射频设备和商业升温过程

射频设备和工艺技术市场升温,尤其是对两个关键组件用于smartphones-RF开关设备和天线调谐器。

射频设备制造商及其铸造伙伴继续加大传统射频开关芯片和调谐器基于RF SOI工艺技术对于今天的4 g无线网络。最近,GlobalFoundries介绍了RF SOI 45 nm制程工艺未来5 g网络。RF SOI, RF版本的绝缘体(SOI)技术,利用高电阻率基质内置隔离。

试图破坏景观,卡文迪什动力学、双IC设计公司,正在加大,在竞争的新一代的射频开关和天线调谐器基于另一种技术,射频微机电系统。

射频开关和调谐器的关键部件在一个手机的射频前端模块。射频前端集成系统中传输/接收功能,和RF开关线路信号。调谐器帮助适应任何频段的天线。

无论设备和技术类型、RF市场的挑战是艰巨的今天。”几年前,射频是一个相当简单的设计,”Paul Dal圣说,总裁兼首席执行官卡文迪什动力学。“但是现在事情已经发生了翻天覆地的变化。首先,你有一个非常广泛的射频前端必须处理的频率范围,扩展从600兆赫到3 GHz。先进的信号技术和5克,将5 GHz 60 GHz。这使一些难以置信的挑战在前端射频设计师。”

考虑到这些挑战,手机oem为一些新的组件必须权衡权衡选择。专门为射频开关和天线调谐器,它可以归结为两个technologies-RF SOI-based设备和射频微机电系统。

RF SOI是现任技术。设备基于RF SOI有能力,但是他们开始遇到一些技术问题。最重要的是有市场的价格压力,和有问题的设备迁移从200 mm到300 mm晶圆厂。

相比之下,RF MEMS有一些有趣的特性和选择地区正在取得进展。事实上,卡文迪什动力学说,其射频MEMS-based天线调谐器被合并三星和其他厂商。

“射频MEMS联系提供非常低的导通电阻,因此低插入损耗,”克里斯•泰勒表示Strategy Analytics分析师。“但RF MEMS也没有生产记录,和大容量无线系统oem厂商不会提交在很大程度上提升到一个新的技术和小型供应商。当然,RF MEMS在竞争力的价格来替代,但主要是oem厂商想要证明产品可靠性和可靠的供应来源。”

射频前端
不过,段值得看智能手机在一个混合的商业环境,射频开关的大市场,调谐器和其他组件。总的来说,智能手机出货量预计将在2017年增长1%,2016年1.3%的增长相比,根据Pacific Crest Securities。

另一方面,手机的射频前端模块/组件市场预计将从101亿年的2016美元到227亿美元,到2022年,根据Yole开发署。总的来说,射频开关设备市场在2016年17亿美元的业务,根据战略分析。

射频市场增长,oem厂商继续添加更多的射频智能手机中的内容。“多波段LTE还在二线设备,”Strategy Analytics”泰勒说。“切换内容增长。”

射频开关设备的数量/电话跳在转移到4 g,或者长期演进(LTE)。“我们谈论的是每年大量的单位,”泰勒说。“大多数,但不是全部(射频开关),进入手机,和绝大多数的这些现在SOI。射频MEMS仍然是一个新兴的市场,相对于RF SOI很小开关。”

尽管货物编号为射频开关,在市场激烈的竞争和价格压力。平均销售价格(asp)为这些设备之间的10到20美分,他说。

与此同时,在一个简单的系统中,射频前端由几种components-power放大器;低噪声放大器(LNA);过滤器;和射频开关。

图1:一个简单的前端模块。来源:Globalfoundries,“设计下一代细胞和无线交换机使用RF SOI,”技术,2016年5月。

”(amp)的力量主要目的是确保有足够的电力信号或消息到达目的地,”兰迪·沃尔夫说,一名技术人员在GlobalFoundries,在最近的一次演讲。

一个小信号放大器放大天线。一个射频开关线路信号从一个到另一个组件。”(一个过滤器)阻止任何不需要的信号,”狼说。

在手机中,射频功能简单2 g和3 g无线网络。有四个频段在2 g, 3 g和5。但对4 g,有40多个频段。4 g不仅包含2 g和3 g的乐队,而且4 g的乐队。

最重要的是,移动运营商部署的技术称为载波聚合。载波聚合结合几个频道,或组件的航空公司到一个大数据管道,使更多的无线网络带宽和数据速率更快。

处理频率乐队和载波聚合、oem厂商需要复杂的射频前端模块。今天的模块可能整合两个或两个以上的多模、多波段功率放大器,以及几个开关和过滤器。“这取决于采用的射频结构。不受区域的数量由手机频段被解决。在一个典型的“全球”的电话、地址多个/全球市场所有的细胞通过一个SKU,频带覆盖全面,“战略营销经理Abhiroop Dutta表示在Qorvo移动。”在一个典型的集成射频前端模块实现这样一个电话,一种选择是使用一个乐队分裂的射频前端模块地址高、中、低频段。”

相比之下,智能手机oem厂商可能设计特定区域的手机市场。“手机就是一个例子,针对中国国内市场。在这种情况下,射频前端需要支持乐队特定于该地区,”杜塔说。

图2:一个4 g的前端。来源:GlobalFoundries,“设计下一代细胞和无线交换机使用RF SOI,”技术,2016年5月。

LTE手机也有两根天线,主要和多样性,根据卡文迪什动力学。主要的天线是用于传输/接收功能。基本上,多样性天线增强手机的下行数据速率。

主要的操作,一个信号到达天线。然后移动到天线调谐器,它允许系统适应任何频段。

然后,信号进入一系列的射频开关。“它切换到适当的乐队你想使用GSM, 3 g或4 g,“GlobalFoundries”狼说。从那里,信号进入过滤器,其次是功率放大器。最后,到达接收器。

考虑到这种复杂性,手机厂商面临一些挑战。电力消耗和大小是至关重要的。“由于这种复杂性,你在前端越来越丧失,这是对你有负面影响放大器的总噪声图你的接收器,”狼说。

显然,射频开关起着关键作用来帮助解决这一问题。总的来说,智能手机可能将超过10射频开关设备。一个基本的射频开关有单极、单投(SPST)配置。这是一个简单的开关。

今天,原始设备制造商使用更复杂的开关配置。罗恩* Coff是射频开关的关键指标。“罗恩* Coff比率的多少损失发生在无线电信号通过一个开关在“上”状态(罗恩,或导通电阻)和通过电容器的无线电信号泄漏多少“关闭”状态(Coff或电容),“根据外来半导体。

总之,oem厂商希望射频开关没有插入损耗和良好的隔离。插入损耗包括信号功率的损失。如果开关不具有良好的隔离,系统可能遇到的干扰。“总的来说,射频前端面临的挑战是支持提高性能的需求,发展标准和增加频带范围保持一致。所有这一切,希望减少解决方案的大小减少射频足迹,当手机变薄。关键指标如插入损耗,功率,天线和隔离仍然是司机的解决方案在我们射频组合,“Qorvo杜塔说。

的解决方案
功率放大器的今天,手机,手机oem厂商大多使用砷化镓(砷化镓)技术。然后,几年前,oem迁移蓝宝石上硅和砷化镓(SoS)为射频开关RF SOI。砷化镓和SoS, SOI的变体,只是太贵了。

RF SOI是不同于耗竭SOI (FD-SOI),这是面向数字应用程序。像FD-SOI, RF SOI衬底薄绝缘层,使高击穿电压和低射频泄漏。

“移动市场将继续支持RF SOI,因为它提供了低插入损耗和谐波和高线性宽频率范围,良好的性能,和成本效益,”Peter Rabbeni说GlobalFoundries RF业务单位主管。

今天,Qorvo,游隼,Skyworks和其他人提供基于RF SOI射频开关。通常,射频开关制造商使用铸造厂做这些产品。GlobalFoundries,意法半导体,TowerJazz RF SOI和联电球员铸造业务。

oem厂商有几种选择的组件供应商和铸造产品。通常,铸造厂提供RF SOI过程从180纳米到45 nm节点和在不同晶片大小。

决定的一个节点或另一个取决于应用程序。“关于在RF SOI技术扩展,一切都是关于拟合技术解决方案到适当的应用程序从技术性能,成本和权力的角度来看,“沃尔特·Ng说,企业管理的副总裁联华电子。

即使选择,射频开关制造商面临着一些挑战。射频开关本身包含一个场效应晶体管(FET)。与大多数设备,场效应晶体管遭受不必要的通道电阻和电容。

在一个射频开关,场效应晶体管堆积。通常情况下,一些10到14场效应晶体管堆积在今天的射频开关。随着叠加场效应晶体管的数量增加,设备可能会遇到插入损耗和阻力,根据专家。

另一个问题是电容。在一个射频开关,30%或更多的不必要的电容是由于设备的互联,根据天行者在2014年的一篇论文中,标题为:“最新进展和未来趋势为RF SOI的应用程序。“互联是金属层或微小的芯片布线方案,包括射频SOI-based开关。

一般来说,在4 g手机,射频开关的主流流程180 nm和130 nm节点在200 mm晶圆厂。互连层的很多但不是全部是基于铝。用于集成电路产业多年来,铝互联是便宜的,但他们也有更高的电容。

因此,铜用于选择在射频设备层。铜是更好的导体和电阻低于铝。“130海里的传统金属栈射频CMOS工艺产品包括铝互连层的组合成本,和铜互连层性能,“Ng说。“通过这种方式,它是一个更优的解决方案来平衡成本和性能。RF SOI的解决方案通常是一定数量的铝金属层和一个或多个铜层。”

通常,铜是顶部层用作超金属提高被动元件性能的选项。“厚表层金属,最好是铜,减少电阻,改善性能损失,”他说。

最近,射频设备制造商已经从200毫米到300毫米晶圆厂,迁移的过程从130纳米到45纳米。通常,300毫米铸造工厂过程晶片只使用铜互联。

通过只使用铜互联,开关制造商可以降低电容。但300 mm也意味着更高的晶片成本,在市场上产生一些摩擦。一方面,oem厂商手机市场需求更低的价格。另一方面,设备制造商和铸造厂想维持它们的利润率。

“今天,只有很小比例的RF SOI是产生在300毫米,“Ng说。“有很多原因,包括成本/ 300毫米RF SOI基板、基础设施支持后硅处理和其他因素。然而,我们认为,这些挑战将会解决很大一部分在未来的几年里,然后大部分的高容量RF SOI应用程序将迁移。”

在那之前,行业可能面临一些供应/需求问题300毫米。“我们认为,需求将继续挑战供应,直到更多的生产迁移300毫米。然后,它将多快,容量是线的问题,如何将匹配需求,”他说。

一般来说,今天的RF SOI流程是针对4 g手机。寻求在5克舞台上跳,GlobalFoundries最近推出了5 g的RF SOI 45 nm制程工艺的应用程序。高电阻率的过程利用trap-rich SOI基板。

5 g是4 g的后续。今天的LTE网络操作从700兆赫到3.5 GHz。相比之下,与LTE 5克不仅共存,但也会在毫米波波段30兆赫到300兆赫。5 g将使数据传输速率超过10 gbps, LTE的吞吐量或100倍。但是5 g的大规模部署预计不会发生,直到2020年及以后。

无论如何,5 g将需要一个新类的组件。”(45纳米RF SOI)主要集中在使5 g毫米波前端集成PA, LNA、开关、相移来创建一个集成mmwave可操纵的beamformer 5 g系统,“GlobalFoundries Rabbeni说。

5 g,还有其他的解决方案。射频MEMS是一种可能性。另一个可能的解决方案,TowerJazz和加州大学圣地亚哥分校最近发布了一个12 gbps, 5 g相控阵芯片组。芯片使用TowerJazz的锗硅BiCMOS技术。

获胜者?时间会告诉我们。“目前还不清楚是否RF MEMS将为5 g有优势,”Strategy Analytics”泰勒说。“单片集成电路可以赢得一天至少对SOI 6-GHz之上。”

射频MEMS是什么?
射频SOI-based开关将继续主导景观,但可能会有一个新的technology-RF MEMS的空间。随着时间的推移“SOI取得难以置信的进步。线性电阻下降,变得更好,”卡文迪什动力学Dal圣说。“但SOI开关只是一个晶体管开启或关闭,它不是很好时,它不是很好”的时候了。

射频MEMS多年来一直在进行。今天,卡文迪什,门罗微观和WiSpry射频MEMS (AAC技术)发展为移动应用程序。

射频MEMS比传感器是不同的微机电系统,如陀螺仪和加速度计。传感器MEMS传感器,将机械能转化为电信号。相比之下,RF MEMS进行信号。

最初,卡文迪什和其他人有针对性的RF MEMS天线调谐器市场,在射频SOI-based开关和其他技术。

图3:天线调谐器和开关。来源:卡文迪什动力学

“你有天线。如果他们是固定的,他们不可能使所需的频段范围需要支持。所以他们需要调整,”木豆圣说。“现在,占主导地位的方法是采取一个开关,开关在不同的电容器,固定电容器或不同固定电感器。问题是天线高品质因数的设备。你必须小心你不负载或您将看到辐射性能的损失。”

相比之下,卡文迪什的调谐器有32个不同的电容范围。“他们是完全可编程和有一个非常高品质因数的性能。所以他们非常低的损失。您可以使用这些来优化您的天线的频率范围需要支持,”他说。

展望未来,卡文迪什计划承担射频SOI-based射频开关设备在更大的舞台。“如果你替换那些有一个真正的开关,这是一种MEMS开关,然后你可以看到积累插入损耗你传达你的接收机或发射机中受益,”他说。

但将RF MEMS器件取代那些基于RF SOI吗?一个公司,TowerJazz,或许能提供一些见解。TowerJazz提供传统RF SOI过程,也是铸造供应商卡文迪什的RF MEMS设备。

“可能会有一些小的重叠,RF MEMS和RF SOI将争夺相同的应用程序。一般来说,他们会互补(与)射频MEMS赢得在最苛刻的应用程序和RF SOI,“Marco Racanelli说,高级副总裁兼总经理TowerJazz高性能射频/模拟业务单元。

“RF SOI继续进化,因此仍然是可行的和首选的射频低噪声放大器的开关应用程序和一部分市场,“Racanelli说。“不过,有一些应用程序替代技术,如锗硅低噪声放大器和MEMS开关,可以提供改进的线性或降低损失。虽然RF SOI将继续服务于不断扩大的市场,其他技术也会有他们的地方。”

射频MEMS天线调谐器市场正在削弱。时间会告诉我们,如果科技可以打开开关业务。“未来,RF MEMS可以帮助增加数据速率在手机通过提供一个更多的线性和低损耗开关相对于一个建于RF SOI,”他说。“这是可以理解的,如果我们考虑在RF MEMS,金属板可以在直接接触来‘上’状态,形成一个金属,低损耗,线性连接。更高水平的线性允许更多的乐队和更复杂的调制方案,可以提高数据速率在手机。”

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