作者:畅秋

 

小小的射频开关,在全球射频前端市场占据重要位置,中国厂商更是给力。

 

5G越来越普及,手机内部各个功能块也越来越复杂,因为整体性能要不断提升,芯片元器件数量也在增加,与此同时,对小体积、高集成度又有越来越高的要求。这一点在射频前端体现得尤为凸出。

 

通常情况下,智能手机的射频前端主要包括功率放大器(PA)、滤波器(Filter)、射频开关(switch)、低噪声放大器(LNA)等。其中,滤波器的价值量占比较高,达到53%,其次是功率放大器(33%)、射频开关(7%)。

 

就价值量和设计难度而言,射频开关要逊色于滤波器和功率放大器,但前者在射频前端中的使用数量却很大,更重要的是,中国厂商在射频开关领域已经实现了较高的市占率,与滤波器和功率放大器相比,有更多的话语权。

 

射频开关的价值

 

射频开关又称微波开关,主要用于控制微波信号通道转换,广泛应用于智能手机等移动终端。按用途划分,射频开关可分为移动通信传导开关、Wi-Fi开关、天线开关等;按刀数和掷数划分,又可分为单刀单掷、单刀双掷、单刀多掷和多刀多掷开关。

 

射频开关由传导开关(Switch)和天线调谐开关(Tuner)两部分组成,Tuner的技术难度高于Switch,因为Tuner有极高的耐压要求,导通电阻和关断电容对性能影响极大,对产品提出了更高的设计和工艺要求。

 

受到模块化趋势影响,目前,过半Switch集成在模组之中。而分立式的Switch则主要应用在中低端手机中。

 

在智能手机中,射频开关处于射频前端的关键位置且必不可少,其插损、回损、隔离度、谐波抑制和功率容量等性能对射频前端链路有重要影响。射频开关的主要作用在于通过控制逻辑,实现对不同方向(接收或发射)、不同频率的信号进行切换,以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。

 

一般情况下,智能手机每多支持一个频段,其射频芯片就要增加一条接收通道,为了减少芯片面积,降低成本,一个接收通道往往会支持多个频段,这就需要在射频前端增加开关数量,以满足对不同频段信号接收、发射的需求。

 

5G手机所支持的频段在4G LTE 66个的基础上增加了50个,由于5G要全部向下兼容,全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段数量超过110个,因此,相对于4G手机,5G的射频开关数量将在10个基础上再提升50%,达到15个,而且,随着技术和应用需求的发展,未来这一数字还会进一步增加。

 

另外,随着封装尺寸的减小,射频前端呈现出模组化的趋势,未来,射频开关性能和单机价值量有望进一步提升。

 

制程工艺

 

制造工艺层面,射频开关主要分为两种类型:机电式和固态射频开关。固态开关使用半导体技术制造,例如硅或PIN二极管、场效应晶体管 (FET) 和混合技术(即PIN二极管和场效应晶体管的结合),并使用硅基基板构建。

 

射频开关制造工艺技术主要有CMOS、GaAs、RF SOI、RF MEMS,其中,RF SOI是主流技术,CMOS技术占据少量份额,GaAs已经面临淘汰。随着射频开关产品设计的不断创新,RF MEMS技术更能满足未来射频系统多模多频通信的需要,正成为业界布局的重点。

 

RF SOI是一种具有独特的硅/绝缘层/硅三层结构的硅基半导体工艺材料,它通过绝缘埋层(通常为SiO2)实现了器件和衬底的全介质隔离,在器件性能上具有诸多优点,主要包括:减小了寄生电容,提高了运行速度,与体硅材料相比,SOI的运行速度提高了20%-35%;具有更低的功耗,由于减小了寄生电容,降低了漏电,SOI器件功耗可减小35%-70%;消除了闩锁效应;抑制了衬底的脉冲电流干扰,减少了错误的发生;与现有CMOS硅工艺兼容,可减少13%-20%的工序。

 

随着RF SOI工艺的不断改进,这种射频开关的性能也在稳步提升。

 

RF SOI工艺可以满足当下的频段及性能要求,但也遇到了一些新的挑战。射频开关本身包含场效应晶体管(FET),FET会受到不需要的沟道电阻和电容的影响,通常情况下,射频开关中堆叠了10到14个FET,随着FET数量的增加,器件可能会遇到插入损耗和电阻带来的一系列问题。

 

另外,寄生电容也是一个问题,Skyworks(思佳讯)公司认为,在射频开关中,30%或更多的寄生电容来自于器件中的互连,互连包括金属层或bonding线,这些也是RF SOI工艺存在的问题。目前,射频开关的主流制造工艺是基于8英寸晶圆的180nm和130nm制程。许多互连层基于铝材质,铝价格便宜,但具有较高的寄生电容,因此,铜被用于射频开关中一些特定层,铜是更好的导体,并且电阻小于铝。

 

近些年,RF SOI晶圆代工厂已经从8英寸晶圆迁移到12英寸,制程节点也从130nm迁移到45nm。通常情况下,12英寸晶圆厂只使用铜互连,这样,射频开关制造商可以降低电容。不过,12英寸晶圆提高了制造成本,这就形成了一对矛盾关系,即成本敏感的手机OEM厂商需要射频开关保持较低的价格,但射频开关制造商和晶圆代工厂希望保持利润。

 

与RF SOI相比,RF MEMS的一些优秀特性就凸显了出来,这为射频开关拓宽了发展道路。

 

RF MEMS开关种类繁多,它们可以用不同的机制来驱动。由于具备功耗低、尺寸小的特性,静电驱动常用于射频MEMS开关设计。MEMS开关也可使用惯性力、电磁力、电热力或压电力来控制打开或关闭。

 

RF MEMS能够提供非常低的Ron(导通电阻),这也意味着更低的insertion loss(插入损耗)。但RF MEMS还没有实现大规模量产,因为考虑到风险,主流OEM厂商很难选择新技术和小供应商,除非与RF SOI相比,RF MEMS开关能提供极具吸引力的价格,且其可靠性和供货稳定性有足够保障。

 

中国本土厂商崛起

 

2020年,全球射频开关市场规模为20多亿美金,中国市场至少占到50%。除了传统分立式射频开关,射频前端模块化的发展趋势,使得越来越多的开关被集成进模组,特别是手机PA模组,今后,PA模组里集成的开关会越来越多。这是国际大厂发展的方向,中国本土厂商也在快速跟进。

 

目前,国际知名的射频开关供应商主要包括:Skyworks、Broadcom(博通)、Murata(村田)、卓胜微、韦尔股份等。

 

由于技术难度相对较低、射频开关国产化率较高,卓胜微已经占据了全球射频开关(包含Switch和Tuner,分立式及模组中的开关)约15%市场份额,紫光展锐、昂瑞微、艾为、飞骧科技、唯捷创芯、韦尔股份、迦美信芯等厂商也具备开关生产能力,整体国产化率约为20%。但把开关作为主要产品的公司较少,如卓胜微、迦美信芯、韦尔股份(开关/LNA是公司射频产品线的主要产品)、艾为电子(开关/LNA是公司射频产品线的主要产品),其它厂商大多把开关作为副线产品。

 

之所以如此,卓胜微的强大是一个重要原因。其射频开关毛利率超过50%,年销售额超过50亿元人民币,是绝对的产业龙头。

 

在市场需求的推动下,中国本土射频开关厂商数量不断增长,目前已超过15家。不过,除了卓胜微,分立式开关年销售额超过1亿元的公司还未出现。以小米为代表的OEM厂商,为它们供货的中国本土射频开关企业中,除了卓胜微,其它家拿到的份额都很小,目前来看,大客户把卓胜微作为第一供应商的策略不会变,剩余的部分由10多家公司瓜分。

 

卓胜微的射频开关业绩是在2017年开始快速增长的,在2015年之前,RDA、飞骧科技、唯捷创芯都已经出货射频开关产品,直到今天,这些公司的射频开关产品还在市场上推广,但分立式射频开关业务增长乏力。

 

综上,在射频开关领域,中国企业市占率较高。在这样的基础上,本土企业应该再接再厉,对射频前端中具有更高技术含量和利润的芯片和模组加大投入力度,以期实现更高水平的发展。