RF SOI產(chǎn)能嚴(yán)重不足，襯底等原材料缺貨是元兇？

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5G 的日益臨近正在推升業(yè)界對 300mm 和 200mm 射頻晶圓的需求，晶圓短缺，供不應(yīng)求。

為了應(yīng)對智能手機對 RF SOI 工藝的巨大需求造成的供不應(yīng)求，幾家晶圓代工廠正在努力擴大 RF SOI 工藝的產(chǎn)能。

許多代工廠正在提高 200mm RF SOI 晶圓的產(chǎn)能，以滿足急劇增長的需求。格羅方德、TowerJazz、臺積電和聯(lián)電也正在擴大和提高 RF SOI 的 300mm 晶圓產(chǎn)能，為即將帶來的下一代無線標(biāo)準(zhǔn) 5G 爭奪第一波射頻業(yè)務(wù)。

RF SOI 是用于制造智能手機和其它產(chǎn)品上使用的開關(guān)器件和天線調(diào)諧器等特有 RF 芯片的專用工藝。RF SOI 是絕緣體上硅（SOI）工藝的 RF 版本，不同于用于數(shù)字芯片的完全耗盡 SOI（FD-SOI）。

市場需求的變化引起了 RF SOI 的供應(yīng)短缺。簡而言之，由于無線網(wǎng)絡(luò)中的頻帶數(shù)量增加，OEM 廠商必須在智能手機中增加更多 RF 元件，比如基于 RF SOI 工藝的射頻開關(guān)，用在智能手機中處理復(fù)雜的頻段和其它問題。

不僅是射頻開關(guān)器件，很多 RF 器件的需求也超出預(yù)期，特別是基于 RF SOI 工藝的器件。實際上，整個 RF SOI 供應(yīng)鏈供不應(yīng)求，幾種器件都出現(xiàn)了短缺。

“整個供應(yīng)鏈非常緊張，”FD-SOI 和 RF SOI 襯底供應(yīng)商 Soitec 的客戶群和營銷執(zhí)行副總裁 Thomas Piliszczuk 說。 “我們正在經(jīng)歷需求比生態(tài)系統(tǒng)的供應(yīng)更大的一段時期?！?/p>

這個領(lǐng)域目前面臨的重大問題包括：

1、Soitec 及其他公司生產(chǎn)的 200mm 或 300mm 襯底是 RF SOI 的基礎(chǔ)原料，供應(yīng)商無法滿足業(yè)界對 200mm 襯底的需求，300mm 的產(chǎn)能也有限。
2、Soitec 及其他公司將 RF SOI 襯底銷售給晶圓廠，晶圓廠制造 RF 芯片，但是目前晶圓廠的 200mm RF SOI 產(chǎn)能無法滿足巨大的需求。
3、幾家晶圓廠正在抓緊提升 300mm RF SOI 產(chǎn)能，但產(chǎn)能有限。全球 RF SOI 產(chǎn)能只有 5%在 300mm 晶圓上，到 2020 年時這個比例應(yīng)該增加到 20%。

“因為需求非常強勁，現(xiàn)在的情勢比較緊張，而且需求還在加速提升。第一代 5G sub-6GHz 技術(shù)的上市時間甚至還在提速，所有這些都產(chǎn)生了更多需求，”Piliszczuk 說。 “我們將在接下來的幾個季度內(nèi)克服這些挑戰(zhàn)?！?/p>

根據(jù) Soitec 的數(shù)據(jù)，整個行業(yè)預(yù)計 2018 年將出貨 150 萬到 160 萬片 RF SOI 工藝的 200mm 等效晶圓，比 2017 年增長 15％-20％。預(yù)計到 2020 年，這一數(shù)字將超過 200 萬片。

RF SOI 適合用在哪里？
很多應(yīng)用都可以使用基于 RF SOI 工藝的芯片，但是它最大的目標(biāo)市場是手機中的射頻前端模塊。據(jù) Gartner 預(yù)測，2018 年全球手機出貨量將達到 19 億部，比 2017 年增長 1.6%，2019 年的智能手機出貨量增速將達到 5%。

手機中除了使用 RF SOI 芯片，還包括數(shù)字芯片和其它射頻芯片?；?CMOS 工藝的數(shù)字芯片包括應(yīng)用處理器和其它器件。

射頻組件集成到一個射頻前端模塊中，處理射頻發(fā)射和接收功能。前端模塊由多個組件組成，包括功率放大器、天線調(diào)諧器、低噪聲放大器（LNA）、濾波器和射頻開關(guān)。

通常，功率放大器基于砷化鎵（GaAs）工藝，砷化鎵是一種 III-V 族化合物，功率放大器提供所需的功率，使得信號可以到達目的地。

低噪聲放大器放大來自天線的小信號，濾波器則過濾所有不需要的信號，阻止它們進入系統(tǒng)。 低噪聲放大器和濾波器使用的工藝多種多樣。

開關(guān)芯片和調(diào)諧器使用 RF SOI 工藝。RF 開關(guān)將信號從一個組件路由到另一個組件上，調(diào)諧器幫助天線適應(yīng)任何頻段。

圖 1 一個簡單的前端模塊

圖 2 另一個前端模塊

多年來，盡管智能手機的銷售增速放緩，但單臺手機中的 RF 器件數(shù)量卻在不斷增長?！霸?RF 世界中，頻帶數(shù)量不斷增加，因此，盡管智能手機出貨量增速僅為百分之幾，而射頻器件的增長率卻達到兩位數(shù)?！备窳_方德 RF 業(yè)務(wù)部高級副總裁 Bami Bastani 表示。

在無線系統(tǒng)中，無線電頻譜被劃分為多個頻段。很多年前，運營商部署了 2G 和 3G 無線網(wǎng)絡(luò)，其中，2G 有四個頻段，3G 有五個頻段。

近年來，運營商部署了名為 LTE Advanced 的 4G 無線網(wǎng)絡(luò)，4G 可以幫助智能手機獲得更快的數(shù)據(jù)速率，同時也造成了蜂窩世界的頻帶碎片化。許多國家都分配了各自不同的頻譜，所以現(xiàn)在的 LTE 手機需要能夠在不同國家的不同頻段上工作。事實上，今天的 4G 無線網(wǎng)絡(luò)包含多達 40 多個頻段，4G 不僅融合了 2G 和 3G 頻段，還融合了多個 4G 頻段。

除此以外，移動運營商還部署了一項稱為載波聚合的技術(shù)?！斑@項技術(shù)意味著你可以將這些頻段放在一起，這樣你就可以獲得更高的下載速度。這也是頻段數(shù)量不斷上升的原因之一，因為你可以把它們聚合在一起使用，“Bastani 解釋說。

越來越多的頻段，再加上載波聚合，已經(jīng)影響了射頻市場的增長曲線。首先，由于頻帶數(shù)量龐大，每部手機的 RF 器件含量正在增加。2000 年，手機中的射頻器件價值為 2 美元，今天每部智能手機的射頻器件價值在 12 美元到 15 美元之間，預(yù)計第一批 5G 智能手機的射頻器件價值將上漲到 18 美元到 20 美元以上。

然后，為了處理眾多頻段，今天的 RF 前端模塊可能集成了兩個或更多的多模多頻段功率放大器以及多個開關(guān)和濾波器?！爱?dāng)加入一個頻段時，必須要有一個相應(yīng)的過濾器和開關(guān)。一般來說，你可以把一堆開關(guān)放在一個非常小的集成電路中，“Bastani 說。 “看看今天的射頻前端模塊，里面有 20 到 30 個組件，包括濾波器、RF SOI 開關(guān)和功率放大器等?！?/p>

通常而言，今天的 LTE 手機有兩個天線 - 主天線和分集天線。其中，主天線用于發(fā)送和接收功能，分集天線用于提高手機的下行數(shù)據(jù)速率。

圖 3 一個 4G 前端

在實際操作中，信號首先達到主天線，接著移動到一個天線調(diào)諧器上，它使得系統(tǒng)可以適應(yīng)任何頻段。

然后，信號通過一系列射頻開關(guān)，一部智能手機可能包含 10 多個射頻開關(guān)器件，這些器件把信號切換到適當(dāng)?shù)念l段上，然后，信號進入濾波器、功率放大器。

所有這些都給手機 OEM 廠商帶來了重大挑戰(zhàn)。射頻前端的功耗和尺寸至關(guān)重要，這就是 OEM 廠商希望射頻開關(guān)沒有插入損耗并能實現(xiàn)良好隔離的原因所在。插入損耗會導(dǎo)致信號功率的損失，如果開關(guān)器件沒有實現(xiàn)良好的隔離，系統(tǒng)可能會遇到干擾。

總而言之，智能手機的復(fù)雜性推動了對 RF 組件的需求，特別是開關(guān)和調(diào)諧器。TowerJazz 高級副總裁兼射頻 / 高性能模擬業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理 Marco Racanelli 表示：“RF SOI 工藝的需求受到手機和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中射頻開關(guān)內(nèi)容增加的驅(qū)動，這些器件主要采用 RF SOI 工藝制造?！?/p>

“例如，每一款新手機都需要支持越來越多的頻段和標(biāo)準(zhǔn)，并且每款手機都需要基于 RF SOI 的濾波器。 RF SOI 也用于 WiFi 的接收和切換功能，以及用于改善接收性能的天線調(diào)諧器，”Racanelli 說。 “天線數(shù)量的增加也是導(dǎo)致供不應(yīng)求一個的原因，以前只有一個主天線，現(xiàn)在分集天線已經(jīng)變得更加常見。而且手機正在采用 MIMO（多輸入多輸出）天線，每個天線鏈路都需要額外的射頻開關(guān)來幫助引導(dǎo)流量。”

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壓力下的供應(yīng)鏈
跟蹤 RF 供應(yīng)鏈也是一個挑戰(zhàn)。比如，功率放大器由一些砷化鎵供應(yīng)商生產(chǎn)，還有這樣那樣的供應(yīng)商設(shè)計其它類型的 RF 器件，其中有許多使用傳統(tǒng)的 RF CMOS 工藝，而不是 RF SOI 工藝。

不過，一般來說，射頻開關(guān)和天線協(xié)調(diào)器都是基于 RF SOI 工藝生產(chǎn)。在很多情況下，這些器件由代工廠制造。

圖 4 RF SOI 襯底

RF SOI 器件的制造是由高電阻率襯底的生產(chǎn)開始的。在襯底中，富陷阱層夾在晶片和掩埋氧化物層之間。 富陷阱層可以恢復(fù)襯底中的高電阻率屬性，從而降低插入損耗并提高系統(tǒng)的線性度。

Soitec 是 RF SOI 襯底的最大供應(yīng)商，擁有 70%的市場份額。Soitec 同時生產(chǎn) 200mm 和 300mm RF SOI 襯底。

其他兩家供應(yīng)商 Shin-Etsu 和 GlobalWafers 也基于 Soitec 的技術(shù)生產(chǎn) 200mm 和 300mm RF SOI 襯底。除此之外，中國的 Simgui 也生產(chǎn) 200mm RF SOI 襯底。

200mm 和 300mm RF SOI 襯底的供應(yīng)都很緊張?！癛F SOI 襯底產(chǎn)能正在經(jīng)歷一個瓶頸期，”Soitec 的 Piliszczuk 說。 “這種局面將在 2019 年得到改善，屆時，我們的合作伙伴 Simgui 將推出更多 200mm 襯底產(chǎn)能并獲得認(rèn)證。”

隨著時間的推移，300mm 襯底的產(chǎn)能情況也會有所改善?！半S著需求的不斷增長，Soitec、Shin-Etsu 和 GlobalWafers 這三家供應(yīng)商都在不斷增加產(chǎn)能?！彼f?！斑@種情況將推動事情向有力的方向發(fā)展。從 2019 年開始，所有需求都應(yīng)該能被滿足?！?/p>

盡管如此，代工廠還是希望能夠提供更多 300mm RF SOI 襯底產(chǎn)能。分析師表示，襯底供應(yīng)商愿意增加更多產(chǎn)能，但只有在需求增加而且業(yè)界愿意幫助提供資金的情況下才會真正增加產(chǎn)能。

所以，目前來說，300mm 襯底的供應(yīng)有限。最重要的是，300mm 襯底的價格比 200mm 襯底貴 2.7 倍到 3 倍，比普通 300mm 襯底的平均售價也高。

但是，許多成本敏感的客戶都希望 300mm RF SOI 襯底的成本下降到與 200mm 襯底相當(dāng)。分析師稱，出于對成本的顧慮，很多客戶可能不愿意那么快向 300mm 轉(zhuǎn)換，至少在短期內(nèi)是如此。

“在市場上，RF SOI 的產(chǎn)能需求不斷增長，”聯(lián)電業(yè)務(wù)管理副總裁 Walter Ng 表示。 “市場需要更多的產(chǎn)能。他們需要更多的出貨單位。但問題是對產(chǎn)能的需求還在不斷上漲?！?/p>

也許到了某個時間點，行業(yè)會重新審視供應(yīng)鏈?！皩I(yè)界來說，有機會發(fā)展業(yè)務(wù)并支持市場需求，整個供應(yīng)鏈怎么達到供需平衡的模式正在被摸索出來?！盢g 說。

RF SOI 襯底制造出來后就會被運送到晶圓廠，然后被加工成 RF 開關(guān)芯片、天線調(diào)諧器和其它產(chǎn)品。

在晶圓廠中，RF 開關(guān)和天線采用傳統(tǒng)的 CMOS 工藝制造。芯片使用傳統(tǒng)的蝕刻、沉積、光刻和其他步驟進行處理。

對于今天的手機來說，RF SOI 芯片是在 200mm 晶圓廠中生產(chǎn)的。事實上，絕大多數(shù)射頻開關(guān)和其他產(chǎn)品仍然會繼續(xù)使用 200mm 晶圓。 “今天，大多數(shù) RF SOI 晶圓都是 8 英寸，工藝尺寸正在從 180nm 向 130nm 和 110nm 演變。其中有一些已經(jīng)轉(zhuǎn)換到 12 英寸晶圓上?！?Ng 說。

今天，全球 95%的 RF SOI 芯片都是在 200mm 晶圓廠中制造的。格羅方德、TowerJazz、聯(lián)電、索尼、中芯國際、臺積電、HHGrace 和意法半導(dǎo)體均擁有 200mm RF SOI 晶圓廠產(chǎn)能。

較大型的代工廠正在提供 300mm RF SOI 產(chǎn)能。格羅方德、TowerJazz、臺積電和聯(lián)電都能提供 300mm 產(chǎn)能。它們的工藝節(jié)點范圍是從 130nm 到 45nm。

然而，300mm 晶圓并不能解決 RF SOI 的整體產(chǎn)能緊張問題。300mm 產(chǎn)能主要面向高端 5G 系統(tǒng)，其中一部分產(chǎn)能可以分配給當(dāng)今的 4G 手機。

盡管如此，300mm RF SOI 是實現(xiàn) 5G 的必備要求。5G 網(wǎng)絡(luò)將在 2019 年初次部署，采用 6GHz 以下的頻段，并將應(yīng)用毫米波技術(shù)。

對于 RF SOI 而言，300mm 對 200mm 存在若干優(yōu)勢?！?00mm 工藝可以提供更多的過程控制，并實現(xiàn)全自動化（在晶圓廠），”格羅方德的 Bastani 說。 “300mm 客戶的產(chǎn)品的公差、一致性和良率都優(yōu)于 200mm?！?/p>

在 200mm RF SOI 中，芯片中的一部分互連層基于鋁。鋁互連成本較低，但它們的電容也更高。 “當(dāng)你轉(zhuǎn)向 300mm 的世界時，要使用的就是銅互聯(lián)。這些 RF 產(chǎn)品需要具有如電感器之類的無源元件。 我們的強項之一是能做粗銅線，“Bastani 說。 “真正的價值在于，對于最頂上兩層，您的電感和頂部厚銅線之間沒有任何干擾或耦合?！?/p>

集成是 300mm 的最大優(yōu)勢。第一波 5G 手機將擁有與當(dāng)今 4G 系統(tǒng)類似的 RF 前端架構(gòu)。但是，對于 5G 來說，最大的區(qū)別在于，OEM 想要將單獨的射頻開關(guān)和 LNA 集成到一個器件中。

200mm 晶圓實現(xiàn)不了 LNA 和開關(guān)的集成，300mm 可以?！艾F(xiàn)在的集成趨勢是將開關(guān)和 LNA 集成到一起，”他說。 “我們正在將 LNA 的工藝尺寸下探到 55nm 的范圍，但是，開關(guān)器件工藝尺寸的舒適區(qū)間是 130nm 和 180nm。LNA 是一種非常快速、低噪聲的器件。你無法在 200mm 上做 55 納米?！?/p>

300mm 晶圓還有一些其它的好處。例如，格羅方德發(fā)布了 300mm 的 45nm RF SOI?！八鼘㈤_關(guān)器件的性能提高了 30%到 40%，將 LNA 的性能提高了 20%到 30%，“他說。 “它還減少了芯片面積并改善了噪音?！?/p>

還有一些設(shè)計上的考慮?！霸趥鹘y(tǒng)架構(gòu)中，LNA 集成在收發(fā)器內(nèi)，”臺積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 B.J. Woo 表示。 “但對于 5G 而言，信號質(zhì)量變得更加重要。因此，LNA 需要盡可能地靠近天線放置，以獲得最佳的信號質(zhì)量。為了實現(xiàn)這一點，我們需要使用 RF SOI 來集成開關(guān)和 LNA?！?/p>

隨著時間的推移，5G 也將運行在毫米波頻段。它的頻段介于 30 GHz 和 300 GHz 之間?！靶枰薷?RF 架構(gòu)，以覆蓋其中一個頻段。為了實現(xiàn)這一點，RF 收發(fā)器將把 IF 或中頻收發(fā)器、下變頻器和一個基于 CMOS 工藝的毫米波 RF 前端模塊結(jié)合起來，”Woo 說。

圖 5 GlobalFoundries 2018 年發(fā)布的 5G 毫米波波束形成系統(tǒng)

“RF 器件價值將隨著 5G 手機射頻復(fù)雜度的增加而增長。由于手機空間有限，可供增加 RF 器件的空間亦相當(dāng)有限，因此，解決方案的尺寸至關(guān)重要。有了 RF SOI，集成度將繼續(xù)提高，不僅僅是為了控制尺寸，還有利于提高性能?！盦orvo 移動 5G 業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān) Ben Thomas 表示：“在試驗期間可以看到分立式的 5G 解決方案，但到了商用階段，它將很快直接變成到具有 PA、濾波、開關(guān)和 LNA 功能的高階 RF 前端模塊?！?/p>

“當(dāng)我們進入 5G 時代時，根據(jù)部署地區(qū)的不同，可能會有更多的頻段，比如 n77、n78 和 / 或 79，這些頻段將在全球以不同的組合部署。5G 手機將利用更復(fù)雜的調(diào)諧和天線復(fù)用功能來處理雙上行鏈路和更多 MIMO 配置的復(fù)雜性，所有這些都旨在提高數(shù)據(jù)速度。所有這些需求，疊加上載波聚合組合導(dǎo)致多次覆蓋，將需要更多天線調(diào)諧，更復(fù)雜的濾波，更多的開關(guān)，以及更多將這些功能與功率放大器組合在一起的 RF 前端模塊?？傊?，為了兌現(xiàn) 5G 承載更多數(shù)據(jù)的承諾，需要加入更多的 RF 器件?！盩homas 說。

300mm RF SOI 競賽
同時，晶圓廠們正在提升他們的 RF SOI 產(chǎn)能。RF SOI 領(lǐng)導(dǎo)廠商格羅方德正在位于 East Fishkill，N.Y. 和新加坡的兩座晶圓廠中爬產(chǎn) 300mm RF SOI。這些工藝節(jié)點尺寸涵蓋了 130nm 和 45nm。

一段時間以來，格羅方德一直在其位于伯靈頓和新加坡的兩座晶圓廠里運營 200mm RF SOI 業(yè)務(wù)。 “在這個鏈條上投資是一個高優(yōu)先級事項。我們也在投資 200mm 產(chǎn)能，“格羅方德的 Bastani 說。

與此同時，TowerJazz 也已經(jīng)出貨了 200mm RF SOI 一段時間。它正在位于日本的晶圓廠增加 300mm RF SOI 產(chǎn)能，它當(dāng)前的工藝基于 65 納米，當(dāng)然，該工廠完全能夠?qū)崿F(xiàn) 45 納米工藝。

聯(lián)電和臺積電已經(jīng)出貨了 200mm RF SOI 一段時間，也正在計劃加入 300mm RF SOI 競賽。

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