligence 估计，电信根本举动步伐射频市场在 2021 年代价30亿美元，估量到 2025 年将达到45亿美元。

SOI的三大发展方向

RF-SOI：是一种具有独特的硅/绝缘层/硅三层构造的硅基半导体工艺材料，它通过绝缘埋层(常日为SiO2)实现了器件和衬底的全介质隔离。
由于RF-SOI 能够以最优的性价比实现更高的线性度和更低的插入损耗，它可以为人们带来更快的数据速率、更长的电池寿命，和频率更稳定、流畅的通信质量。
RF-SOI能够担保非常高的旗子暗记的线性度和旗子暗记完全性。

Power-SOI：紧张布局为单晶顶层硅片（mono-crystal top material），中间氧化埋层（buried oxide）及底层的硅基底（silicon base）。
由于Power-SOI晶圆加厚Buried Oxide构造，能够有效战胜高电压可能穿透元件的问题，实现功率元件利用上的稳定性。
因此，Power-SOI紧张运用于BCD（BIPOLAR-CMOS-DMOS）功率集成电路制造技能中的高压元件集成。

FD-SOI：(全耗尽型绝缘体上硅)是一种平面工艺技能,从构造上看， FD-SOI晶体管的静电特性优于传统体硅技能。
埋氧层可以降落源极和漏极之间的寄生电容，还能有效地抑制电子从源极流向漏极，从而大幅降落导致性能低落的泄电流。
此外，FD-SOI还具有许多其他方面的独特优点，包括具有背面偏置能力，极好的晶体管匹配特性，可利用靠近阈值的低电源电压，对辐射具有超低的敏感性，以及具有非常高的晶体管本征事情速率等，这些优点使得它能事情在毫米波频段的运用中。

SOI的运用领域

RF-SOI的适用范围

采取RF SOI工艺的芯片针对各种运用，但最大市场是手机中的射频前端模块。
RF SOI芯片不是手机中唯一利用的器件。
智好手机由数字芯片和射频芯片组成，其余还包括电源管理芯片。
基于CMOS的数字部分由运用场置器和其他器件组成。

射频组件集成在射频前端模块中，该模块卖力处理传输/吸收功能。
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。
LNA用于放大来自天线的小旗子暗记，而滤波器可防止任何不须要的旗子暗记进入系统。
LNA和滤波器利用不同的工艺。

同时，开关芯片和调谐器基于RF SOI。
RF开关将旗子暗记从一个组件传送到另一个组件，调谐器可帮助天线调度到任何频段。

RF Front End Module

4G Phone FEM Example

随着韶光的推移，5G也将事情在毫米波波段。
这涉及到30 GHz~300 GHz之间的频段。
RF架构须要修正，以覆盖个中一个频段。
为此，RF收发器将把IF或中频收发器和下变频器与一个基于CMOS的毫米波RF前端模块结合在一起。

GF毫米波5G波束形成系统

RF-SOI在智好手机中的运用

智好手机领悟了多样化的功能，包括无线电发射和吸收、数字处理、 存储、音频、电池 管理、摄像和显示等，通过前端模块能够实现蜂窝电话和基站之间的射频旗子暗记传输和吸收。
高性能开关的市场需求在2016年更加强烈。
当时已经演进出了LTE技能，涌现了4G以及许多繁芜的模块，也涌现了天线调谐器。
RF-SOI也随之被运用到越来越多的天线调谐器以及开关当中。
对付射频前真个开关、射频前端掌握等器件，RF-SOI是利用得最多的。

在智好手机中，射频开关处于射频前真个关键位置且必不可少，其插损、回损、隔离度、谐波抑制和功率容量等性能对射频前端链路有主要影响。
射频开关的紧张浸染在于通过掌握逻辑，实现对不同方向（吸收或发射）、不同频率的旗子暗记进行切换，以达到共用天线、节省终端产品本钱的目的。

发展到本日的5G时期，智好手机须要更加繁芜的模块和更高的集成度。
LNA也被集成到开关当中。
5G 毫米波对付高集成度有着更强烈的需求。
目前，靠近100%的射频开关都是基于Connect-SOI技能开拓的，即RF-SOI或FD-SOI技能；超过80%的集成低噪声放大器都是基于RF-SOI开拓的，靠近100%的天线调谐器是在用Soitec的SOI技能。
据先容，Soitec 的RF-SOI 产品已经成为行业标准， 在大规模生产中被用于制造射频前端模块的IC ，同时知足芯片制造商对本钱与性能哀求。

RF-SOI在汽车领域的运用

比较智好手机，当代汽车对付连接性的需求和依赖程度更高。
目前的远程通信不仅要利用蜂窝网络，也非常依赖V2X的连接，还要利用专属的近间隔通信系统，包括WiFi、蓝牙等。
新兴的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他连接系统正在助力移动做事范围的进一步扩大。
例如，它们通过提升车辆与道路根本举动步伐之间的无线交互来提高驾驶安全性，或是与其他车辆之间的无线交互来优化交通条件。
车载无线连接还可以轻松实现车内的高质量视频与音频娱乐内容访问，让搭客体验更加舒适。

RF- SOI不仅可以运用于智好手机上，许多日常生活中的设备上都能看到RF- SOI的身影。
RF- SOI还用于每天利用的物联网的设备上，比如说像智能耳机、腕表等。
而且也不仅仅适用于蜂窝通信，还包括5G、蓝牙、WiFi以及超宽带UWB。
对付5G毫米波，当前也面临着提高集成度等相似的寻衅。
对付毫米波，客户可以根据终极运用选择不同的射频前端架构。
一些客户可能会优先考虑非常高性能的射频前端，而其他客户可能会捐躯部分性能以得到更高的集成度和更小的芯片尺寸。
对付第一种情形，可以在 RF-SOI 中集成完全的高性能射频前端（PA + LNA + 开关 + 移相器 + 支持功能）；而在第二种情形下，可以选择将部分频率转换与 RFFE 集成到 FD-SOI 技能中。
这终极取决于客户的运用以及他们的竞争策略。

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Tower RF-SOI平台

Tower Semiconductor的RF-SOI和RF-CMOS技能办理方案可为消费、根本举动步伐和汽车运用供应高速、低噪音及低功耗的产品。

Tower Semiconductor 的RF SOI平台拥有低Ron-Coff（导通电阻-关断电容）、高度线性、功能丰富的平台，可实现最高性能的4G/LTE和5G前端模块（FEM）产品。
Tower Semiconductor的RF-SOI工艺系列结合了3-7金属层CMOS工艺以及1.2V、1.8V、2.5V和5V晶体管选项。
基于经硅验证的精确模型和设计库，以及天下一流的设计支持，以及丰富的大规模量产履历，为客户供应完美的射频办理方案。
此类工艺非常适宜例如蜂窝式交流机等须要隔离的产品，可实现优于>-40dB的出色信道隔离度、低于0.35 dB的插入损耗，在蜂窝功率水平下优于110dBc的低谐波，以及低于-117 dBm的互调失落真。
低噪声放大器还可以与特定的低噪声、高增益器件，高线性以及通过厚铜层或铝层实现的低损耗电感集成在一起。
除有源器件外，工艺选择还包括硅化及非硅化多晶电阻、RF金属-绝缘体-金属（MIM）电容、金属边际电容（MFC）、可缩放几何电感、固定几何电感、固定几何巴伦（平衡-不平衡变换器），和变压器。
衬底选项包括具备最佳Ron-Coff性能的“薄膜”工艺和类似有源MOSFET基极行为的“厚膜”工艺，无浮体效应。
该平台由我们的MPW操持支持，用于快速项目开拓。

RF-SOI平台特色

RF-SOI所做事的市场领域

Tower Semiconductor

Tower Semiconductor Ltd. （NASDAQ: TSEM, TASE: TSEM），环球特种工艺晶圆代工的领导者， 同旗下Jazz Semiconductor, Inc. 和 TowerJazz Texas Inc.以及TowerJazz Panasonic Semiconductor Co. 互助经营品牌Tower Semiconductor 。

Tower Semiconductor 的客户遍及汽车、医疗、工业、消费、航空航天和国防等领域。
过去几年中，Tower Semiconductor 在推动客户成功的同时，实现了创记录古迹增长。
我们将连续追求卓越的技能与品质，保持强劲的增长前景。

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文章部分素材参考：https://semiengineering.com/rf-device-and-process-biz-heats-up/

关于摩尔精英

摩尔精英以“让中国没有难做的芯片”为义务，通过一站式芯片设计和供应链平台，结合自有封测工厂和设备的快速相应能力，给有多样化、定制化芯片需求的芯片和终端公司，供应长期、规模化、正规化、安全、高效的“从芯片研发到量产一站式交付”的办理方案，降落客户风险、加速产品上市、提高运营效率，助力客户办理中国芯片卡脖子问题。

公司成立于2015年，公司核心团队来自于IBM、SMIC、ASE等公司，具备丰富的供应链管理履历和能力。
业务覆盖了800家芯片客户，在无锡、合肥、重庆多地布局2万平封装测试工厂，核心设备投资超过4亿元。