RF MEMS是什么？

　　所謂RF MEMS是用MEMS技術 加工的RF產(chǎn)品。RF-MEMS技 術可望實現(xiàn)和MMIC的高度 集成，使制作集信息的采 集、處理、傳輸、處理和 執(zhí)行于一體的系統(tǒng)集成芯 片（SOC）成為可能。按微 電子技術的理念，不僅可 以進行圓片級生產(chǎn)、產(chǎn)品 批量化，而且具有價格便 宜、體積小、重量輕、可 靠性高等優(yōu)點。 RF MEMS器件主要可以 分為兩大類：一類稱為無 源MEMS，其結構無可動零 件；另一類稱為有源 MEMS，有可動結構，在電 應力作用下，可動零件會 發(fā)生形變或移動。其關鍵 加工技術分為四大類：平 面加工技術、體硅腐蝕技 術、固相鍵合技術、LIGA 技術。

　　射頻微機電系統(tǒng)（RF MEMS） 是MEMS技術的重要應用領域之一，也是二十世紀九十年代以來MEMS領域的研究熱點。RFMEMS用于射頻和微波頻率電路中的信號處理，是一項將能對現(xiàn)有雷達和通訊中射頻結構產(chǎn)生重大影響的技術。隨著信息時代的來臨，在無線通信領域，特別是在移動通信和衛(wèi)星通信領域，正迫切需要一些低功耗、超小型化且能與信號處理電路集成的平面結構的新型器件，并希望能覆蓋包括微波、毫米波和亞毫米波在內(nèi)的寬頻波段。而目前的通訊系統(tǒng)中仍有大量不可或缺的片外分立元件，例如電感、可變電容、濾波器、耦合器、移相器、開關陣列等，成為限制系統(tǒng)尺寸進一步縮小的瓶頸。RF MEMS技術的出現(xiàn)有望解決這個難題。采用RF MEMS技術制造的無源器件能夠直接和有源電路集成在同一芯片內(nèi)，實現(xiàn)射頻系統(tǒng)的片內(nèi)高集成，消除由分立元件帶來的寄生損耗，真正做到系統(tǒng)的高內(nèi)聚，低耦合，能顯著提高系統(tǒng)的性能。

　　那RF SOI較RF MEMS的優(yōu)點是什么？

　　首先，RF SOI工藝可工作頻率很高，F(xiàn)t/Fmax滿足毫米波工作頻率3至5倍的要求；RF SOI可以實現(xiàn)器件堆疊（device stacking），從而同時提高了功率與能效比；再次，RF SOI工藝采用的襯底降低了寄生效應，這樣制造出來的射頻芯片品質(zhì)因數(shù)更高、損耗更低、噪聲系數(shù)更好，同時這種襯底也提高了產(chǎn)品的絕緣水平與線性度；第四，RF SOI可以集成邏輯與控制功能，這是GaAs工藝無法做到的，所以GaAs器件在應用當中需要再搭配一顆控制芯片，采用RF SOI工藝就可以把PA和控制功能集成到一顆芯片上，在降低成本的同時又節(jié)省了寶貴的PCB面積；最后RF-SOI具備后柵偏壓可調(diào)（Back-gate bias）功能，利用該功能可微調(diào)毫米波射頻線路以適應使用需求。

　　在回顧了中國智能手機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程后，新傲科技的總經(jīng)理王慶宇指出隨著智能手機數(shù)量的增長，對RF－SOI的需求也迅猛增加，這對中國發(fā)展RF－SOI帶來了很難得的機會，但也有許多挑戰(zhàn)。

　　這兩種技術到底誰更適合未來？

　　RF器件和制造工藝市場正在升溫，這種態(tài)勢對于智能手機中使用的兩個關鍵組件 - 射頻開關器件和天線調(diào)諧器尤為明顯。

　　射頻器件制造商及其代工合作伙伴繼續(xù)推出基于RF SOI工藝技術的傳統(tǒng)射頻開關芯片和調(diào)諧器，用于當今的4G無線網(wǎng)絡。最近，GlobalFoundries為未來的5G網(wǎng)絡推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是絕緣體上硅（SOI）技術的RF版本，該工藝利用了內(nèi)置隔離襯底的高電阻率特性。

　　為了改變市場格局，一家無晶圓廠IC設計公司Cavendish Kinetics正在推出基于替代工藝RF MEMS的新一代RF產(chǎn)品和天線調(diào)諧器。

　　RF開關和調(diào)諧器是手機RF前端模塊中的兩個關鍵組件。RF前端集成了系統(tǒng)的發(fā)送/接收功能，其中，RF開關對無線信號進行路由，調(diào)諧器幫助把天線調(diào)整匹配到任何頻段上。

　　即便不考慮RF設備和工藝類型的變革，當今RF市場的挑戰(zhàn)也足以令人望而生畏。Cavendish Kinetics公司總裁兼首席執(zhí)行官Paul Dal Santo表示：“幾年前，RF還是一項相當簡單的設計，但是現(xiàn)在，事情已經(jīng)發(fā)生了大大的改變。首先，您的射頻前端必須處理范圍非常廣泛的頻帶，從600MHz一直延伸到3GHz。隨著更加先進的5G技術的到來，頻段將進一步上延，達到5GHz至60GHz。這給前端RF設計師帶來了一些難以置信的挑戰(zhàn)。”

　　手機OEM廠商必須正面這種挑戰(zhàn)，做出權衡，考慮選擇新的組件。具體來說，對于RF開關和天線調(diào)諧器而言，可以歸結為兩種技術 - 基于RF SOI工藝和RF MEMS工藝的器件。

　　RF SOI是現(xiàn)在服役的制造工藝。基于RF SOI工藝的器件可以滿足當下的要求，但它們開始遇到一些技術問題。除此之外，市場還存在價格壓力，隨著器件從200mm遷移到300mm晶圓，也會引發(fā)一些問題。

　　相比之下，RF MEMS具有一些有趣的特性，并在某些領域取得了進展。事實上，Cavendish Kinetics公司表示，其基于RF MEMS工藝的MEMS天線調(diào)諧器正在被三星和其他OEM使用。

　　Strategy Analytics的分析師Chris Taylor表示：“RF MEMS能夠提供非常低的導通電阻，從而降低插入損耗。但RF MEMS缺乏生產(chǎn)追蹤記錄，大批量的無線系統(tǒng)OEM廠商將不會盲目對新技術和小型供應商買單。當然，相較于RF SOI器件，RF MEMS的價格必須有足夠的競爭力，但還有一個主要的障礙是，OEM廠商需要驗證產(chǎn)品可靠性，需要可靠的供應來源。”

　　射頻前端

　　智能手機是混合了RF開關、天線調(diào)諧器和其他組件商業(yè)環(huán)境的大市場，它的數(shù)據(jù)值得一看。根據(jù)Pacific Crest Securities的數(shù)據(jù)，2017年，全球智能手機出貨量預計將增長1％，而在剛剛過去的2016年，智能手機的年增長率也僅有1.3％。

　　另一方面，根據(jù)YoleDéveloppement的數(shù)據(jù)，智能手機的RF前端模塊/組件市場規(guī)模預計將從2016年的101億美元躍升至2022年的227億美元。據(jù)Strategy Analytics分析，2016年，RF開關設備市場規(guī)模為17億美元。

　　隨著OEM廠商繼續(xù)在智能手機中增加更多RF組件，RF市場正在不斷增長。“多頻段LTE也正在向低端設備普及，”Strategy Analytics的Taylor說。“RF開關組件市場正在增長。”

　　在手機網(wǎng)絡轉向4G或長期演進（LTE）的過程中，每臺手機的RF開關設備數(shù)量都有所增加。“我們談論的出貨量單位非常巨大，”Taylor說。“現(xiàn)在，大多數(shù)RF開關設備（并非全部）應用在手機上，其中絕大多數(shù)使用了RF SOI制造工藝。RF MEMS仍然是新興事物，相對于RF SOI開關來說微不足道。”

　　盡管RF開關的出貨量巨大，但市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor說，這些設備的平均銷售價格（ASP）為10至20美分。

　　同時，在一個簡單的系統(tǒng)中，RF前端由多個組件組成 - 功率放大器、低噪聲放大器（LNA）、過濾器和RF開關。

　　GlobalFoundries的技術人員Randy Wolf在最近的一個演講中說：“功率放大器的主要目的是確保有足夠的能量，可以讓您的信號或信息到達目的地。

　　LNA放大來自天線的小信號。RF開關將信號從一個組件路由到另一個組件。“過濾器可防止任何不需要的信號進入后端，”Wolf說。

　　在手機上，2G和3G無線網(wǎng)絡的射頻功能非常簡單。2G只有四個頻段，3G有五個頻段。但4G有40多個頻段。4G不僅融合了2G和3G的頻段，而且還搭載了一系列4G頻段。

　　除此之外，移動運營商部署了一種稱為載波聚合的技術。載波聚合將多個信道或分量載波組合到一個大數(shù)據(jù)管道中，在無線網(wǎng)絡中實現(xiàn)更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)速率。

　　為了應對多個頻段和載波聚合，OEM廠商需要復雜的RF前端模塊。今天的RF前端模塊會集成兩個或多個多模多頻帶功率放大器，以及多個開關和過濾器。“這取決于所采用的RF架構。功率放大器的數(shù)量由手機可尋址的地區(qū)頻帶決定。”Qorvo移動戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Abhiroop Dutta表示：“使用單個SKU在全球范圍內(nèi)應對多地區(qū)/全球蜂窩市場的典型“全網(wǎng)通”手機，頻段覆蓋面非常廣泛。在這種手機典型的集成RF前端模塊的實現(xiàn)中，一個工程選擇是使用具有分頻帶模塊的射頻前端，以應對高、中、低頻帶的不同要求。”

　　相比之下，還有另外一種情況，智能手機OEM廠商可能會針對特定市場設計專用手機。“一個例子是針對中國大陸市場的手機。在這種情況下，RF前端需要支持該地區(qū)特有的頻段，”Dutta說。

　　根據(jù)Cavendish Kinetics的說法，LTE手機上有兩種天線，主集天線和分集天線。基本上，主集天線用于發(fā)射/接收功能，分集天線用于提高手機的下行數(shù)據(jù)速率。

　　在實際操作中，信號首先到達主集天線，然后移動到天線調(diào)諧器上，這允許系統(tǒng)調(diào)整到任何頻帶。然后，信號進入一系列射頻開關。“它轉換到您要使用的適用頻段說，比如GSM、3G或4G，”GlobalFoundries的Wolf說。“從那里，信號進入濾波器，然后是功率放大器，最后到達接收器。”

　　考慮到這種復雜性，手機OEM廠商面臨一些挑戰(zhàn)，功耗和尺寸至關重要。“由于這種復雜性，信號在前端會遭到更多損失，這對您的接收機的總體噪聲系數(shù)將造成負面影響，”Wolf說。

　　顯然，RF開關在解決這個問題方面起關鍵作用。總的來說，智能手機可能包含10多個RF開關設備。基本的RF開關采用單刀單擲（SPST）配置。這是一種簡單的on-off型開關。

　　今天，OEM廠商使用更復雜的開關類型。Ron * Coff是RF開關的關鍵指標。根據(jù)Peregrine Semiconductor，“Ron * Coff是反映RF信號通過處于”導通“狀態(tài)的開關時發(fā)生多少損耗（Ron或導通電阻），以及RF信號在開關處于“關閉”狀態(tài)下通過電容器泄漏多少能量（Coff或關斷電容）的比率。”

　　總而言之，OEM廠商需要的是沒有插入損耗和實現(xiàn)良好隔離的RF開關。插入損耗涉及信號功率的損失。如果RF開關沒有實現(xiàn)良好的隔離，系統(tǒng)可能會遇到干擾。“總的來說，射頻前端面臨的挑戰(zhàn)是支持日益增長的性能需求，并緊跟不斷發(fā)展的標準和日益增加的頻帶覆蓋的步伐。不僅如此，由于手機變薄，RF解決方案的封裝尺寸也在縮小。Qorvo的Dutta表示，插入損耗、天線功率和隔離等關鍵指標仍然是推動RF產(chǎn)品組合解決方案不斷發(fā)展的驅動力。

　　解決方案

　　今天，手機的功率放大器主要使用砷化鎵（GaAs）技術。幾年前，OEM將射頻開關等制造工藝從GaAs和藍寶石（SoS）遷移到RF SOI上。GaAs和SoS是SOI的變體，隨著RF開關變得越來越復雜，這兩種工藝變得太貴了。

　　RF SOI不同于完全耗盡的SOI（FD-SOI），適用于數(shù)字應用。與FD-SOI類似，RF SOI在襯底中具有很薄的絕緣層，能夠實現(xiàn)高擊穿電壓和低漏電流。

　　GlobalFoundries RF業(yè)務部門主管Peter Rabbeni表示：“移動市場繼續(xù)看好RF SOI，因為它能夠在寬頻率范圍內(nèi)提供低插入損耗、低諧波以及高線性度，實現(xiàn)了良好的性能和成本效益。”

　　今天，Qorvo、Peregrine、Skyworks等公司提供基于RF SOI的射頻開關。通常，RF開關制造商使用代工廠來制造這些產(chǎn)品。GlobalFoundries、意法半導體、TowerJazz和聯(lián)電是RF SOI代工業(yè)務的領軍企業(yè)。

　　因此，OEM在組件供應商和代工產(chǎn)品方面有多種選擇。通常，代工廠提供RF SOI工藝，涵蓋從180nm到45nm的節(jié)點和不同的晶片尺寸。

　　決定使用哪一個節(jié)點取決于具體應用。聯(lián)電公司業(yè)務管理副總裁吳坤表示：“關于RF SOI技術的具體化，一切都是從技術性能、成本和功耗的角度來考慮適用于終端應用的技術解決方案。”

　　即便有多種選擇，RF開關制造商也面臨一些挑戰(zhàn)。RF開關本身包含場效應晶體管（FET）。與大多數(shù)器件一樣，F(xiàn)ET受到不需要的溝道電阻和電容的影響。

　　在RF開關中，F(xiàn)ET被堆疊使用。通常而言，當今的RF開關中堆疊了10到14個FET。據(jù)專家介紹，隨著FET數(shù)量的增加，器件可能會遇到插入損耗和電阻帶來的相關問題。

　　另一個問題是電容。Skyworks在2014年發(fā)表的一篇題為《RF應用中SOI工藝的最新進展和未來趨勢》的文章中表示，“在RF開關中，30％或更多不需要的電容來自于器件中的互連。互連是金屬層或微型布線方案，包括基于RF SOI的開關。

　　通常，在4G手機中，RF開關的主流制造工藝是200mm晶圓的180nm和130nm節(jié)點。許多（但不是全部）互連層基于鋁。鋁互聯(lián)在IC行業(yè)使用多年，價格便宜，但也具有較高的電容。

　　因此，銅被用于RF器件中一些被選定的層。銅是更好的導體，并且電阻小于鋁。Ng表示：“用于130nm RF CMOS工藝產(chǎn)品的傳統(tǒng)金屬堆疊包括具有成本優(yōu)勢的鋁互連層和具有性能優(yōu)勢的銅互連層。”這是平衡成本和性能的最佳解決方案。RF SOI解決方案通常包含一定數(shù)量的鋁金屬層和一個或多個銅層。

　　通常，在頂層上使用銅作為超厚金屬層，幫助改善無源器件性能。他說：“最好是銅這樣的厚頂層金屬，它能夠最小化歐姆損耗，從而提高性能。”

　　最近，RF設備制造商已經(jīng)從200mm晶圓遷移到300mm晶圓，其工藝節(jié)點也從130nm遷移到45nm。通常，300mm晶圓廠只使用銅互連。

　　只使用銅互連，RF開關制造商可以降低電容。但是，300mm晶圓提高了制造成本，從而在市場上造成一些矛盾。一方面，成本敏感的手機OEM廠商需要RF開關保持較低的價格。另一方面，RF開關設備制造商和代工廠希望能夠保持利潤。

　　“今天，只有極少的RF SOI器件采用300mm晶圓生產(chǎn)，”Ng說。“這種情況的出現(xiàn)有很多原因，包括300mm RF SOI襯底的成本/可用性，以及支持后硅處理的基礎設施等因素。然而，我們預計，在未來幾年內(nèi)，這些挑戰(zhàn)將會在很大程度上得到解決，然后大部分大批量的RF SOI應用將會遷移到300mm晶圓上。”

　　在此之前，行業(yè)可能會面臨300mm的供需問題。“我們認為，在更多的生產(chǎn)遷移到300mm晶圓之前，市場將一直面臨供不應求的挑戰(zhàn)。產(chǎn)能上馬有多快，需求有多大，都將反映在供需矛盾上。”他說。

　　今天的RF SOI工藝適用于4G手機。GlobalFoundries希望在5G競賽中脫穎而出，最近為5G應用推出了45nm RF SOI工藝。該工藝利用了高電阻阱富集的SOI襯底。

　　5G是4G網(wǎng)絡的升級。今天的LTE網(wǎng)絡頻段介于700 MHz到3.5 GHz之間。相比之下，5G不僅與LTE共存，而且還將在30 GHz至300 GHz之間的毫米波段內(nèi)運行。5G將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10Gbps以上，即LTE的100倍。但5G的大規(guī)模部署預計得到2020年及以后了。

　　無論如何，5G需要一個新的組件。“（45nm RF SOI）主要集中在5G毫米波前端，它集成了PA、LNA、開關、移相器，為5G系統(tǒng)創(chuàng)建了一個集成的毫米波可控波束形成器。”GlobalFoundries的Rabbeni說。

　　5G還有其它的解決方案，RF MEMS就是其中一種可能。此外，TowerJazz和加利福尼亞大學圣地亞哥分校最近展示了一個12Gbps的5G相控陣芯片組。該芯片組采用了TowerJazz的SiGe BiCMOS技術。

　　哪種工藝將勝出？只有時間會告訴我們答案。“目前尚不清楚RF MEMS是否在5G應用上具有優(yōu)勢。”Strategy Analytics的Taylor說。

　　什么是RF MEMS？

　　基于RF SOI的射頻開關將繼續(xù)占據(jù)主導地位，但新技術RF MEMS也可能存在一定的生存空間。“隨著時間的推移，SOI已經(jīng)取得了不可思議的進步。電阻下降了，線性度也變得更好了。”Cavendish Kinetics的Dal Santo說。“但是SOI開關的本質(zhì)是一個晶體管導通或關閉。導通時，表現(xiàn)不是很好，關閉時，也不是很好。

　　多年來，RF MEMS技術一直在穩(wěn)步前進。今天，Cavendish、Menlo Micro和WiSpry（AAC Technologies）正在為移動應用開發(fā)RF MEMS。

　　RF MEMS與陀螺儀和加速度計等基于傳感器的MEMS不同。傳感器MEMS是將機械能轉化為電信號。相比之下，RF MEMS只進行信號的傳導。

　　最初，Cavendish等公司將RF MEMS技術應用到使用RF SOI和其它工藝的天線調(diào)諧器市場。

　　“如果天線是固定的，我們不可能使它支持所需的不同頻段。所以天線需要調(diào)整，“Dal Santo說。“現(xiàn)在，主要的方法是采取切換，要么切換不同的固定電容器，要么切換不同的固定電感器。問題在于天線是高Q設備。你必須小心，否則會帶來輻射性能的損失。”

　　相比之下，Cavendish的調(diào)諧器有32個不同的電容范圍。“它們是完全可編程的，具有非常好的高Q性能。所以輻射性能損失非常低。您可以使用這些，把天線調(diào)整到您需要支持的頻率范圍。”他說。

　　展望未來，Cavendish計劃在更大的RF開關領域采用RF SOI器件。他說：“如果用一個真正的開關代替RF SOI，那就是MEMS開關，你的接收機或發(fā)射機的插入損耗都會降低。”他說。

　　但是，RF MEMS器件是否會取代基于RF SOI的器件？關于這個問題，TowerJazz可以提供一些見解。TowerJazz提供傳統(tǒng)的RF SOI工藝，也是Cavendish的RF MEMS器件的代工廠商。

　　“RF MEMS和RF SOI可能在競爭相同的應用上會有一些小的重疊。一般來說，它們是相互補充關系，RF MEMS用于最苛刻的應用，而RF SOI用于其余的應用，“TowerJazz RF /高性能模擬業(yè)務部門高級副總裁兼總經(jīng)理Marco Racanelli說。

　　“RF SOI技術將繼續(xù)發(fā)展，它對于RF開關應用和部分低噪聲放大器市場仍然是可用的，”Racanelli說。“然而，在一些特殊的應用中，用于低噪聲放大器的SiGe和用于開關的MEMS等替代技術可以提供更佳的線性度或更低的損耗。總之，RF SOI將繼續(xù)為不斷擴大的市場服務，其他技術也將有所發(fā)展。”

　　RF MEMS已經(jīng)在天線調(diào)諧器市場上占有了一席之地，它能否把觸角延伸到射頻開關業(yè)務上還有待時間驗證。“未來，相對于內(nèi)置RF SOI，RF MEMS可以通過提供更線性和更低損耗的開關來幫助提高手機的數(shù)據(jù)速率。”他說。“在RF MEMS中，金屬板可以在“導通”狀態(tài)下直接接觸，形成金屬、低損耗、線性的連接。更高的線性度允許更多的頻帶和更復雜的調(diào)制方案，從而增加手機的數(shù)據(jù)速率。