RF SOI产能严重不足,衬底等原材料缺货是元凶?

2018-05-21 09:15:49 来源:EEFOCUS
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5G的日益临近正在推升业界对300mm和200mm射频晶圆的需求,晶圆短缺,供不应求。

为了应对智能手机对RF SOI工艺的巨大需求造成的供不应求,几家晶圆代工厂正在努力扩大RF SOI工艺的产能。

许多代工厂正在提高200mm RF SOI晶圆的产能,以满足急剧增长的需求。格罗方德、TowerJazz、台积电和联电也正在扩大和提高RF SOI的300mm晶圆产能,为即将带来的下一代无线标准5G争夺第一波射频业务。

RF SOI是用于制造智能手机和其它产品上使用的开关器件和天线调谐器等特有RF芯片的专用工艺。RF SOI是绝缘体上硅(SOI)工艺的RF版本,不同于用于数字芯片的完全耗尽SOI(FD-SOI)。

市场需求的变化引起了RF SOI的供应短缺。简而言之,由于无线网络中的频带数量增加,OEM厂商必须在智能手机中增加更多RF元件,比如基于RF SOI工艺的射频开关,用在智能手机中处理复杂的频段和其它问题。

不仅是射频开关器件,很多RF器件的需求也超出预期,特别是基于RF SOI工艺的器件。实际上,整个RF SOI供应链供不应求,几种器件都出现了短缺。

“整个供应链非常紧张,”FD-SOI和RF SOI衬底供应商Soitec的客户群和营销执行副总裁Thomas Piliszczuk说。 “我们正在经历需求比生态系统的供应更大的一段时期。”

这个领域目前面临的重大问题包括:

1、Soitec及其他公司生产的200mm或300mm衬底是RF SOI的基础原料,供应商无法满足业界对200mm衬底的需求,300mm的产能也有限。
2、Soitec及其他公司将RF SOI衬底销售给晶圆厂,晶圆厂制造RF芯片,但是目前晶圆厂的200mm RF SOI产能无法满足巨大的需求。
3、几家晶圆厂正在抓紧提升300mm RF SOI产能,但产能有限。全球RF SOI产能只有5%在300mm晶圆上,到2020年时这个比例应该增加到20%。


“因为需求非常强劲,现在的情势比较紧张,而且需求还在加速提升。第一代5G sub-6GHz技术的上市时间甚至还在提速,所有这些都产生了更多需求,”Piliszczuk说。 “我们将在接下来的几个季度内克服这些挑战。”

根据Soitec的数据,整个行业预计2018年将出货150万到160万片RF SOI工艺的200mm等效晶圆,比2017年增长15%-20%。预计到2020年,这一数字将超过200万片。


RF SOI适合用在哪里?
很多应用都可以使用基于RF SOI工艺的芯片,但是它最大的目标市场是手机中的射频前端模块。据Gartner预测,2018年全球手机出货量将达到19亿部,比2017年增长1.6%,2019年的智能手机出货量增速将达到5%。

手机中除了使用RF SOI芯片,还包括数字芯片和其它射频芯片。基于CMOS工艺的数字芯片包括应用处理器和其它器件。

射频组件集成到一个射频前端模块中,处理射频发射和接收功能。前端模块由多个组件组成,包括功率放大器、天线调谐器、低噪声放大器(LNA)、滤波器和射频开关。

通常,功率放大器基于砷化镓(GaAs)工艺,砷化镓是一种III-V族化合物,功率放大器提供所需的功率,使得信号可以到达目的地。

低噪声放大器放大来自天线的小信号,滤波器则过滤所有不需要的信号,阻止它们进入系统。 低噪声放大器和滤波器使用的工艺多种多样。

开关芯片和调谐器使用RF SOI工艺。RF开关将信号从一个组件路由到另一个组件上,调谐器帮助天线适应任何频段。

 

图1 一个简单的前端模块

图2 另一个前端模块


多年来,尽管智能手机的销售增速放缓,但单台手机中的RF器件数量却在不断增长。“在RF世界中,频带数量不断增加,因此,尽管智能手机出货量增速仅为百分之几,而射频器件的增长率却达到两位数。”格罗方德RF业务部高级副总裁Bami Bastani表示。

在无线系统中,无线电频谱被划分为多个频段。很多年前,运营商部署了2G和3G无线网络,其中,2G有四个频段,3G有五个频段。

近年来,运营商部署了名为LTE Advanced的4G无线网络,4G可以帮助智能手机获得更快的数据速率,同时也造成了蜂窝世界的频带碎片化。许多国家都分配了各自不同的频谱,所以现在的LTE手机需要能够在不同国家的不同频段上工作。事实上,今天的4G无线网络包含多达40多个频段,4G不仅融合了2G和3G频段,还融合了多个4G频段。

除此以外,移动运营商还部署了一项称为载波聚合的技术。“这项技术意味着你可以将这些频段放在一起,这样你就可以获得更高的下载速度。这也是频段数量不断上升的原因之一,因为你可以把它们聚合在一起使用,“Bastani解释说。

越来越多的频段,再加上载波聚合,已经影响了射频市场的增长曲线。首先,由于频带数量庞大,每部手机的RF器件含量正在增加。2000年,手机中的射频器件价值为2美元,今天每部智能手机的射频器件价值在12美元到15美元之间,预计第一批5G智能手机的射频器件价值将上涨到18美元到20美元以上。

然后,为了处理众多频段,今天的RF前端模块可能集成了两个或更多的多模多频段功率放大器以及多个开关和滤波器。“当加入一个频段时,必须要有一个相应的过滤器和开关。一般来说,你可以把一堆开关放在一个非常小的集成电路中,“Bastani说。 “看看今天的射频前端模块,里面有20到30个组件,包括滤波器、RF SOI开关和功率放大器等。”

通常而言,今天的LTE手机有两个天线-主天线和分集天线。其中,主天线用于发送和接收功能,分集天线用于提高手机的下行数据速率。

 

图3 一个4G前端


在实际操作中,信号首先达到主天线,接着移动到一个天线调谐器上,它使得系统可以适应任何频段。

然后,信号通过一系列射频开关,一部智能手机可能包含10多个射频开关器件,这些器件把信号切换到适当的频段上,然后,信号进入滤波器、功率放大器。

所有这些都给手机OEM厂商带来了重大挑战。射频前端的功耗和尺寸至关重要,这就是OEM厂商希望射频开关没有插入损耗并能实现良好隔离的原因所在。插入损耗会导致信号功率的损失,如果开关器件没有实现良好的隔离,系统可能会遇到干扰。

总而言之,智能手机的复杂性推动了对RF组件的需求,特别是开关和调谐器。TowerJazz高级副总裁兼射频/高性能模拟业务部门总经理Marco Racanelli表示:“RF SOI工艺的需求受到手机和物联网设备中射频开关内容增加的驱动,这些器件主要采用RF SOI工艺制造。”

“例如,每一款新手机都需要支持越来越多的频段和标准,并且每款手机都需要基于RF SOI的滤波器。 RF SOI也用于WiFi的接收和切换功能,以及用于改善接收性能的天线调谐器,”Racanelli说。 “天线数量的增加也是导致供不应求一个的原因,以前只有一个主天线,现在分集天线已经变得更加常见。而且手机正在采用MIMO(多输入多输出)天线,每个天线链路都需要额外的射频开关来帮助引导流量。”

 

 
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