RF MEMS是什么?
所謂RF MEMS是用MEMS技術(shù) 加工的RF產(chǎn)品。RF-MEMS技 術(shù)可望實現(xiàn)和MMIC的高度 集成,使制作集信息的采 集、處理、傳輸、處理和 執(zhí)行于一體的系統(tǒng)集成芯 片(SOC)成為可能。按微 電子技術(shù)的理念,不僅可 以進行圓片級生產(chǎn)、產(chǎn)品 批量化,而且具有價格便 宜、體積小、重量輕、可 靠性高等優(yōu)點。 RF MEMS器件主要可以 分為兩大類:一類稱為無 源MEMS,其結(jié)構(gòu)無可動零 件;另一類稱為有源 MEMS,有可動結(jié)構(gòu),在電 應(yīng)力作用下,可動零件會 發(fā)生形變或移動。其關(guān)鍵 加工技術(shù)分為四大類:平 面加工技術(shù)、體硅腐蝕技 術(shù)、固相鍵合技術(shù)、LIGA 技術(shù)。
射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS) 是MEMS技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一,也是二十世紀(jì)九十年代以來MEMS領(lǐng)域的研究熱點。RFMEMS用于射頻和微波頻率電路中的信號處理,是一項將能對現(xiàn)有雷達(dá)和通訊中射頻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響的技術(shù)。隨著信息時代的來臨,在無線通信領(lǐng)域,特別是在移動通信和衛(wèi)星通信領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(nèi)的寬頻波段。而目前的通訊系統(tǒng)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(guān)陣列等,成為限制系統(tǒng)尺寸進一步縮小的瓶頸。RF MEMS技術(shù)的出現(xiàn)有望解決這個難題。采用RF MEMS技術(shù)制造的無源器件能夠直接和有源電路集成在同一芯片內(nèi),實現(xiàn)射頻系統(tǒng)的片內(nèi)高集成,消除由分立元件帶來的寄生損耗,真正做到系統(tǒng)的高內(nèi)聚,低耦合,能顯著提高系統(tǒng)的性能。
那RF SOI較RF MEMS的優(yōu)點是什么?
首先,RF SOI工藝可工作頻率很高,F(xiàn)t/Fmax滿足毫米波工作頻率3至5倍的要求;RF SOI可以實現(xiàn)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(yīng),這樣制造出來的射頻芯片品質(zhì)因數(shù)更高、損耗更低、噪聲系數(shù)更好,同時這種襯底也提高了產(chǎn)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(yīng)用當(dāng)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(jié)省了寶貴的PCB面積;最后RF-SOI具備后柵偏壓可調(diào)(Back-gate bias)功能,利用該功能可微調(diào)毫米波射頻線路以適應(yīng)使用需求。
在回顧了中國智能手機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程后,新傲科技的總經(jīng)理王慶宇指出隨著智能手機數(shù)量的增長,對RF-SOI的需求也迅猛增加,這對中國發(fā)展RF-SOI帶來了很難得的機會,但也有許多挑戰(zhàn)。
這兩種技術(shù)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(tài)勢對于智能手機中使用的兩個關(guān)鍵組件 - 射頻開關(guān)器件和天線調(diào)諧器尤為明顯。
射頻器件制造商及其代工合作伙伴繼續(xù)推出基于RF SOI工藝技術(shù)的傳統(tǒng)射頻開關(guān)芯片和調(diào)諧器,用于當(dāng)今的4G無線網(wǎng)絡(luò)。最近,GlobalFoundries為未來的5G網(wǎng)絡(luò)推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是絕緣體上硅(SOI)技術(shù)的RF版本,該工藝?yán)昧藘?nèi)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(shè)計公司Cavendish Kinetics正在推出基于替代工藝RF MEMS的新一代RF產(chǎn)品和天線調(diào)諧器。
RF開關(guān)和調(diào)諧器是手機RF前端模塊中的兩個關(guān)鍵組件。RF前端集成了系統(tǒng)的發(fā)送/接收功能,其中,RF開關(guān)對無線信號進行路由,調(diào)諧器幫助把天線調(diào)整匹配到任何頻段上。
即便不考慮RF設(shè)備和工藝類型的變革,當(dāng)今RF市場的挑戰(zhàn)也足以令人望而生畏。Cavendish Kinetics公司總裁兼首席執(zhí)行官Paul Dal Santo表示:“幾年前,RF還是一項相當(dāng)簡單的設(shè)計,但是現(xiàn)在,事情已經(jīng)發(fā)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(shù)的到來,頻段將進一步上延,達(dá)到5GHz至60GHz。這給前端RF設(shè)計師帶來了一些難以置信的挑戰(zhàn)。”
手機OEM廠商必須正面這種挑戰(zhàn),做出權(quán)衡,考慮選擇新的組件。具體來說,對于RF開關(guān)和天線調(diào)諧器而言,可以歸結(jié)為兩種技術(shù) - 基于RF SOI工藝和RF MEMS工藝的器件。
RF SOI是現(xiàn)在服役的制造工藝。基于RF SOI工藝的器件可以滿足當(dāng)下的要求,但它們開始遇到一些技術(shù)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(fā)一些問題。
相比之下,RF MEMS具有一些有趣的特性,并在某些領(lǐng)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(diào)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(dǎo)通電阻,從而降低插入損耗。但RF MEMS缺乏生產(chǎn)追蹤記錄,大批量的無線系統(tǒng)OEM廠商將不會盲目對新技術(shù)和小型供應(yīng)商買單。當(dāng)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(chǎn)品可靠性,需要可靠的供應(yīng)來源。”
射頻前端
智能手機是混合了RF開關(guān)、天線調(diào)諧器和其他組件商業(yè)環(huán)境的大市場,它的數(shù)據(jù)值得一看。根據(jù)Pacific Crest Securities的數(shù)據(jù),2017年,全球智能手機出貨量預(yù)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(jù)YoleDéveloppement的數(shù)據(jù),智能手機的RF前端模塊/組件市場規(guī)模預(yù)計將從2016年的101億美元躍升至2022年的227億美元。據(jù)Strategy Analytics分析,2016年,RF開關(guān)設(shè)備市場規(guī)模為17億美元。
隨著OEM廠商繼續(xù)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(shè)備普及,”Strategy Analytics的Taylor說。“RF開關(guān)組件市場正在增長。”
在手機網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向4G或長期演進(LTE)的過程中,每臺手機的RF開關(guān)設(shè)備數(shù)量都有所增加。“我們談?wù)摰某鲐浟繂挝环浅>薮螅盩aylor說。“現(xiàn)在,大多數(shù)RF開關(guān)設(shè)備(并非全部)應(yīng)用在手機上,其中絕大多數(shù)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(guān)來說微不足道。”
盡管RF開關(guān)的出貨量巨大,但市場競爭激烈,價格壓力較大。Taylor說,這些設(shè)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(tǒng)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(guān)。
GlobalFoundries的技術(shù)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(dá)目的地。
LNA放大來自天線的小信號。RF開關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(shù)。載波聚合將多個信道或分量載波組合到一個大數(shù)據(jù)管道中,在無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)速率。
為了應(yīng)對多個頻段和載波聚合,OEM廠商需要復(fù)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(guān)和過濾器。“這取決于所采用的RF架構(gòu)。功率放大器的數(shù)量由手機可尋址的地區(qū)頻帶決定。”Qorvo移動戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Abhiroop Dutta表示:“使用單個SKU在全球范圍內(nèi)應(yīng)對多地區(qū)/全球蜂窩市場的典型“全網(wǎng)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(xiàn)中,一個工程選擇是使用具有分頻帶模塊的射頻前端,以應(yīng)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(shè)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(qū)特有的頻段,”Dutta說。
根據(jù)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(fā)射/接收功能,分集天線用于提高手機的下行數(shù)據(jù)速率。
在實際操作中,信號首先到達(dá)主集天線,然后移動到天線調(diào)諧器上,這允許系統(tǒng)調(diào)整到任何頻帶。然后,信號進入一系列射頻開關(guān)。“它轉(zhuǎn)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(dá)接收器。”
考慮到這種復(fù)雜性,手機OEM廠商面臨一些挑戰(zhàn),功耗和尺寸至關(guān)重要。“由于這種復(fù)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(shù)將造成負(fù)面影響,”Wolf說。
顯然,RF開關(guān)在解決這個問題方面起關(guān)鍵作用。總的來說,智能手機可能包含10多個RF開關(guān)設(shè)備。基本的RF開關(guān)采用單刀單擲(SPST)配置。這是一種簡單的on-off型開關(guān)。
今天,OEM廠商使用更復(fù)雜的開關(guān)類型。Ron * Coff是RF開關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)Peregrine Semiconductor,“Ron * Coff是反映RF信號通過處于”導(dǎo)通“狀態(tài)的開關(guān)時發(fā)生多少損耗(Ron或?qū)娮瑁约癛F信號在開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)下通過電容器泄漏多少能量(Coff或關(guān)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(xiàn)良好隔離的RF開關(guān)。插入損耗涉及信號功率的損失。如果RF開關(guān)沒有實現(xiàn)良好的隔離,系統(tǒng)可能會遇到干擾。“總的來說,射頻前端面臨的挑戰(zhàn)是支持日益增長的性能需求,并緊跟不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵指標(biāo)仍然是推動RF產(chǎn)品組合解決方案不斷發(fā)展的驅(qū)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(shù)。幾年前,OEM將射頻開關(guān)等制造工藝從GaAs和藍(lán)寶石(SoS)遷移到RF SOI上。GaAs和SoS是SOI的變體,隨著RF開關(guān)變得越來越復(fù)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(shù)字應(yīng)用。與FD-SOI類似,RF SOI在襯底中具有很薄的絕緣層,能夠?qū)崿F(xiàn)高擊穿電壓和低漏電流。
GlobalFoundries RF業(yè)務(wù)部門主管Peter Rabbeni表示:“移動市場繼續(xù)看好RF SOI,因為它能夠在寬頻率范圍內(nèi)提供低插入損耗、低諧波以及高線性度,實現(xiàn)了良好的性能和成本效益。”
今天,Qorvo、Peregrine、Skyworks等公司提供基于RF SOI的射頻開關(guān)。通常,RF開關(guān)制造商使用代工廠來制造這些產(chǎn)品。GlobalFoundries、意法半導(dǎo)體、TowerJazz和聯(lián)電是RF SOI代工業(yè)務(wù)的領(lǐng)軍企業(yè)。
因此,OEM在組件供應(yīng)商和代工產(chǎn)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(jié)點和不同的晶片尺寸。
決定使用哪一個節(jié)點取決于具體應(yīng)用。聯(lián)電公司業(yè)務(wù)管理副總裁吳坤表示:“關(guān)于RF SOI技術(shù)的具體化,一切都是從技術(shù)性能、成本和功耗的角度來考慮適用于終端應(yīng)用的技術(shù)解決方案。”
即便有多種選擇,RF開關(guān)制造商也面臨一些挑戰(zhàn)。RF開關(guān)本身包含場效應(yīng)晶體管(FET)。與大多數(shù)器件一樣,F(xiàn)ET受到不需要的溝道電阻和電容的影響。
在RF開關(guān)中,F(xiàn)ET被堆疊使用。通常而言,當(dāng)今的RF開關(guān)中堆疊了10到14個FET。據(jù)專家介紹,隨著FET數(shù)量的增加,器件可能會遇到插入損耗和電阻帶來的相關(guān)問題。
另一個問題是電容。Skyworks在2014年發(fā)表的一篇題為《RF應(yīng)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(guān)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(guān)。
通常,在4G手機中,RF開關(guān)的主流制造工藝是200mm晶圓的180nm和130nm節(jié)點。許多(但不是全部)互連層基于鋁。鋁互聯(lián)在IC行業(yè)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(dǎo)體,并且電阻小于鋁。Ng表示:“用于130nm RF CMOS工藝產(chǎn)品的傳統(tǒng)金屬堆疊包括具有成本優(yōu)勢的鋁互連層和具有性能優(yōu)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(shù)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(shè)備制造商已經(jīng)從200mm晶圓遷移到300mm晶圓,其工藝節(jié)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(guān)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(guān)保持較低的價格。另一方面,RF開關(guān)設(shè)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(chǎn),”Ng說。“這種情況的出現(xiàn)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(chǔ)設(shè)施等因素。然而,我們預(yù)計,在未來幾年內(nèi),這些挑戰(zhàn)將會在很大程度上得到解決,然后大部分大批量的RF SOI應(yīng)用將會遷移到300mm晶圓上。”
在此之前,行業(yè)可能會面臨300mm的供需問題。“我們認(rèn)為,在更多的生產(chǎn)遷移到300mm晶圓之前,市場將一直面臨供不應(yīng)求的挑戰(zhàn)。產(chǎn)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(yīng)用推出了45nm RF SOI工藝。該工藝?yán)昧烁唠娮柃甯患腟OI襯底。
5G是4G網(wǎng)絡(luò)的升級。今天的LTE網(wǎng)絡(luò)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(nèi)運行。5G將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10Gbps以上,即LTE的100倍。但5G的大規(guī)模部署預(yù)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(guān)、移相器,為5G系統(tǒng)創(chuàng)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(xué)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(shù)。
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(yīng)用上具有優(yōu)勢。”Strategy Analytics的Taylor說。
什么是RF MEMS?
基于RF SOI的射頻開關(guān)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位,但新技術(shù)RF MEMS也可能存在一定的生存空間。“隨著時間的推移,SOI已經(jīng)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(guān)的本質(zhì)是一個晶體管導(dǎo)通或關(guān)閉。導(dǎo)通時,表現(xiàn)不是很好,關(guān)閉時,也不是很好。
多年來,RF MEMS技術(shù)一直在穩(wěn)步前進。今天,Cavendish、Menlo Micro和WiSpry(AAC Technologies)正在為移動應(yīng)用開發(fā)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(zhuǎn)化為電信號。相比之下,RF MEMS只進行信號的傳導(dǎo)。
最初,Cavendish等公司將RF MEMS技術(shù)應(yīng)用到使用RF SOI和其它工藝的天線調(diào)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(diào)整,“Dal Santo說。“現(xiàn)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(shè)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(diào)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(diào)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(guān)領(lǐng)域采用RF SOI器件。他說:“如果用一個真正的開關(guān)代替RF SOI,那就是MEMS開關(guān),你的接收機或發(fā)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(guān)于這個問題,TowerJazz可以提供一些見解。TowerJazz提供傳統(tǒng)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(yīng)用上會有一些小的重疊。一般來說,它們是相互補充關(guān)系,RF MEMS用于最苛刻的應(yīng)用,而RF SOI用于其余的應(yīng)用,“TowerJazz RF /高性能模擬業(yè)務(wù)部門高級副總裁兼總經(jīng)理Marco Racanelli說。
“RF SOI技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展,它對于RF開關(guān)應(yīng)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(yīng)用中,用于低噪聲放大器的SiGe和用于開關(guān)的MEMS等替代技術(shù)可以提供更佳的線性度或更低的損耗。總之,RF SOI將繼續(xù)為不斷擴大的市場服務(wù),其他技術(shù)也將有所發(fā)展。”
RF MEMS已經(jīng)在天線調(diào)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(guān)業(yè)務(wù)上還有待時間驗證。“未來,相對于內(nèi)置RF SOI,RF MEMS可以通過提供更線性和更低損耗的開關(guān)來幫助提高手機的數(shù)據(jù)速率。”他說。“在RF MEMS中,金屬板可以在“導(dǎo)通”狀態(tài)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(fù)雜的調(diào)制方案,從而增加手機的數(shù)據(jù)速率。
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