全面占領(lǐng)手機(jī)后，射頻前端如何“上車”？

“一切設(shè)備都將走向移動(dòng)和互聯(lián)”，汽車作為最為常見(jiàn)的“移動(dòng)”設(shè)備，也是如此，車聯(lián)網(wǎng)勾勒出了宏大的愿景。

射頻前端作為所有通信設(shè)備的核心，也在用于汽車。全世界100%的智能手機(jī)都離不開(kāi)的射頻絕緣體上硅 (RF-SOI) 襯底技術(shù)，已經(jīng)把汽車作為了下一個(gè)“戰(zhàn)場(chǎng)”。

100%智能手機(jī)都用的半導(dǎo)體技術(shù)，成功在哪里？

智能手機(jī)融合了多樣化的功能，包括無(wú)線電發(fā)射和接收、數(shù)字處理、存儲(chǔ)、音頻、電池管理、攝像和顯示等，通過(guò)前端模塊能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩電話和基站之間的射頻信號(hào)傳輸和接收。

如今，智能手機(jī)不僅要實(shí)現(xiàn)sub-6GHz、毫米波、WiFi 2.4GHz/5&6GHz、藍(lán)牙和UWB等無(wú)線協(xié)議的載波聚合（CA），而且5G、WiFi 6(E)、藍(lán)牙5.3/BLE等無(wú)線傳輸的數(shù)據(jù)吞吐量極大提升，對(duì)能耗也提出了更高要求。

從智能手機(jī)射頻前端的發(fā)展歷程來(lái)看，其集成度和價(jià)值量幾乎在成倍增加。國(guó)金證券數(shù)據(jù)顯示，從2G時(shí)代到5G的sub-6GHz，價(jià)值量從0.7美金增至32美金。同時(shí)，從2G時(shí)代PA，到3G時(shí)代的PA、濾波器及開(kāi)關(guān)，再到4G時(shí)代頻段的大幅增加，濾波器、開(kāi)關(guān)、Tx/Rx濾波器（BAW）等大幅增加，直至5G時(shí)代的頻段、濾波器、開(kāi)關(guān)、Tx/Rx濾波器（BAW）等在4G基礎(chǔ)上成倍增加。

智能手機(jī)中的前端模塊：以超高頻率搭載數(shù)據(jù)

一個(gè)演變多年的技術(shù)趨勢(shì)是，每次通信時(shí)代更迭都對(duì)前端模塊的設(shè)備數(shù)量與性能提出更高的要求。手機(jī)射頻前端的芯片材料技術(shù)，已經(jīng)由早前的體硅襯底轉(zhuǎn)向SOI（絕緣體上硅)，該襯底由薄的硅器件層、處理襯底，以及使器件層與處理襯底物理分隔并電隔離的薄掩埋氧化物(box)層構(gòu)成。

回溯智能手機(jī)對(duì)高性能射頻的需求演變，約在2010年左右，RF-SOI初步用于開(kāi)關(guān)和一些射頻前端控制器件中。

到了2016年，當(dāng)時(shí)已經(jīng)演進(jìn)到了LTE、4G共存，出現(xiàn)了更多復(fù)雜的模塊、天線調(diào)諧器等，對(duì)于高性能開(kāi)關(guān)的需求更加強(qiáng)烈。RF-SOI隨之被應(yīng)用到越來(lái)越多的天線調(diào)諧器和開(kāi)關(guān)中，特別是射頻前端開(kāi)關(guān)、射頻前端控制等器件。

從2018年到現(xiàn)在，伴隨著5G的推進(jìn)，手機(jī)需要更復(fù)雜的模塊和更高的集成度。由于5G使用不同的高頻頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，因此5G RF前端模塊所需的功率放大器、濾波器、開(kāi)關(guān)、LNA和天線調(diào)諧器的需求量倍增。

對(duì)射頻前端來(lái)說(shuō)，一個(gè)顯而易見(jiàn)的趨勢(shì)是集成化與模塊化。為了將不同材料、不同工藝的器件集成在一起，優(yōu)化襯底和對(duì)應(yīng)的模塊、測(cè)試封裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)兼容變得至關(guān)重要。

RF-SOI技術(shù)在保證有效和高效的頻譜利用方面起著至關(guān)重要的作用，它可以使5G和其他共存無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之間的互擾降到最低，最大程度地減少非線性干擾，如信號(hào)諧波的產(chǎn)生，保證射頻前端的正常工作。

由于RF-SOI能夠以更優(yōu)的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗，可以帶來(lái)更快的數(shù)據(jù)速度、更長(zhǎng)的電池壽命和頻率更穩(wěn)定、流暢的通信質(zhì)量。得益于RF-SOI技術(shù)的存在，不但使開(kāi)關(guān)、PA、LNA、移相器、可變?cè)鲆娣糯笃鳎?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/VGA/">VGA）被完全集成在一起，還同時(shí)具有控制、偏置、內(nèi)存和電源結(jié)合功能。

如今，接近100%的射頻開(kāi)關(guān)基于RF-SOI或FD-SOI技術(shù)而開(kāi)發(fā)；超過(guò)80%的集成低噪聲放大器基于RF-SOI開(kāi)發(fā)，接近100%的天線調(diào)諧器都用到了SOI技術(shù)。

RF-SOI能否在汽車市場(chǎng)延續(xù)成功？

不斷演進(jìn)的射頻前端技術(shù)已然支撐了移動(dòng)通信的發(fā)展浪潮。下一步，面向汽車的無(wú)線通信需求、保障汽車的智慧連接，射頻前端核心技術(shù)又將發(fā)生哪些顛覆？

網(wǎng)聯(lián)汽車需要依賴多個(gè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)：連接到云進(jìn)行遠(yuǎn)程信息處理(Telematics) ，需要通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星4G LTE、5G、Wi-Fi等標(biāo)準(zhǔn)；連接到駕駛員/乘客實(shí)現(xiàn)信息娛樂(lè)(Infotainment)功能，需要通過(guò) Wi-Fi、Bluetooth等標(biāo)準(zhǔn)；連接到環(huán)境，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)萬(wàn)物(Vehicle to Everything, V2X)，需要通過(guò)專用短程通信 (DSRC)、蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X)、超寬帶 (UWB) 等標(biāo)準(zhǔn)。

就硬件方面而言，全車無(wú)線連接需要多個(gè)天線與射頻前端 (RFFE)。乘用車的天線常位于車頂，稱為鯊魚鰭天線。但隨著汽車美學(xué)的發(fā)展，集成在車身面板中的共形天線也越來(lái)越常見(jiàn)。但無(wú)論如何，天線都位于車輛表面附近，以避免汽車金屬車身產(chǎn)生的法拉第靜電屏蔽效應(yīng)。此外，為了盡量減少可能損害發(fā)送/接收信息完整性的損耗和干擾，OEM大都選擇將射頻前端放置在盡可能靠近天線的位置。

與所有無(wú)線設(shè)備一樣，網(wǎng)聯(lián)汽車依賴多個(gè)射頻IC和射頻模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)線連接。大多數(shù)此類元件都包含在一個(gè)“盒子”中，通常稱為遠(yuǎn)程信息處理盒(T-BOX)，也稱為遠(yuǎn)程信息處理控制單元(TCU)。根據(jù)《面向智能化和可持續(xù)移動(dòng)性的 RF-SOI 優(yōu)化襯底》白皮書，TCU 中包含了用于傳感、定位以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與傳輸?shù)墓δ苣K。在這些模塊中，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備(NAD)中又包含了確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)(4G LTE 或 5G)通信可靠與穩(wěn)健所需的所有電路，射頻前端即涵蓋其中。

Soitec移動(dòng)通信部門高級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Luis Andia認(rèn)為，汽車RFFE的設(shè)計(jì)正變得更加定制化，需要從一開(kāi)始就考慮到汽車場(chǎng)景中相關(guān)的設(shè)計(jì)限制。

一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景比如緊急呼叫，發(fā)生事故時(shí)向應(yīng)急響應(yīng)團(tuán)隊(duì)(救護(hù)車、消防員等)提供關(guān)鍵信息的系統(tǒng)，是汽車無(wú)線應(yīng)急系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。

發(fā)生事故時(shí)，無(wú)論車輛處于何種狀態(tài)，若要確保需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠找到通向工作TCU 天線的路徑，并聯(lián)系到應(yīng)急響應(yīng)小組，并不是一件容易的事，它要求射頻開(kāi)關(guān)異常穩(wěn)健。應(yīng)急呼叫射頻開(kāi)關(guān)應(yīng)必須能夠在兼容蜂窩網(wǎng)絡(luò)的功率(達(dá)幾百毫瓦)下進(jìn)行熱切換，并符合 ASIL A 標(biāo)準(zhǔn)。“使用RF-SOI帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)之一，是發(fā)生緊急事件時(shí)，你可以快速建立一個(gè)通信路徑，進(jìn)行緊急服務(wù)溝通，RF-SOI能夠提供汽車所需的熱切換和可靠性”， Luis Andia表示。

除了通信之外，用于汽車?yán)走_(dá)和其他駕駛輔助系統(tǒng)中的還有FD-SOI。這項(xiàng)技術(shù)可以與RF-SOI互為補(bǔ)充。在解決5G不同頻段共存的問(wèn)題上，它們可以為射頻設(shè)計(jì)提供更多的靈活性。

據(jù)了解，F(xiàn)D-SOI目前主要用于40nm和20nm左右的光刻平臺(tái)。業(yè)界正在尋求在20nm、18nm、12nm等以下光刻技術(shù)平臺(tái)中使用FD-SOI，格芯和意法半導(dǎo)體在法國(guó)合建了新的晶圓廠，致力于提升FD-SOI的產(chǎn)能。

應(yīng)對(duì)汽車射頻前端模塊化挑戰(zhàn)

汽車內(nèi)部的通信系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，射頻前端模塊化成為一大趨勢(shì)。對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)，模塊化的主要挑戰(zhàn)是什么？

Luis Andia認(rèn)為，汽車射頻前端模塊化主要面臨兩大挑戰(zhàn)。首先是溫度管理（thermal management）。由于模塊密度相對(duì)較高，并且裸片位置非常接近，例如，當(dāng)功率放大器溫度升高時(shí)，并不希望這種溫升對(duì)相鄰裸片的性能產(chǎn)生降級(jí)影響（對(duì)于低噪聲放大器而言，它的噪聲系數(shù)可能會(huì)由于溫度變化上升），所以溫度管理是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，Soitec也在著力解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)應(yīng)用一些能量密度相對(duì)較高的材料，如RF-GaN幫助更有效地管理功率，從而最大限度地減少溫升。此外，也在為RF-SOI襯底開(kāi)發(fā)新功能，以幫助保證高溫下的高線性度環(huán)境。

另一大挑戰(zhàn)則是干擾，例如相鄰碼片信號(hào)之間的串?dāng)_。干擾可能出現(xiàn)在射頻前端無(wú)源器件(傳輸線、電感等)或有源電路(晶體管、二極管等)的任一點(diǎn)。而采用富陷阱的 RF-SOI 優(yōu)化襯底來(lái)構(gòu)建大部分的射頻前端電路，無(wú)論干擾發(fā)生在何處，都將被最小化。

通過(guò)富陷阱層，能夠捕捉氧化埋層以及高電阻操作層中游離的寄生電荷（parasitic charge），從而保證襯底達(dá)到非常高的電阻率，實(shí)現(xiàn)較高的線性度。這不僅僅是為晶體管，也為其他無(wú)源器件提供了高線性度。

Luis Andia指出，高線性度能夠幫助實(shí)現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)和蜂窩系統(tǒng)的共存，減少相鄰頻段的干擾。不管是數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)，即使是非常復(fù)雜的5G毫米波射頻前端，通過(guò)富陷阱層都能夠?qū)崿F(xiàn)較好的隔離，從而防止信號(hào)串?dāng)_。

而RF-SOI之所以能夠獲得廣大市場(chǎng)，也正是因?yàn)樗軌虮ＷC非常高的信號(hào)線性度和信號(hào)完整性。對(duì)SOI+低電阻率晶圓、SOI+高電阻率晶圓、RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓這三類材料進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓的信號(hào)失真度（distortion）最低、線性度最高。

此外，隨著系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，一項(xiàng)技術(shù)并不能解決所有問(wèn)題，需要多項(xiàng)技術(shù)互為補(bǔ)充。例如RF-SOI、FD-SOI、RFeSI，同時(shí)還有用于濾波器的POI、用于大功率的RF-GaN優(yōu)化襯底等共同應(yīng)用，來(lái)最大限度地減少相鄰系統(tǒng)之間的干擾。

模塊化已經(jīng)成為車身網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素，它所提供的靈活性可滿足不同區(qū)域市場(chǎng)的需求，而將發(fā)射、接收和濾波功能集成在多個(gè)模塊中的射頻前端組件更具優(yōu)勢(shì)，它們可以快速更換，以適應(yīng)車輛所在的銷售區(qū)域，并滿足區(qū)域法規(guī)和當(dāng)?shù)赜脩舻钠谩?/p>

寫在最后

現(xiàn)代汽車對(duì)于連接性的需求和依賴程度與日俱增。目前的遠(yuǎn)程通信不僅要使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也非常依賴V2X的連接，還要使用專屬的近距離通信系統(tǒng)，包括Wi-Fi、藍(lán)牙等。

經(jīng)過(guò)大規(guī)模制造驗(yàn)證的RF-SOI襯底技術(shù)，促進(jìn)了智能手機(jī)的普及。隨著無(wú)處不在的連接向汽車的擴(kuò)展，RF-SOI作為可選的工藝技術(shù)之一，將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，以確保低成本高可靠性的連接。

正如Luis Andia對(duì)汽車汽車市場(chǎng)應(yīng)用前景的預(yù)測(cè)，幾種不同的射頻系統(tǒng)需要在內(nèi)部共存，并且不能對(duì)彼此干擾，隨著汽車連接需求的顯著增加，汽車行業(yè)在輔助駕駛和信息娛樂(lè)等系統(tǒng)方面具有巨大的增長(zhǎng)潛力。