《破局射频前端》之三：SOI晶圆在射频前端中的使用和价值量分析

前言

前作《5G射频前端的挑战和商业机会》，主要演绎了射频前端各种不同半导体工艺和产品类别的故事。这里我们来梳理下SOI晶圆在射频前端中的使用和相关价值量的变化。文章的重点是变化和量化。

为什么是SOI？

蜂窝通信终端开关性能需求

有下面几个因素影响了开关的选择。

1.放大器的输出功率峰值，可能会达到36dBm以上。

2.天线端口的阻抗会变化很大，特别是当天线失配严重的时候，经常会达到5:1的电压驻波比。有些极限场景，会要求20:1的电压驻波比。

3.在开关关闭的状态下，开关需要保持高线性和可靠性。开关的谐波失真会导致辐射和传导杂散失败，另外在很多FDD场景中，高发射功率导致开关出现宽带低频的噪声，会降低接收性能。

4.综合系数(Ron和Coff)要越小越好。

厚膜和薄膜的SOI

厚膜的SOI：器件层的厚度要大于S/D结的深度。这类器件工作方式和传统的体硅相似，所以电路设计方面，能够最小改动的移植到SOI的设计上面来。薄膜的SOI：S/D的掺杂延伸到了氧化层。这种做法很明显的好处是降低了Coff，但是需要重新设计电路。

开关设计的技术参数

由上表可以看到，0.18微米的薄膜SOI的综合性能，已经接近于砷化镓pHEMT工艺。采用SOI工艺的另外好处是可以将开关的逻辑控制单元集成到相同一个SOI晶圆上面。

上表比较了在每一个开关分支上面，pHEMT和SOI 工艺带来的差异。尽管在插入损耗方面，SOI处于劣势，但是在综合性能方面，两者旗鼓相当。SOI开关的每一个分支的尺寸，是非常小的。当我们需要更多的分支，比如SP10T，或者更多的时候，SOI在应对多分支需求，更加有优势。下图为一个采用SOI工艺设计的SP9T。

SOI在手机射频器件中的分布和作用

上文我们引用了RFMD的公开文章， 说明SOI在取代传统pHEMT在开关应用方面的优势和特点。另外，随着5G的发展，射频前端器件中，更多需要LNA。LNA或者说LNA bank也是SOI应用的重要部分。如何在射频前端器件中，很快识别出SOI在其中的特定作用？作为信号调整、分配和切换的关键单元，还有在阻抗调谐和孔径调谐的大量使用，SOI在几乎所有射频前端器件中，无处不在。

上图为5G Sub6的收发模块中。我们用它来做一个简单地展示。其中紫色的发射部分是用砷化镓，绿色的部分使用LTCC、分立电感电容或者IPD来实现，其他部分，包括ASM，SPxT， LNA & LNA MUX等等，都是采用SOI工艺。只从晶圆面积大小来看， SOI的使用，超过了其他晶圆的总和。

SOI晶圆需求分析

我们看到手机终端驱动的SOI需求，在2021年超过一百万片。这里用到的晶圆尺寸为等效8英寸。随着5G的全球普及，预期在2~3年内，需求将会持续增长。

如果我们深入研究不同的射频前端器件对SOI的需求情况，可以参考上图。低噪放和模组类器件，SOI需求增长最为迅猛，这是因为5G手机的驱动。

小结

首先引用了RFMD的分析文章，讲述了SOI在开关类产品的应用和性能指标要求。接着分析SOI在不同射频前端器件中的分布情况。最后展示了SOI晶圆逐年的需求增长情况。5G毫米波模组中SOI的需求，是未来的一个不确定性因素，我们拭目以待。

引用和致谢

https://www.researchgate.net/publication/224143075_Cellular_Antenna_Switches_for_Multimode_Applications_Based_on_a_Silicon-on-Insulator_Technology

5G-White-Paper-Part-2.pdf (skyworksinc.com)