根據IHS Markit獨立研究的《5G經濟》報告2020年更新版，盡管全球經濟受到疫情影響，但5G賦能的經濟產出的增長趨勢幾乎保持不變。預計到2035年，5G將創造13.1萬億美元的全球經濟產出，創造2280萬個工作崗位，全球5G資本支出和研發投入將增長10.8%，年均投入高達2650億美元。

迄今為止，全球已有超過45家OEM廠商已經或即將宣布推出5G終端，超過50家運營商部署了5G商用網絡，超過345家運營商正在投資5G。從終端角度看，基于《IDC全球智能手機跟蹤報告》，IDC預測2020年全球5G手機出貨量約2.4億臺，而中國市場的貢獻將超過1.6億臺，占比約67.7%。在未來5年內，中國也將持續占據全球約一半的市場份額。

被5G改變的交流方式

國際電聯（ITU）為5G定義了三大應用場景，即eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（海量機器類通信）和uRLLC（超可靠、低時延通信），并將6GHz以下（FR1）頻段和毫米波（FR2）頻段作為承載5G部署的核心。

目前來看，FR1頻段相對更加擁擠，除中國外，很少有國家能在6GHz以下為運營商分配100M以上的連續頻譜；毫米波頻段雖然覆蓋能力相對較弱，但豐富的頻譜資源可以實現高速的數據傳輸，并顯著提高容量，對于充分釋放5G性能、容量、吞吐量的全部潛能而言至關重要。

因此，只有當網絡在高頻部署有毫米波、中頻部署有Sub-6GHz與LTE、低頻部署有2G與3G網絡，再配合多載波聚合技術時，整個5G網絡的速率、覆蓋、時延三項指標才能達到最優。

圖1：部分國家在S和C頻段的頻譜分配（圖片來自Soitec）

圖2：部分國家/地區在mmWave頻段的頻譜分配（圖片來自Soitec）

Soitec射頻業務發展高級經理Luis Andia在《RF-SOI優化襯底 — 當代射頻和毫米波前端的核心》白皮書中也談到了這點，并指出，為了充分利用頻譜資源，5G在系統中引入了眾多針對新應用場景進行了高度優化的技術，例如網絡切片、頻譜共享和共存、聚合帶寬高達1GHz的載波聚合、大規模MIMO和天線陣列系統、以及固定無線接入，小型基站和毫米波技術等等。

“這份清單并不完整，還會隨著新規范的發布而不斷發展，但從我們的角度來看，它代表了5G中實現的一些最具創新性的功能。”Luis Andia在接受《電子工程專輯》獨家專訪時表示，5G是材料提供商、代工廠、設計公司、封裝與測試、智能手機制造商、運營商和許多其他機構之間多年密切合作的結果，Soitec RF-SOI優化襯底上的CMOS就是其中一種工藝，Soitec的HR-SOI，iFEM-SOI和RFeSI系列產品，為使其成為先進射頻前端的標準技術作出了巨大貢獻。

圖3：Soitec面向5G的RF-SOI襯底選擇

被5G改變的射頻前端

RF半導體設計者都在挖空心思為5G系統尋找新材料和新設計/架構，但是為什么會這樣呢？

這是由于5G使用不同的高頻頻段來實現高速數據傳輸，因此5G RF前端模塊所需要的功率放大器、濾波器、開關、LNA和天線調諧器的需求量倍增，速度之快令人措手不及。對于智能手機設計者來說，龐大的零部件數量很讓人頭疼，他們必須將所有這些RF模塊全部塞到一部5G手機里。

5G智能手機開發商也擔心RF器件的質量、散熱和能效問題，因為這些都可能降低RF前端模塊的性能。

此外，并不是每個RF器件都使用相同的材料或相同的技術，這也解釋了為什么Soitec為射頻系統準備了一攬子優化襯底方案的原因：RF-SOI工藝主要用于5G智能手機射頻前端中的開關器件和天線調諧器；FD-SOI用于SoC模擬/射頻集成；壓電（POI）優化襯底用于生產高性能表面聲波（SAW）濾波器組件，主要針對4G和5G新無線電（NR）波段；硅基氮化鎵（GaN-on-Si）和碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）則是進入5G GaN功率放大器市場的利器。

對射頻前端來說，一個顯而易見的趨勢是集成化與模塊化，如何將這些不同材料、不同工藝的器件集成在一起，是件非常令人頭疼的事情。

Luis Andia同意這個判斷。但他認為前文所列舉的各種優化襯底技術已經不再是小眾市場，整個生態系統相對比較成熟，Soitec正在與合作伙伴一起共同理解射頻生態中各個環節的實際需求、發展趨勢和架構，確保優化襯底和對應的模塊、測試封裝技術都能夠實現完美兼容。

以目前業界談論最多的5G毫米波應用為例，由于大氣吸收和障礙物，毫米波頻率在距離上比6GHz 以下頻率更容易遭受信號衰減。對了補償這種衰減，毫米波射頻前端利用多達1，024個天線陣列系統大規模MIMO的陣元，進一步將輻射的RF信號集中在更窄的波束中，實現相當的距離覆蓋和更高的能效和專一性（即更低的用戶互擾），但隨之而來的后果是射頻前端的復雜性大幅增加。得益于RF-SOI技術的存在，不但使開關、PA、LNA、移相器、可變增益放大器（VGA）被完全集成在一起，還同時具有控制、偏置、內存和電源結合功能。

圖4：得益于RF-SOI技術，5G毫米波前端實現了高度集成

“RF-SOI和FD-SOI是相互補充的技術。在解決5G不同頻段共存的問題上，他們可以為射頻設計提供更多的靈活性，特別是一些手機需要兼容6GHz以下和毫米波頻段時。當然，這涉及到的不僅僅只有5G手機，還包括其他5G基礎設施。”Luis Andia說。

因此，即便是在面對除智能手機之外的垂直應用領域，比如汽車、工業、窄帶物聯網（NB-IoT） 時，Soitec也能夠打出一套包括HR-SOI、iFEM-SOI和RFeSI在內的“組合拳”

5G的RF-SOI優化襯底創新

如前文所述，RF-SOI工藝主要用于智能手機射頻前端模塊制造。尤其是在5G智能手機中，RF-SOI 器件的比例正在不斷增加，例如Sub-6GHz頻段中，RF-SOI含量比4G高60%；毫米波頻段中，120mm2 SOI內容含量增加；RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射頻前端中更具優越性。

作為當前性能最為出色的RF-SOI優化襯底，RFeSI在當前智能手機中的使用率達到了100%。但Luis Andia說考慮到未來射頻前端應用仍然存在巨大的市場空間，為了提高線性度，在保證成本競爭力的同時，Soitec又新引入了RFeSI100，其二階諧波能夠達到低于-100dBm的性能提升。按照官方的說法，這是“首次在商業RF-SOI襯底上使用的創新材料，為eMBB和uRLLC中的所有應用提供了無與倫比的線性度。”

并行引入的可選功能還包括RFeSI_T（“T”代表溫度）。通過加入一層具有極低電容率的材料，它允許RFeSI系列中的所有襯底（RFeSI80，RFeSI90和RFeSI100）可以在高達150度的溫度范圍內都具有極低的線性漂移，并同時保留了Trap-rich的所有其他特性并且具有成本競爭力，從而提高了關鍵任務應用（蜂窩網絡基礎設施、工業4.0、汽車、軍事）的耐用性。

圖5：RFeSI和RFeSI_T襯底在特定溫度范圍內的二階諧波功率

最后，意識到了mMTC總體擁有成本的壓力，Soitec還推出了一種新型iFEM-SOI襯底，該襯底具有簡化的制造工藝，可以在優化的射頻前端 TCO（總擁有成本）上提供合適的性能。

他特別提到了Smart Cut技術在其中扮演的關鍵角色。這是一種SOI晶圓鍵合和剝離技術，也是Soitec的核心競爭力所在，從1992年公司成立一直使用至今，在硅、碳化硅、藍寶石襯底等多種半導體材料上得到了實踐應用。它能將超薄的晶體材料從一個襯底轉移到另一個襯底之上，從而打破原有的物理限制并改變整個襯底行業的狀況。該技術最大的優點在于可以提高材料均勻性，降低材料缺陷密度，并且使高質量晶圓可以循環再利用，廣泛應用于SOI襯底的批量生產，包括FD-SOI、RF-SOI、Power-SOI、Photonics-SOI 和Imager-SOI，用以滿足不同市場應用的需求。

產能方面，Soitec中國區戰略發展總監張萬鵬表示，5G是中國拉動經濟增長的重要行業之一，對RF-SOI襯底的需求十分巨大和迫切，目前的晶圓產能足以支持市場的快速發展，Soitec一直努力提高新加坡工廠的300mm SOI晶圓和外延片，以及中國的200mm晶圓產能。與此同時，在與5G、邊緣計算和汽車相關的應用中，FD-SOI設計和流片也很活躍，Soitec將持續改善產能規劃，更好地服務不斷增長的全球市場，特別是中國市場。
責編AJX