RF-SOI是现代射频和毫米波前端技术的核心
根据ihs markit独立研究的《5g经济》报告2020年更新版，尽管全球经济受到疫情影响，但5g赋能的经济产出的增长趋势几乎保持不变。预计到2035年，5g将创造13.1万亿美元的全球经济产出，创造2280万个工作岗位，全球5g资本支出和研发投入将增长10.8%，年均投入高达2650亿美元。
迄今为止，全球已有超过45家oem厂商已经或即将宣布推出5g终端，超过50家运营商部署了5g商用网络，超过345家运营商正在投资5g。从终端角度看，基于《idc全球智能手机跟踪报告》，idc预测2020年全球5g手机出货量约2.4亿台，而中国市场的贡献将超过1.6亿台，占比约67.7%。在未来5年内，中国也将持续占据全球约一半的市场份额。
被5g改变的交流方式
国际电联（itu）为5g定义了三大应用场景，即embb（增强型移动宽带）、mmtc（海量机器类通信）和urllc（超可靠、低时延通信），并将6ghz以下（fr1）频段和毫米波（fr2）频段作为承载5g部署的核心。
目前来看，fr1频段相对更加拥挤，除中国外，很少有国家能在6ghz以下为运营商分配100m以上的连续频谱；毫米波频段虽然覆盖能力相对较弱，但丰富的频谱资源可以实现高速的数据传输，并显著提高容量，对于充分释放5g性能、容量、吞吐量的全部潜能而言至关重要。
因此，只有当网络在高频部署有毫米波、中频部署有sub-6ghz与lte、低频部署有2g与3g网络，再配合多载波聚合技术时，整个5g网络的速率、覆盖、时延三项指标才能达到最优。
图1：部分国家在s和c频段的频谱分配（图片来自soitec）
图2：部分国家/地区在mmwave频段的频谱分配（图片来自soitec）
soitec射频业务发展高级经理luis andia在《rf-soi优化衬底 — 当代射频和毫米波前端的核心》白皮书中也谈到了这点，并指出，为了充分利用频谱资源，5g在系统中引入了众多针对新应用场景进行了高度优化的技术，例如网络切片、频谱共享和共存、聚合带宽高达1ghz的载波聚合、大规模mimo和天线阵列系统、以及固定无线接入，小型基站和毫米波技术等等。
“这份清单并不完整，还会随着新规范的发布而不断发展，但从我们的角度来看，它代表了5g中实现的一些最具创新性的功能。”luis andia在接受《电子工程专辑》独家专访时表示，5g是材料提供商、代工厂、设计公司、封装与测试、智能手机制造商、运营商和许多其他机构之间多年密切合作的结果，soitec rf-soi优化衬底上的cmos就是其中一种工艺，soitec的hr-soi，ifem-soi和rfesi系列产品，为使其成为先进射频前端的标准技术作出了巨大贡献。
图3：soitec面向5g的rf-soi衬底选择
被5g改变的射频前端
rf半导体设计者都在挖空心思为5g系统寻找新材料和新设计/架构，但是为什么会这样呢？
这是由于5g使用不同的高频频段来实现高速数据传输，因此5g rf前端模块所需要的功率放大器、滤波器、开关、lna和天线调谐器的需求量倍增，速度之快令人措手不及。对于智能手机设计者来说，庞大的零部件数量很让人头疼，他们必须将所有这些rf模块全部塞到一部5g手机里。
5g智能手机开发商也担心rf器件的质量、散热和能效问题，因为这些都可能降低rf前端模块的性能。
此外，并不是每个rf器件都使用相同的材料或相同的技术，这也解释了为什么soitec为射频系统准备了一揽子优化衬底方案的原因：rf-soi工艺主要用于5g智能手机射频前端中的开关器件和天线调谐器；fd-soi用于soc模拟/射频集成；压电（poi）优化衬底用于生产高性能表面声波（saw）滤波器组件，主要针对4g和5g新无线电（nr）波段；硅基氮化镓（gan-on-si）和碳化硅基氮化镓（gan-on-sic）则是进入5g gan功率放大器市场的利器。
对射频前端来说，一个显而易见的趋势是集成化与模块化，如何将这些不同材料、不同工艺的器件集成在一起，是件非常令人头疼的事情。
luis andia同意这个判断。但他认为前文所列举的各种优化衬底技术已经不再是小众市场，整个生态系统相对比较成熟，soitec正在与合作伙伴一起共同理解射频生态中各个环节的实际需求、发展趋势和架构，确保优化衬底和对应的模块、测试封装技术都能够实现完美兼容。
以目前业界谈论最多的5g毫米波应用为例，由于大气吸收和障碍物，毫米波频率在距离上比6ghz 以下频率更容易遭受信号衰减。对了补偿这种衰减，毫米波射频前端利用多达1，024个天线阵列系统大规模mimo的阵元，进一步将辐射的rf信号集中在更窄的波束中，实现相当的距离覆盖和更高的能效和专一性（即更低的用户互扰），但随之而来的后果是射频前端的复杂性大幅增加。得益于rf-soi技术的存在，不但使开关、pa、lna、移相器、可变增益放大器（vga）被完全集成在一起，还同时具有控制、偏置、内存和电源结合功能。
图4：得益于rf-soi技术，5g毫米波前端实现了高度集成
“rf-soi和fd-soi是相互补充的技术。在解决5g不同频段共存的问题上，他们可以为射频设计提供更多的灵活性，特别是一些手机需要兼容6ghz以下和毫米波频段时。当然，这涉及到的不仅仅只有5g手机，还包括其他5g基础设施。”luis andia说。
因此，即便是在面对除智能手机之外的垂直应用领域，比如汽车、工业、窄带物联网（nb-iot） 时，soitec也能够打出一套包括hr-soi、ifem-soi和rfesi在内的“组合拳”
5g的rf-soi优化衬底创新
如前文所述，rf-soi工艺主要用于智能手机射频前端模块制造。尤其是在5g智能手机中，rf-soi 器件的比例正在不断增加，例如sub-6ghz频段中，rf-soi含量比4g高60%；毫米波频段中，120mm2 soi内容含量增加；rf-soi在 wi-fi 6/6e mu-mimo 射频前端中更具优越性。
作为当前性能最为出色的rf-soi优化衬底，rfesi在当前智能手机中的使用率达到了100%。但luis andia说考虑到未来射频前端应用仍然存在巨大的市场空间，为了提高线性度，在保证成本竞争力的同时，soitec又新引入了rfesi100，其二阶谐波能够达到低于-100dbm的性能提升。按照官方的说法，这是“首次在商业rf-soi衬底上使用的创新材料，为embb和urllc中的所有应用提供了无与伦比的线性度。”
并行引入的可选功能还包括rfesi_t（“t”代表温度）。通过加入一层具有极低电容率的材料，它允许rfesi系列中的所有衬底（rfesi80，rfesi90和rfesi100）可以在高达150度的温度范围内都具有极低的线性漂移，并同时保留了trap-rich的所有其他特性并且具有成本竞争力，从而提高了关键任务应用（蜂窝网络基础设施、工业4.0、汽车、军事）的耐用性。
图5：rfesi和rfesi_t衬底在特定温度范围内的二阶谐波功率
最后，意识到了mmtc总体拥有成本的压力，soitec还推出了一种新型ifem-soi衬底，该衬底具有简化的制造工艺，可以在优化的射频前端 tco（总拥有成本）上提供合适的性能。
他特别提到了smart cut技术在其中扮演的关键角色。这是一种soi晶圆键合和剥离技术，也是soitec的核心竞争力所在，从1992年公司成立一直使用至今，在硅、碳化硅、蓝宝石衬底等多种半导体材料上得到了实践应用。它能将超薄的晶体材料从一个衬底转移到另一个衬底之上，从而打破原有的物理限制并改变整个衬底行业的状况。该技术最大的优点在于可以提高材料均匀性，降低材料缺陷密度，并且使高质量晶圆可以循环再利用，广泛应用于soi衬底的批量生产，包括fd-soi、rf-soi、power-soi、photonics-soi 和imager-soi，用以满足不同市场应用的需求。
产能方面，soitec中国区战略发展总监张万鹏表示，5g是中国拉动经济增长的重要行业之一，对rf-soi衬底的需求十分巨大和迫切，目前的晶圆产能足以支持市场的快速发展，soitec一直努力提高新加坡工厂的300mm soi晶圆和外延片，以及中国的200mm晶圆产能。与此同时，在与5g、边缘计算和汽车相关的应用中，fd-soi设计和流片也很活跃，soitec将持续改善产能规划，更好地服务不断增长的全球市场，特别是中国市场。
责编ajx
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日本计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术
蔡司三坐标测量仪尺寸检测设备
高清,地面数字电视选屏是关键
机加工自动化生产线的优势
RF-SOI是现代射频和毫米波前端技术的核心
2019年功率器件何以在“跌”声中“维稳”？
剖析晶体管结构新变革以及GAA机遇与挑战
软件将越来越成为定义汽车的决定性因素，OTA的未来也大有想象空间
宏碁发布史上最薄最强游戏本18.9毫米的GTX1080 一大波新机等着你
CMOS图像传感器制造的工艺问题
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PCB热实验设计5:4层PCB
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国内制造业的成就和问题
5G套餐依旧不降价的原因分析
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目前来看，fr1频段相对更加拥挤，除中国外，很少有国家能在6ghz以下为运营商分配100m以上的连续频谱；毫米波频段虽然覆盖能力相对较弱，但丰富的频谱资源可以实现高速的数据传输，并显著提高容量，对于充分释放5g性能、容量、吞吐量的全部潜能而言至关重要。
因此，只有当网络在高频部署有毫米波、中频部署有sub-6ghz与lte、低频部署有2g与3g网络，再配合多载波聚合技术时，整个5g网络的速率、覆盖、时延三项指标才能达到最优。
图1：部分国家在s和c频段的频谱分配（图片来自soitec）
图2：部分国家/地区在mmwave频段的频谱分配（图片来自soitec）
soitec射频业务发展高级经理luis andia在《rf-soi优化衬底 — 当代射频和毫米波前端的核心》白皮书中也谈到了这点，并指出，为了充分利用频谱资源，5g在系统中引入了众多针对新应用场景进行了高度优化的技术，例如网络切片、频谱共享和共存、聚合带宽高达1ghz的载波聚合、大规模mimo和天线阵列系统、以及固定无线接入，小型基站和毫米波技术等等。
“这份清单并不完整，还会随着新规范的发布而不断发展，但从我们的角度来看，它代表了5g中实现的一些最具创新性的功能。”luis andia在接受《电子工程专辑》独家专访时表示，5g是材料提供商、代工厂、设计公司、封装与测试、智能手机制造商、运营商和许多其他机构之间多年密切合作的结果，soitec rf-soi优化衬底上的cmos就是其中一种工艺，soitec的hr-soi，ifem-soi和rfesi系列产品，为使其成为先进射频前端的标准技术作出了巨大贡献。
图3：soitec面向5g的rf-soi衬底选择
被5g改变的射频前端
rf半导体设计者都在挖空心思为5g系统寻找新材料和新设计/架构，但是为什么会这样呢？
这是由于5g使用不同的高频频段来实现高速数据传输，因此5g rf前端模块所需要的功率放大器、滤波器、开关、lna和天线调谐器的需求量倍增，速度之快令人措手不及。对于智能手机设计者来说，庞大的零部件数量很让人头疼，他们必须将所有这些rf模块全部塞到一部5g手机里。
5g智能手机开发商也担心rf器件的质量、散热和能效问题，因为这些都可能降低rf前端模块的性能。
此外，并不是每个rf器件都使用相同的材料或相同的技术，这也解释了为什么soitec为射频系统准备了一揽子优化衬底方案的原因：rf-soi工艺主要用于5g智能手机射频前端中的开关器件和天线调谐器；fd-soi用于soc模拟/射频集成；压电（poi）优化衬底用于生产高性能表面声波（saw）滤波器组件，主要针对4g和5g新无线电（nr）波段；硅基氮化镓（gan-on-si）和碳化硅基氮化镓（gan-on-sic）则是进入5g gan功率放大器市场的利器。
对射频前端来说，一个显而易见的趋势是集成化与模块化，如何将这些不同材料、不同工艺的器件集成在一起，是件非常令人头疼的事情。
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图4：得益于rf-soi技术，5g毫米波前端实现了高度集成
“rf-soi和fd-soi是相互补充的技术。在解决5g不同频段共存的问题上，他们可以为射频设计提供更多的灵活性，特别是一些手机需要兼容6ghz以下和毫米波频段时。当然，这涉及到的不仅仅只有5g手机，还包括其他5g基础设施。”luis andia说。
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5g的rf-soi优化衬底创新
如前文所述，rf-soi工艺主要用于智能手机射频前端模块制造。尤其是在5g智能手机中，rf-soi 器件的比例正在不断增加，例如sub-6ghz频段中，rf-soi含量比4g高60%；毫米波频段中，120mm2 soi内容含量增加；rf-soi在 wi-fi 6/6e mu-mimo 射频前端中更具优越性。
作为当前性能最为出色的rf-soi优化衬底，rfesi在当前智能手机中的使用率达到了100%。但luis andia说考虑到未来射频前端应用仍然存在巨大的市场空间，为了提高线性度，在保证成本竞争力的同时，soitec又新引入了rfesi100，其二阶谐波能够达到低于-100dbm的性能提升。按照官方的说法，这是“首次在商业rf-soi衬底上使用的创新材料，为embb和urllc中的所有应用提供了无与伦比的线性度。”
并行引入的可选功能还包括rfesi_t（“t”代表温度）。通过加入一层具有极低电容率的材料，它允许rfesi系列中的所有衬底（rfesi80，rfesi90和rfesi100）可以在高达150度的温度范围内都具有极低的线性漂移，并同时保留了trap-rich的所有其他特性并且具有成本竞争力，从而提高了关键任务应用（蜂窝网络基础设施、工业4.0、汽车、军事）的耐用性。
图5：rfesi和rfesi_t衬底在特定温度范围内的二阶谐波功率
最后，意识到了mmtc总体拥有成本的压力，soitec还推出了一种新型ifem-soi衬底，该衬底具有简化的制造工艺，可以在优化的射频前端 tco（总拥有成本）上提供合适的性能。
他特别提到了smart cut技术在其中扮演的关键角色。这是一种soi晶圆键合和剥离技术，也是soitec的核心竞争力所在，从1992年公司成立一直使用至今，在硅、碳化硅、蓝宝石衬底等多种半导体材料上得到了实践应用。它能将超薄的晶体材料从一个衬底转移到另一个衬底之上，从而打破原有的物理限制并改变整个衬底行业的状况。该技术最大的优点在于可以提高材料均匀性，降低材料缺陷密度，并且使高质量晶圆可以循环再利用，广泛应用于soi衬底的批量生产，包括fd-soi、rf-soi、power-soi、photonics-soi 和imager-soi，用以满足不同市场应用的需求。
产能方面，soitec中国区战略发展总监张万鹏表示，5g是中国拉动经济增长的重要行业之一，对rf-soi衬底的需求十分巨大和迫切，目前的晶圆产能足以支持市场的快速发展，soitec一直努力提高新加坡工厂的300mm soi晶圆和外延片，以及中国的200mm晶圆产能。与此同时，在与5g、边缘计算和汽车相关的应用中，fd-soi设计和流片也很活跃，soitec将持续改善产能规划，更好地服务不断增长的全球市场，特别是中国市场。
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2019年功率器件何以在“跌”声中“维稳”？
剖析晶体管结构新变革以及GAA机遇与挑战
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