RF SOI战争开始

一些铸造厂扩大工厂能力RF SOI工艺在智能手机的巨大需求和这项技术的短缺。

许多铸造厂增加200毫米RF SOI工厂能力以满足日益增长的需求。GlobalFoundries, TowerJazz,台积电和联华电子扩大或抚养RF SOI进程在300 mm晶圆厂明显竞赛获得第一波射频业务5克下一代无线标准。

RF SOI是一个专业的过程用于制造选择射频芯片,如开关设备和天线调谐器,智能手机和其他产品。RF SOI是绝缘体的射频版本(SOI)技术,这是不同的耗竭SOI(FD-SOI)数字芯片。

有几个在玩RF SOI动力学。简而言之,频带的数量已经增加了无线网络。所以oem厂商必须添加更多的射频组件,如基于RF SOI射频开关,智能手机处理这些乐队的复杂性以及其他问题。

反过来,这导致许多射频芯片需求高于预期,特别是基于RF SOI工艺。事实上,需求超过供应整个RF SOI供应链,导致短缺在许多方面。

“整个供应链是非常紧密的,”Thomas Piliszczuk说客户集团的执行副总裁和营销在Soitec, FD-SOI和RF SOI基板的供应商。“我们正在经历一段时间的需求比生态系统可以提供什么。”

在这个舞台上的大问题:

•RF SOI开始生产200毫米和300毫米从Soitec和其他基质。但是供应商不能跟上衬底需求达到200毫米,300毫米的能力是有限的。
•Soitec和其他人出售RF SOI基板厂、哪个进程成射频芯片。铸造供应商有200毫米RF SOI能力,但是他们仍然不能跟上需求的步伐。
•增加一些铸造厂300毫米RF SOI,但能力是有限的。一些世界上5%的RF SOI容量在300毫米,但这应该增加到2019年的20%。

“今天有一个紧密的情况下,因为需求如此强劲。需求正在加速。甚至有一个加速度的第一代5 g增速低于GHz技术。所有的这些都是产生更多的需求,”Piliszczuk说。“我们将克服它在接下来的几个季度。”

总的来说,该行业预计150万年至160万年200 mm等效RF SOI晶片,2018年比2017年增长15%至20%,根据Soitec。大约在2020年,这一数字预计将超过200万片。

RF SOI适合哪里?
芯片使用RF SOI流程是针对各种应用程序,但最大的市场是在手机射频前端模块。总的来说,Gartner预测,2018年全球手机出货量将达到19亿台,比2017年增长1.6%。在2019年,智能手机销量有望增长5%,根据Gartner。

RF SOI晶片并不是唯一的设备中使用手机。智能手机由数字和射频芯片。基于互补金属氧化物半导体,应用程序的数字部分包括处理器和其他设备。

射频组件集成到一个射频前端模块,负责传输/接收功能。前端模块由很多组件组成,包括功率放大器、天线调谐器,低噪声放大器(恢复),过滤器,射频开关。

通常情况下,功率放大器是基于砷化镓(砷化镓),这是一个III-V化合物。功率放大器提供了一个信号到达目的地。

恢复放大一个小信号从天线,而过滤器阻止任何不需要的信号进入系统。恢复和过滤器使用不同的流程。

同时,开关芯片和调谐器是基于RF SOI。射频开关线路信号从一个组件到另一个地方,和调谐器帮助任何频段天线调整。

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。

图2:另一个射频前端模块。来源:意法半导体

多年来,RF内容/手机智能手机尽管增长放缓。“在射频世界,乐队不断增加的数量。所以我们的增长率在射频方面的房子是两位数的领土,而手机本身是在个位数的领土,“说Bami Bastani, RF业务部门的高级副总裁GlobalFoundries。

在无线系统中,无线电频谱分为频段。几年前,航空公司2 g和3 g无线网络部署。有四个频段在2 g, 3 g和5。

最近,航母部署4 g LTE无线标准先进,提供更快的数据率智能手机。它还创建了乐队在细胞分裂的世界。许多国家已经分配自己的光谱,因此LTE现在在不同的频率在不同的国家工作。事实上,今天的4 g无线网络由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。

此外,移动运营商部署技术称为载波聚合。“这意味着你把这些乐队在一起,所以你可以有更多的下载功能。这也是乐队的数量上升的一个原因,因为你总他们,”Bastani解释道。

越来越多的乐队,再加上载波聚合,已经影响了射频市场。首先,每个手机射频内容增加由于大量的频带。2000年,在手机射频内容是2美元。相比之下,今天的智能手机射频12至15美元之间内容与第一批5 g智能手机/电话搬到18美元到20美元每单位。

处理乐队的数量,今天的射频前端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。“任何时候你有一个乐队,这意味着你需要一个过滤器和一个开关。一般来说,你把一个开关在一个非常小的IC,银行”Bastani说。“如果你看看这些模块,有20到30个组件,从过滤器RF SOI开关和安培力量。”

一般来说,现在的LTE手机有两个antennas-main和多样性。主要的天线是用于传输/接收功能。多样性天线增强手机的下行数据速率。

图3:一个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。

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。智能手机可能将超过10射频开关设备。这些设备的信号切换到适当的乐队。从那里,信号进入过滤器,其次是功率放大器。

所有这一切加起来手机oem厂商的主要挑战。电力消耗和大小是至关重要的,这就是为什么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。

总之,智能手机正在推动的复杂性对射频组件的需求,特别是开关和调谐器。“需求是由增加的内容在手机射频开关和物联网设备,主要建立在RF SOI,“Marco Racanelli说,高级副总裁和总经理的高性能射频/模拟业务单元TowerJazz。

“每个新一代的手机,例如,要求支持越来越多的乐队和标准,每个需要过滤器切换的RF SOI电路的组件。RF SOI也用于无线接收和转换功能,在天线调谐器提高接待,”Racanelli说。“天线数量的增加也导致这种趋势,与多样性天线现在越来越普遍。和米姆(multiple-in-multiple-out)天线被采用,每个需要附加射频开关帮助指挥交通。”

压力下的供应链
跟踪射频供应链是另一个挑战。例如,功率放大器是由一群选择的砷化镓供应商。这些和其他供应商也设计其他类型的射频设备。他们中的许多人使用传统的射频CMOS流程,而不是RF SOI。

不过,一般来说,射频开关和天线调谐器是基于RF SOI。在许多情况下,这些芯片是由铸造厂。

RF SOI开始专门的高电阻率底物的生产。在衬底,trap-rich层夹在晶片和埋氧化层。trap-rich层复苏衬底的高电阻率特性,这减少了插入损失和增加的线性系统。

图4:RF SOI衬底来源:Soitec

Soitec是最大的RF SOI基板供应商以70%的市场份额。Soitec RF SOI基板生产200毫米和300毫米。

另外两个供应商,信越GlobalWafers,还生产200毫米和300毫米基于Soitec RF SOI基板的技术。(GlobalWafers和Soitec分享彼此签订SOI相关的专利,所以从GlobalWafers Soitec也生产许可证下SOI基板)。此外,中国的Simgui RF SOI基板生产200毫米。

供应紧张的200毫米和300毫米的基板。“RF SOI衬底能力正在经历一个瓶颈(阶段),“Soitec Piliszczuk说。“这将提高在更多的200毫米(2019)能力可以,在我们的合作伙伴Simgui合格。这是在进步。”

300毫米的情况也将随着时间改变。“随着不断增长的需求,这三个suppliers-Soitec,信越,GlobalWafers-keep增加产能,“他说。“这种情况将改善前进。从(2019),应该覆盖所有需求。”

不过,铸造厂想要更多的300毫米RF SOI衬底能力尽快。基板供应商愿意增加更多的容量,但只有如果有更多的需求和行业愿意帮助基金,分析师表示。

所以目前,300毫米衬底供应是有限的。技术最重要的是,价格在2.7到3倍200毫米,这是高于平均为300毫米。

许多厂商客户,希望300毫米cost-comparable RF SOI基板,200毫米。所以很多客户可能不愿迁移速度到300毫米,至少在短期内,分析师表示。

“在市场上,有一个不断增长的需求更多的RF SOI的能力,”沃尔特·Ng说,企业管理的副总裁联华电子。“市场需要更多的能力。他们需要更多的单位。但问题是,容量需求继续碰撞。”

在某种程度上,这个行业可能需要重新审视供应链。“行业增长的机会有业务和支持市场的要求。整个供应链的模型会有一些的,”Ng说。

一旦RF SOI基板,他们被运往铸造厂,哪个进程成射频开关芯片、天线调谐器和其他产品的客户。

工厂,射频开关和天线调谐器是使用传统的CMOS构建过程。使用传统蚀刻处理芯片,沉积、光刻等步骤。

对于今天的电话,RF SOI晶片在200 mm晶圆厂。事实上,绝大多数的射频开关和其他产品仍将在200毫米。“今天,绝大多数的RF SOI 8英寸。RF SOI,运行在180海里,搬到130 nm和110 nm。其中一些已经搬到12英寸,”Ng说。

今天,世界上95%的RF SOI芯片是建在200 mm晶圆厂。GlobalFoundries, TowerJazz,联电,索尼、中芯国际、台积电、HHGrace和意法半导体都有200毫米RF SOI工厂产能。

更大的RF SOI铸造厂抚养300毫米。GlobalFoundries, TowerJazz,台积电和联华电子在300毫米阵营。这些过程从130纳米到45纳米。

300毫米不能解决整个RF SOI产能不足。300毫米的能力主要是针对高端5 g系统,和一些能力分配给今天的4 g手机。

然而,300毫米RF SOI是要求5克。最初,5 g网络将在2019年部署在sub-6GHz频率范围,毫米波技术。

对RF SOI, 300毫米有几个优点超过200毫米。“300毫米提供了更多的过程控制和全自动化(fab)、“GlobalFoundries Bastani说。“公差,重复性和收益率为最终客户对他们的产品比200毫米。”

在200毫米RF SOI,一些但不是全部的芯片互连层是基于铝。铝互联是便宜的,但他们也有更高的电容。“当你搬到300毫米的世界,这是铜。这些射频产品需要被动电感等元素。所以,我们的一个长处是我们做粗铜线,”Bastani说。“真正的价值是,当你到达山顶两层,这是许多微米表面。现在,你没有任何干扰或电感和厚铜导线之间的耦合与衬底之上。”

集成是300毫米的最大优势。第一波5 g手机将有一个类似今天的4 g系统射频前端架构。5克,最大的不同是,oem厂商想要将单独的RF开关和LNA集成到单个设备。

LNA-switch集成,200毫米不起作用,这就是300毫米)符合。“集成波是将开关和恢复在一起现在,”他说。“我们正在采取的几何图形LNA 55纳米领域。不是整件事情。开关非常快乐在130 nm和180 nm。放大器是非常快,低噪声设备。你做不到55纳米200毫米线。”

还有其他的好处。例如,GlobalFoundries出货45纳米RF SOI 300毫米。“提高交换机的性能30%或40%。它需要放大器的性能由另一个20%到30%,”他说。“它减少了足迹和改善噪音。”

也有设计考虑。“在传统的体系结构中,采用集成收发器内,“B.J. Woo说,业务发展副总裁台积电。“但5 g,质量已成为重要的信号。因此,放大器需要放在尽可能靠近天线的信号质量。为了达到这个目标,我们使用RF SOI集成开关和LNA。”

随着时间的推移,5克也将在毫米波波段操作。这涉及到乐队的频谱30兆赫到300兆赫。“射频架构将需要修改覆盖频段之一。为了达到这个目标,RF收发器将把IF或中频收发器和转换器与cmos的毫米波射频前端模块,”Woo说。

图5:2018 mmWave GlobalFoundries 5 g波束形成系统。来源:Globalfoundries

“射频内容会对射频复杂性的增加5 g手机。考虑到有限的空间里实现这越来越多的射频解决方案大小是当务之急。,集成将继续增加,不仅对大小,而且对性能。离散5 g的解决方案可以看到在试验期间,但很快就会直接跳跃到高阶射频前端模块与PA、过滤、转换和放大器的功能包括,”本·托马斯说,Qorvo 5 g的移动业务发展总监。

“当我们去5克,可能会有更多的乐队取决于该地区,如n77 n78和/或79人,将在全球范围内部署在不同的组合。5 g手机将使用更复杂的调优和antenna-plexing管理双上行的复杂性和提高MIMO配置,旨在提高数据传输速度。所有这一切正在成倍增加,加上CA组合会导致更多的天线调谐,更复杂的过滤,更多的切换和射频前端模块,把这些函数和功率放大器。简而言之,需要更多的射频一切交付5 g的承诺更多的数据,”托马斯说。

300毫米RF SOI竞赛
与此同时,铸造厂扩大RF SOI的能力。GlobalFoundries, RF SOI的领导者,增加300毫米RF SOI两fabs-East鱼难,纽约和新加坡。过程包括130 nm和45纳米。

一段时间,GlobalFoundries已经运行200毫米RF SOI两fabs-Burlington Vt.和新加坡。“这是一个优先投资上下链。我们也投资于200毫米的能力,“GlobalFoundries Bastani说。

TowerJazz,与此同时,已经航运200毫米RF SOI一段时间。公司增加300毫米RF SOI在日本的工厂。这个过程是基于65海里,虽然工厂45 nm制程的能力。

台积电和联电航运200毫米RF SOI一段时间计划进入300毫米竞赛。

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