即便不考慮RF設備和工藝類型的變革，當今RF市場的挑戰也足以令人望而生畏。Cavendish Kinetics公司總裁兼首席執行官Paul Dal Santo表示：“幾年前，RF還是一項相當簡單的設計，但是現在，事情已經發生了大大的改變。首先，您的射頻前端必須處理范圍非常廣泛的頻帶，從600MHz一直延伸到3GHz。隨著更加先進的5G技術的到來，頻段將進一步上延，達到5GHz至60GHz。這給前端RF設計師帶來了一些難以置信的挑戰。”

RF MEMS是什么？

所謂RF MEMS是用MEMS技術 加工的RF產品。RF-MEMS技 術可望實現和MMIC的高度 集成，使制作集信息的采 集、處理、傳輸、處理和 執行于一體的系統集成芯 片（SOC）成為可能。按微 電子技術的理念，不僅可 以進行圓片級生產、產品 批量化，而且具有價格便 宜、體積小、重量輕、可 靠性高等優點。RF MEMS器件主要可以 分為兩大類：一類稱為無 源MEMS，其結構無可動零 件；另一類稱為有源MEMS，有可動結構，在電 應力作用下，可動零件會 發生形變或移動。其關鍵 加工技術分為四大類：平 面加工技術、體硅腐蝕技 術、固相鍵合技術、LIGA 技術。

盡管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格（ASP）為10至20美分。

射頻微機電系統（RF MEMS） 是MEMS技術的重要應用領域之一，也是二十世紀九十年代以來MEMS領域的研究熱點。RF MEMS用于射頻和微波頻率電路中的信號處理，是一項將能對現有雷達和通訊中射頻結構產生重大影響的技術。隨著信息時代的來臨，在無線通信領域，特別是在移動通信和衛星通信領域，正迫切需要一些低功耗、超小型化且能與信號處理電路集成的平面結構的新型器件，并希望能覆蓋包括微波、毫米波和亞毫米波在內的寬頻波段。而目前的通訊系統中仍有大量不可或缺的片外分立元件，例如電感、可變電容、濾波器、耦合器、移相器、開關陣列等，成為限制系統尺寸進一步縮小的瓶頸。RF MEMS技術的出現有望解決這個難題。采用RF MEMS技術制造的無源器件能夠直接和有源電路集成在同一芯片內，實現射頻系統的片內高集成，消除由分立元件帶來的寄生損耗，真正做到系統的高內聚，低耦合，能顯著提高系統的性能。

盡管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格（ASP）為10至20美分。

基于RF SOI的射頻開關將繼續占據主導地位，但新技術RF MEMS也可能存在一定的生存空間。“隨著時間的推移，SOI已經取得了不可思議的進步。電阻下降了，線性度也變得更好了。”Cavendish Kinetics的Dal Santo說。“但是SOI開關的本質是一個晶體管導通或關閉。導通時，表現不是很好，關閉時，也不是很好。

多年來，RF MEMS技術一直在穩步前進。今天，Cavendish、Menlo Micro和WiSpry（AAC Technologies）正在為移動應用開發RF MEMS。

RF MEMS與陀螺儀和加速度計等基于傳感器的MEMS不同。傳感器MEMS是將機械能轉化為電信號。相比之下，RF MEMS只進行信號的傳導。

盡管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格（ASP）為10至20美分。

最初，Cavendish等公司將RF MEMS技術應用到使用RF SOI和其它工藝的天線調諧器市場。

“如果天線是固定的，我們不可能使它支持所需的不同頻段。所以天線需要調整。”Dal Santo說。“現在，主要的方法是采取切換，要么切換不同的固定電容器，要么切換不同的固定電感器。問題在于天線是高Q設備。你必須小心，否則會帶來輻射性能的損失。”

相比之下，Cavendish的調諧器有32個不同的電容范圍。“它們是完全可編程的，具有非常好的高Q性能。所以輻射性能損失非常低。您可以使用這些，把天線調整到您需要支持的頻率范圍。”他說。

展望未來，Cavendish計劃在更大的RF開關領域采用RF SOI器件。他說：“如果用一個真正的開關代替RF SOI，那就是MEMS開關，你的接收機或發射機的插入損耗都會降低。”他說。

但是，RF MEMS器件是否會取代基于RF SOI的器件？關于這個問題，TowerJazz可以提供一些見解。TowerJazz提供傳統的RF SOI工藝，也是Cavendish的RF MEMS器件的代工廠商。

“RF MEMS和RF SOI可能在競爭相同的應用上會有一些小的重疊。一般來說，它們是相互補充關系，RF MEMS用于最苛刻的應用，而RF SOI用于其余的應用，“TowerJazz RF /高性能模擬業務部門高級副總裁兼總經理Marco Racanelli說。

“RF SOI技術將繼續發展，它對于RF開關應用和部分低噪聲放大器市場仍然是可用的，”Racanelli說。“然而，在一些特殊的應用中，用于低噪聲放大器的SiGe和用于開關的MEMS等替代技術可以提供更佳的線性度或更低的損耗。總之，RF SOI將繼續為不斷擴大的市場服務，其他技術也將有所發展。”

RF MEMS已經在天線調諧器市場上占有了一席之地，它能否把觸角延伸到射頻開關業務上還有待時間驗證。“未來，相對于內置RF SOI，RF MEMS可以通過提供更線性和更低損耗的開關來幫助提高手機的數據速率。”他說。“在RF MEMS中，金屬板可以在“導通”狀態下直接接觸，形成金屬、低損耗、線性的連接。更高的線性度允許更多的頻帶和更復雜的調制方案，從而增加手機的數據速率。

那RF SOI較RF MEMS的優點是什么？

首先，RF SOI工藝可工作頻率很高，Ft/Fmax滿足毫米波工作頻率3至5倍的要求；RF SOI可以實現器件堆疊（device stacking），從而同時提高了功率與能效比；再次，RF SOI工藝采用的襯底降低了寄生效應，這樣制造出來的射頻芯片品質因數更高、損耗更低、噪聲系數更好，同時這種襯底也提高了產品的絕緣水平與線性度；第四，RF SOI可以集成邏輯與控制功能，這是GaAs工藝無法做到的，所以GaAs器件在應用當中需要再搭配一顆控制芯片，采用RF SOI工藝就可以把PA和控制功能集成到一顆芯片上，在降低成本的同時又節省了寶貴的PCB面積；最后RF-SOI具備后柵偏壓可調（Back-gate bias）功能，利用該功能可微調毫米波射頻線路以適應使用需求。

在回顧了中國智能手機產業的發展歷程后，新傲科技的總經理王慶宇指出隨著智能手機數量的增長，對RF－SOI的需求也迅猛增加，這對中國發展RF－SOI帶來了很難得的機會，但也有許多挑戰。

盡管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格（ASP）為10至20美分。

這兩種技術到底誰更適合未來？

RF器件和制造工藝市場正在升溫，這種態勢對于智能手機中使用的兩個關鍵組件- 射頻開關器件和天線調諧器尤為明顯。

射頻器件制造商及其代工合作伙伴繼續推出基于RF SOI工藝技術的傳統射頻開關芯片和調諧器，用于當今的4G無線網絡。最近，GlobalFoundries為未來的5G網絡推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是絕緣體上硅（SOI）技術的RF版本，該工藝利用了內置隔離襯底的高電阻率特性。

為了改變市場格局，一家無晶圓廠IC設計公司Cavendish KineTIcs正在推出基于替代工藝RF MEMS的新一代RF產品和天線調諧器。

RF開關和調諧器是手機RF前端模塊中的兩個關鍵組件。RF前端集成了系統的發送/接收功能，其中，RF開關對無線信號進行路由，調諧器幫助把天線調整匹配到任何頻段上。

即便不考慮RF設備和工藝類型的變革，當今RF市場的挑戰也足以令人望而生畏。Cavendish KineTIcs公司總裁兼首席執行官Paul Dal Santo表示：“幾年前，RF還是一項相當簡單的設計，但是現在，事情已經發生了大大的改變。首先，您的射頻前端必須處理范圍非常廣泛的頻帶，從600MHz一直延伸到3GHz。隨著更加先進的5G技術的到來，頻段將進一步上延，達到5GHz至60GHz。這給前端RF設計師帶來了一些難以置信的挑戰。”

手機OEM廠商必須正面這種挑戰，做出權衡，考慮選擇新的組件。具體來說，對于RF開關和天線調諧器而言，可以歸結為兩種技術- 基于RF SOI工藝和RF MEMS工藝的器件。

RF SOI是現在服役的制造工藝。基于RF SOI工藝的器件可以滿足當下的要求，但它們開始遇到一些技術問題。除此之外，市場還存在價格壓力，隨著器件從200mm遷移到300mm晶圓，也會引發一些問題。

盡管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格（ASP）為10至20美分。

相比之下，RF MEMS具有一些有趣的特性，并在某些領域取得了進展。事實上，Cavendish KineTIcs公司表示，其基于RF MEMS工藝的MEMS天線調諧器正在被三星和其他OEM使用。

Strategy AnalyTIcs的分析師Chris Taylor表示：“RF MEMS能夠提供非常低的導通電阻，從而降低插入損耗。但RF MEMS缺乏生產追蹤記錄，大批量的無線系統OEM廠商將不會盲目對新技術和小型供應商買單。當然，相較于RF SOI器件，RF MEMS的價格必須有足夠的競爭力，但還有一個主要的障礙是，OEM廠商需要驗證產品可靠性，需要可靠的供應來源。”

射頻前端

智能手機是混合了RF開關、天線調諧器和其他組件商業環境的大市場，它的數據值得一看。根據Pacific Crest Securities的數據，2017年，全球智能手機出貨量預計將增長1％，而在剛剛過去的2016年，智能手機的年增長率也僅有1.3％。

另一方面，根據Yole Développement的數據，智能手機的RF前端模塊/組件市場規模預計將從2016年的101億美元躍升至2022年的227億美元。據Strategy Analytics分析，2016年，RF開關設備市場規模為17億美元。

隨著OEM廠商繼續在智能手機中增加更多RF組件，RF市場正在不斷增長。“多頻段LTE也正在向低端設備普及，”Strategy Analytics的Taylor說。“RF開關組件市場正在增長。”

在手機網絡轉向4G或長期演進（LTE）的過程中，每臺手機的RF開關設備數量都有所增加。“我們談論的出貨量單位非常巨大，”Taylor說。“現在，大多數RF開關設備（并非全部）應用在手機上，其中絕大多數使用了RF SOI制造工藝。RF MEMS仍然是新興事物，相對于RF SOI開關來說微不足道。”

盡管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格（ASP）為10至20美分。

同時，在一個簡單的系統中，RF前端由多個組件組成- 功率放大器、低噪聲放大器（LNA）、過濾器和RF開關。

GlobalFoundries的技術人員Randy Wolf在最近的一個演講中說：“功率放大器的主要目的是確保有足夠的能量，可以讓您的信號或信息到達目的地。

LNA放大來自天線的小信號。RF開關將信號從一個組件路由到另一個組件。“過濾器可防止任何不需要的信號進入后端，”Wolf說。

在手機上，2G和3G無線網絡的射頻功能非常簡單。2G只有四個頻段，3G有五個頻段。但4G有40多個頻段。4G不僅融合了2G和3G的頻段，而且還搭載了一系列4G頻段。

除此之外，移動運營商部署了一種稱為載波聚合的技術。載波聚合將多個信道或分量載波組合到一個大數據管道中，在無線網絡中實現更高的帶寬和更快的數據速率。

為了應對多個頻段和載波聚合，OEM廠商需要復雜的RF前端模塊。今天的RF前端模塊會集成兩個或多個多模多頻帶功率放大器，以及多個開關和過濾器。“這取決于所采用的RF架構。功率放大器的數量由手機可尋址的地區頻帶決定。”Qorvo移動戰略營銷經理Abhiroop Dutta表示：“使用單個SKU在全球范圍內應對多地區/全球蜂窩市場的典型“全網通”手機，頻段覆蓋面非常廣泛。在這種手機典型的集成RF前端模塊的實現中，一個工程選擇是使用具有分頻帶模塊的射頻前端，以應對高、中、低頻帶的不同要求。”

相比之下，還有另外一種情況，智能手機OEM廠商可能會針對特定市場設計專用手機。“一個例子是針對中國大陸市場的手機。在這種情況下，RF前端需要支持該地區特有的頻段，”Dutta說。

根據Cavendish Kinetics的說法，LTE手機上有兩種天線，主集天線和分集天線。基本上，主集天線用于發射/接收功能，分集天線用于提高手機的下行數據速率。

在實際操作中，信號首先到達主集天線，然后移動到天線調諧器上，這允許系統調整到任何頻帶。然后，信號進入一系列射頻開關。“它轉換到您要使用的適用頻段說，比如GSM、3G或4G，”GlobalFoundries的Wolf說。“從那里，信號進入濾波器，然后是功率放大器，最后到達接收器。”

盡管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格（ASP）為10至20美分。

考慮到這種復雜性，手機OEM廠商面臨一些挑戰，功耗和尺寸至關重要。“由于這種復雜性，信號在前端會遭到更多損失，這對您的接收機的總體噪聲系數將造成負面影響，”Wolf說。

顯然，RF開關在解決這個問題方面起關鍵作用。總的來說，智能手機可能包含10多個RF開關設備。基本的RF開關采用單刀單擲（SPST）配置。這是一種簡單的on-off型開關。

今天，OEM廠商使用更復雜的開關類型。Ron * Coff是RF開關的關鍵指標。根據Peregrine Semiconductor，“Ron * Coff是反映RF信號通過處于”導通“狀態的開關時發生多少損耗（Ron或導通電阻），以及RF信號在開關處于“關閉”狀態下通過電容器泄漏多少能量（Coff或關斷電容）的比率。”

總而言之，OEM廠商需要的是沒有插入損耗和實現良好隔離的RF開關。插入損耗涉及信號功率的損失。如果RF開關沒有實現良好的隔離，系統可能會遇到干擾。“總的來說，射頻前端面臨的挑戰是支持日益增長的性能需求，并緊跟不斷發展的標準和日益增加的頻帶覆蓋的步伐。不僅如此，由于手機變薄，RF解決方案的封裝尺寸也在縮小。Qorvo的Dutta表示，插入損耗、天線功率和隔離等關鍵指標仍然是推動RF產品組合解決方案不斷發展的驅動力。

解決方案

今天，手機的功率放大器主要使用砷化鎵（GaAs）技術。幾年前，OEM將射頻開關等制造工藝從GaAs和藍寶石（SoS）遷移到RF SOI上。GaAs和SoS是SOI的變體，隨著RF開關變得越來越復雜，這兩種工藝變得太貴了。

RF SOI不同于完全耗盡的SOI（FD-SOI），適用于數字應用。與FD-SOI類似，RF SOI在襯底中具有很薄的絕緣層，能夠實現高擊穿電壓和低漏電流。

GlobalFoundries RF業務部門主管Peter Rabbeni表示：“移動市場繼續看好RF SOI，因為它能夠在寬頻率范圍內提供低插入損耗、低諧波以及高線性度，實現了良好的性能和成本效益。”

今天，Qorvo、Peregrine等公司提供基于RF SOI的射頻開關。通常，RF開關制造商使用代工廠來制造這些產品。GlobalFoundries、意法半導體、TowerJazz和聯電是RF SOI代工業務的領軍企業。

因此，OEM在組件供應商和代工產品方面有多種選擇。通常，代工廠提供RF SOI工藝，涵蓋從180nm到45nm的節點和不同的晶片尺寸。

決定使用哪一個節點取決于具體應用。聯電公司業務管理副總裁吳坤表示：“關于RF SOI技術的具體化，一切都是從技術性能、成本和功耗的角度來考慮適用于終端應用的技術解決方案。”

即便有多種選擇，RF開關制造商也面臨一些挑戰。RF開關本身包含場效應晶體管（FET）。與大多數器件一樣，FET受到不需要的溝道電阻和電容的影響。

在RF開關中，FET被堆疊使用。通常而言，當今的RF開關中堆疊了10到14個FET。據專家介紹，隨著FET數量的增加，器件可能會遇到插入損耗和電阻帶來的相關問題。

另一個問題是電容。Skyworks在2014年發表的一篇題為《RF應用中SOI工藝的最新進展和未來趨勢》的文章中表示，“在RF開關中，30％或更多不需要的電容來自于器件中的互連。互連是金屬層或微型布線方案，包括基于RF SOI的開關。

通常，在4G手機中，RF開關的主流制造工藝是200mm晶圓的180nm和130nm節點。許多（但不是全部）互連層基于鋁。鋁互聯在IC行業使用多年，價格便宜，但也具有較高的電容。

因此，銅被用于RF器件中一些被選定的層。銅是更好的導體，并且電阻小于鋁。Ng表示：“用于130nm RF CMOS工藝產品的傳統金屬堆疊包括具有成本優勢的鋁互連層和具有性能優勢的銅互連層。”這是平衡成本和性能的最佳解決方案。RF SOI解決方案通常包含一定數量的鋁金屬層和一個或多個銅層。

通常，在頂層上使用銅作為超厚金屬層，幫助改善無源器件性能。他說：“最好是銅這樣的厚頂層金屬，它能夠最小化歐姆損耗，從而提高性能。”

最近，RF設備制造商已經從200mm晶圓遷移到300mm晶圓，其工藝節點也從130nm遷移到45nm。通常，300mm晶圓廠只使用銅互連。

只使用銅互連，RF開關制造商可以降低電容。但是，300mm晶圓提高了制造成本，從而在市場上造成一些矛盾。一方面，成本敏感的手機OEM廠商需要RF開關保持較低的價格。另一方面，RF開關設備制造商和代工廠希望能夠保持利潤。

“今天，只有極少的RF SOI器件采用300mm晶圓生產，”Ng說。“這種情況的出現有很多原因，包括300mm RF SOI襯底的成本/可用性，以及支持后硅處理的基礎設施等因素。然而，我們預計，在未來幾年內，這些挑戰將會在很大程度上得到解決，然后大部分大批量的RF SOI應用將會遷移到300mm晶圓上。”

在此之前，行業可能會面臨300mm的供需問題。“我們認為，在更多的生產遷移到300mm晶圓之前，市場將一直面臨供不應求的挑戰。產能上馬有多快，需求有多大，都將反映在供需矛盾上。”他說。

今天的RF SOI工藝適用于4G手機。GlobalFoundries希望在5G競賽中脫穎而出，最近為5G應用推出了45nm RF SOI工藝。該工藝利用了高電阻阱富集的SOI襯底。

5G是4G網絡的升級。今天的LTE網絡頻段介于700 MHz到3.5 GHz之間。相比之下，5G不僅與LTE共存，而且還將在30 GHz至300 GHz之間的毫米波段內運行。5G將數據傳輸速率提高到10Gbps以上，即LTE的100倍。但5G的大規模部署預計得到2020年及以后了。

無論如何，5G需要一個新的組件。“（45nm RF SOI）主要集中在5G毫米波前端，它集成了PA、LNA、開關、移相器，為5G系統創建了一個集成的毫米波可控波束形成器。”GlobalFoundries的Rabbeni說。

5G還有其它的解決方案，RF MEMS就是其中一種可能。此外，TowerJazz和加利福尼亞大學圣地亞哥分校最近展示了一個12Gbps的5G相控陣芯片組。該芯片組采用了TowerJazz的SiGe BiCMOS技術。

哪種工藝將勝出？只有時間會告訴我們答案。“目前尚不清楚RF MEMS是否在5G應用上具有優勢。”Strategy Analytics的Taylor說。