RF-SOI技术在5G与毫米波段中的应用发展

一 、5G频段划分

5G不仅仅是4G的增量改进，它是移动通信技术的下一个重大演变，其系统性能将提升几个数量级以上。根据ITU的定义，5G的峰值速率可达10~20Gbit/s，用户的体验速率也能达到100Mbit/s~1 Gbit/s，延迟更是达到了毫米级别。相比之下，5G的数据吞吐量将是4G的100倍。

为满足上述愿景，5G的载波将涵盖众多高、低频段。根据3GPP R15版本的初步定义，5G主要包括两大频谱范围：1）6GHz以下（Sub-6GHz）频段，其范围为450MHz~6GHz，最大信道带宽100MHz；2）6GHz以上，主要是毫米波频段，最大信道带宽400MHz。业内一致认为高、低频谱之间可以优势互补，即毫米波频段连续大带宽频谱，可满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求，但是其覆盖能力较弱，难以实现全网覆盖，因此需要与Sub-6GHz的低频段联合组网，以解决网络连续覆盖的需求。因此，5G时代需要高、低频段协同发展，Sub-6GHz作为5G基础频段，毫米波频段作为重要的补充频段。

为了在国际博弈和竞争中获取有利地位，加快5G网络试验和商用的进程，各国纷纷着手为5G谋划频率资源（图1）。根据GSA 统计，截至2018年1月，全球共有113个运营商在56个国家开展或计划开展5G技术试验。

图1全球5G频段部署

未来5G时代将有更多的频段资源被投入使用，一方面多模多频使得射频前端芯片需求增加，直接推动射频前端芯片市场成长。Navian预测，2020年仅移动终端中射频前端芯片的市场规模将达到212亿美元，年复合增长率达15.4%；另一方面，更高功率输出、更高工作频段对射频器件性能和可集成能力提出了更高的挑战。例如对于Sub-6GHz频段，由于5G频段的频率更高、衰减多，未来可能还需射频套件的输出功率从原有的23dBm提升至26dBm，以支持更好的空间覆盖，这对射频器件的设计难度也提出新的挑战。

二、 RF-SOI在Sub-6GHz频段的应用机遇

射频SOI（RF-SOI）将延续其在4G应用的技术和市场优势，继续成为5G Sub-6GHz频段手机射频开关的主流解决方案，原因如下：

1）RF-SOI已经牢牢把控4G手机射频开关市场。

图2 RF-SOI市场

相比传统的砷化镓（GaAs）和蓝宝石上硅（SOS）技术，RF-SOI可以同时提供优良的射频性能和低廉的成本。正是基于以上优势，作为移动智能终端前端模块中的关键器件之一，射频开关芯片从2013年已经舍弃原来的GaAs和SOS工艺，转而采用低成本的RF-SOI工艺。RF-SOI技术目前已经成为4G手机开关类RF应用的主流技术，其市占率已经超过95%（图2）。

在Sub-6 GHz频段，5G将会在现有成熟的4G通信基础上延拓，因此，尽管复杂性会大幅度增加，5G使用的技术和设备将与4G类似。经过近5年的发展，基于RF-SOI技术的射频开关市场已经被Qorvo、psemi、Skyworks等IDM公司垄断。这些射频厂商有充足的技术积累和市场优势，这为RF-SOI技术快速切入5G Sub-6GHz频段应用打下了坚实的基础。

2）RF-SOI制造业已经开始进军5G。

为了满足5G超高的下行速率标准，相较于4G中最高支持5个20MHz的载波聚合，进入5G时代，载波聚合的数量可能会高达32个或者64个。这对手机射频开关的线性度等关键性能指标提出更高的要求。近几年，RF-SOI衬底的主要供应商Soitec公司一直致力于开发更高性能、更大尺寸的RF-SOI衬底，以满足未来5G的需求：Soitec已经开发出谐波水平（用于表征线性度的参量）低于-100dBm（输入功率为15dBm时）超高线性度的RF-SOI衬底材料，满足未来5G开关设计的需求（图3）；当前，制造4G及以下射频开关使用的大都是200mm RF-SOI衬底，不能兼容最新的纳米级CMOS工艺，这影响了经济效益和器件性能的提高。因此，从2016年开始，Soitec公司就积极将RF-SOI衬底尺寸向主流的300mm升级。Soitec位于本土的Bernin 2厂已经开始大批量供应300mm大尺寸的RF-SOI衬底片，以满足TowerJazz、GlobalFoundries等代工厂更高节点的制造需求。

于此同时，在代工端，GlobalFoundries推出了基于130nm节点的8SW射频开关制造工艺，是业内第一个300mm RF-SOI代工平台。8SW开关采用铜互联，降低了开关速度，提升了功率容量，满足5G Sub-6GHz的应用需求。另外，近期TowerJazz宣布其65nm RF-SOI技术已在位于日本鱼津的300mm工厂实现量产，这进一步增强了RF-SOI的市场潜力。

图3 RF-SOI的谐波水平（输入功率为900MHz）

分析可知，RF-SOI在4G手机射频开关应用中占有绝对的市场优势；而高性能、大尺寸的RF-SOI衬底制备和射频开关代工技术已经证明能够满足5G Sub-6 GHz应用的性能和产能需求，未来RF-SOI无疑将把持5G Sub-6GHz下的手机射频开关市场。

三、 RF-SOI在毫米波段的应用机遇

在毫米波段，由于频率较高，带宽较大，现有的RF-SOI衬底可能难以满足高性能独立射频开关的设计需求，以MACOM和pSemi为代表的射频厂商转而寻绝缘性更优的衬底解决方案，包括SOS和GaAs等（表1）。另外，基于MEMS和相变原理的创新型射频开关也是业内关注的热门技术，未来也可能颠覆射频开关产业。

尽管如此，由于具备高集成能力优势，RF-SOI在毫米波段仍具有应用潜力。

近日，格芯宣布了基于45nm节点RF-SOI（45RFSOI）产品的正式投放。45RFSOI产品具有较高的截止频率（fmax）（图4）、高线性度、改进的噪声隔离能力，可用于集成5G智能手机毫米波前端模块和波束赋形器，为实现5G射频芯片的全集成打下了良好的工艺基础。

表1 MACOM和pSemi推出的应用于5G毫米波段的射频开关及其特性

图4 格芯45RFSOI技术的fmax与其 28nm、40nm和65nm 体硅 CMOS技术的比较

四、 总结

从长远来看，手机通信将从2019年正式迎来5G时代，而5G毫米波技术将最早从2022年开始逐渐步部署（图5）。可以预见，未来五年甚至十年内RF-SOI技术在5G应用中的成长空间巨大。

图5 基于空口标准的移动市场预测