Какво представляват RF MEMS и RF SOI технологиите? Кой е владетелят на бъдещите радиочестотни технологии?

Какво е RF MEMS?

Така нареченият RF MEMS е RF продукт, обработен с технологията MEMS. Очаква се технологията RF-MEMS да постигне висока степен на интеграция с MMIC, което позволява да се направи чип за системна интеграция (SOC), който интегрира събирането, обработката, предаването, обработката и изпълнението на информация. Според концепцията за микроелектронна технология, не само може да се произвежда вафли и масово производство, но също така има предимствата на ниска цена, малък размер, леко тегло и висока надеждност. RF MEMS устройствата могат да бъдат разделени на две основни категории: едната се нарича пасивна MEMS и нейната структура няма движещи се части; другият се нарича активен MEMS, който има подвижна структура. Под действието на електрическо напрежение подвижните части ще се деформират или преместят. Неговите ключови технологии за обработка са разделени в четири категории: технология на равнинна обработка, технология за насипна силициева корозия, технология на свързване в твърда фаза и технология LIGA.

Радиочестотната микроелектромеханична система (RF MEMS) е една от важните области на приложение на технологията MEMS и от 1990-те години на миналия век е и изследователска точка в областта на MEMS. RFMEMS се използва за обработка на сигнали в радиочестотни и микровълнови честотни вериги и е технология, която ще окаже значително въздействие върху радиочестотната структура на съществуващите радари и комуникации. С настъпването на информационната ера в областта на безжичните комуникации, особено в областта на мобилните комуникации и сателитните комуникации, има спешна нужда от нови устройства с ниска консумация на енергия, ултра-миниатюризация и равнинни структури, които могат да бъдат интегрирани с схеми за обработка на сигнали. Покриват широки честотни ленти, включително микровълнова, милиметрова и субмилиметрова вълна. Въпреки това все още има голям брой незаменими дискретни компоненти извън чипа в настоящите комуникационни системи, като индуктори, променливи кондензатори, филтри, съединители, фазови превключватели, решетки и т.н., които се превърнаха в пречка за по-нататъшното намаляване на размер на системата. Появата на RF MEMS технология се очаква да реши този проблем. Пасивните устройства, произведени с помощта на RF MEMS технология, могат да бъдат директно интегрирани с активни схеми в същия чип, за да се постигне висока интеграция на радиочестотните системи в чипа, да се елиминират паразитни загуби, причинени от дискретни компоненти, и наистина да се постигне висока кохезия и ниско свързване може значително да подобри производителността на системата.

Какви са предимствата на RF SOI пред RF MEMS?
На първо място, RF SOI процесът може да работи на много висока честота, Ft / Fmax отговаря на изискванията от 3 до 5 пъти работната честота на милиметровата вълна; RF SOI може да постигне подреждане на устройства, като по този начин подобрява съотношението на мощност и енергийна ефективност едновременно; трето, RF SOI Субстратът, използван в процеса, намалява паразитните ефекти, така че произведеният RF чип има по-висок качествен фактор, по-ниски загуби и по-добра цифра на шума. В същото време този субстрат също подобрява нивото на изолация и линейността на продукта; четвърто, RF SOI може да интегрира логически и контролни функции, което не може да бъде постигнато чрез технологията GaAs. Следователно устройствата GaAs трябва да бъдат оборудвани с контролен чип в приложението. Използвайки RF SOI технология, PA и контролните функции могат да бъдат интегрирани в чип. Въпреки че намалява разходите, той също така спестява ценна площ на печатни платки. И накрая, RF-SOI има функция за пристрастие към задната врата, която може да се използва за фина настройка на радиочестотната верига на милиметрови вълни, за да отговори на нуждите от употреба.

След преглед на историята на развитие на китайската индустрия за смартфони, Уанг Кингю, генерален мениджър на Simao Technology, посочи, че с увеличаването на броя на смартфоните търсенето на RF-SOI също се е увеличило бързо, което е довело до рядка възможност за Китай за разработване на RF-SOI. Възможности, но има и много предизвикателства.

Коя от тези две технологии е по-подходяща за в бъдеще?
　　 Пазарът на RF устройства и производствен процес се нагрява и тази тенденция е особено очевидна за двата ключови компонента, използвани в смартфоните - RF комутационни устройства и антенни тунери. Производителите на радиочестотни устройства и техните партньори в леярството продължават да въвеждат традиционни чипове и тунери за RF комутатори, базирани на технологията за RF SOI процес за днешните 4G безжични мрежи. Наскоро GlobalFoundries представи 45nm RF SOI процес за бъдещи 5G мрежи. RF SOI е RF версията на технологията силиций върху изолатора (SOI), която се възползва от характеристиките с високо съпротивление на вградения изолационен субстрат.

За да промени пазарната структура, Cavendish KineTIcs, безпроблемна компания за проектиране на IC, пуска ново поколение RF продукти и антенни тунери, базирани на алтернативния процес RF MEMS.

RF превключвателят и тунерът са два ключови компонента в RF модула на мобилния телефон. RF интерфейсът интегрира функцията за изпращане / получаване на системата. Сред тях RF превключвателят насочва безжичния сигнал, а тунерът помага да настроите антената към всяка честотна лента.

Дори без да се вземат предвид промените в RF оборудването и типовете процеси, предизвикателствата на днешния RF пазар са достатъчно плашещи. Пол Дал Санто, президент и главен изпълнителен директор на Cavendish KineTIcs, каза: „Преди няколко години RF беше доста опростен дизайн, но сега нещата се промениха драстично. Първо, вашият RF интерфейс трябва да се справя с много широк диапазон. Честотната лента се простира от 600MHz до 3GHz. С появата на по-усъвършенствана 5G технология, честотната лента ще бъде допълнително разширена до 5GHz до 60GHz. Това носи някои невероятни предизвикателства пред RF дизайнерите от предния край. "

OEM производителите на мобилни телефони трябва да се изправят пред това предизвикателство, да правят компромиси и да обмислят избора на нови компоненти. По-конкретно, за RF превключватели и антенни тунери, това може да бъде приписано на две технологии-устройства, базирани на RF SOI процес и RF MEMS процес.

RF SOI е производствен процес, който в момента се използва. Устройствата, базирани на RF SOI технология, могат да отговорят на настоящите изисквания, но започват да срещат някои технически проблеми. Освен това на пазара все още има ценови натиск. Тъй като устройствата мигрират от 200 мм до 300 мм вафли, това също ще доведе до някои проблеми.

За разлика от тях, RF MEMS има някои интересни характеристики и е постигнал напредък в някои области. Всъщност Cavendish KineTIcs заяви, че неговият тунер за антена MEMS, базиран на RF MEMS процеса, се използва от Samsung и други производители на оригинално оборудване.

Крис Тейлър, анализатор от Strategy AnalyTIcs, каза: "RF MEMS може да осигури много ниско съпротивление при вмъкване, като по този начин намалява загубата на вмъкване. Въпреки това, RF MEMS няма производствен опит и производителите на безжични системи с голям обем няма да се фокусират сляпо върху нови технологии и малките доставчици плащат. Разбира се, в сравнение с RF SOI устройствата, цената на RF MEMS трябва да бъде достатъчно конкурентна, но има още една основна пречка, че OEM производителите трябва да проверят надеждността на продукта и да се нуждаят от надеждни източници на доставка. "

RF преден край
Умните телефони са голям пазар, който смесва RF комутатори, антенни тунери и други компоненти в бизнес средата. Нейните данни си заслужава да бъдат разгледани. Според данни на Pacific Crest Securities, през 2017 г. се очаква глобалните доставки на смартфони да нараснат с 1%. През 2016 г. годишният темп на растеж на смартфоните е бил само 1.3%.

От друга страна, според данните на Yole Développement, размерът на пазара на RF модули / компоненти за смартфони се очаква да скочи от 10.1 млрд. USD през 2016 г. на 22.7 млрд. USD през 2022 г. Според Strategy Analytics, през 2016 г. Пазарът на RF комутационни апарати е на стойност 1.7 милиарда щатски долара.

Тъй като OEM производителите продължават да добавят повече RF компоненти към смартфоните, RF пазарът нараства. „Многолентовият LTE също става популярен за устройства от нисък клас“, каза Тейлър от Strategy Analytics. „Пазарът на радиочестотни компоненти нараства.“

В процеса на преминаване на мобилната телефонна мрежа към 4G или Long Term Evolution (LTE), броят на RF комутационните устройства за всеки мобилен телефон се е увеличил. "Единицата пратки, за която говорим, е много голяма", каза Тейлър. "В днешно време повечето RF комутационни устройства (не всички) се използват в мобилни телефони и повечето от тях използват RF SOI производствени процеси. RF MEMS все още се появява и е незначителен в сравнение с RF SOI комутаторите."

Въпреки огромните доставки на RF комутатори, пазарната конкуренция е ожесточена и ценовият натиск е по-голям. Тейлър каза, че средната продажна цена (ASP) за тези устройства е от 10 до 20 цента.

В същото време, в проста система, RF предната част се състои от множество компоненти - усилвател на мощност, усилвател с ниско ниво на шум (LNA), филтър и RF превключвател.

Ранди Улф, техник в GlobalFoundries, заяви в неотдавнашна реч: „Основната цел на усилвателя на мощността е да гарантира, че има достатъчно енергия, за да стигне вашият сигнал или информация до местоназначението.

LNA усилва малкия сигнал от антената. RF превключвателят насочва сигнала от един компонент към друг. "Филтърът предотвратява проникването на нежелани сигнали в задния край", каза Вълк.

На мобилните телефони функциите за радиочестота на 2G и 3G безжичните мрежи са много прости. 2G има само четири честотни ленти, а 3G има пет честотни ленти. Но 4G има повече от 40 честотни ленти. 4G не само комбинира 2G и 3G честотни ленти, но също така носи серия от 4G честотни ленти.

В допълнение мобилните оператори са внедрили технология, наречена агрегиране на оператори. Агрегирането на превозвачи комбинира множество канали или компонентни носители в голям канал за данни, за да постигне по-висока честотна лента и по-бързи скорости на предаване на данни в безжичните мрежи.

За да се справят с множество честотни ленти и агрегиране на носители, производителите на OEM се нуждаят от сложни RF модули отпред. Днешните RF модули от предния край ще интегрират два или повече мултимодови и многолентови усилватели на мощност, както и множество превключватели и филтри. "Това зависи от използваната RF архитектура. Броят на усилвателите на мощност се определя от адресируемите регионални честотни ленти на мобилния телефон." Qorvo Mobile Strategic Marketing Manager Abhiroop Dutta каза: „Използване на единствен SKU за справяне с мултирегионален / глобален клетъчен пазар Типичен мобилен телефон с„ пълен Netcom “има много широк обхват на честотната лента. крайния модул на този мобилен телефон, инженерният избор е да се използва RF предна част с подлентов модул, за да отговори на различните изисквания на високо, средно и нискочестотни ленти. "

За разлика от това, има друга ситуация, при която производителите на смартфони за смартфони могат да проектират специални телефони за специфични пазари. "Пример за това е мобилният телефон за континенталния китайски пазар. В този случай радиочестотният интерфейс на RF трябва да поддържа честотна лента, уникална за региона", каза Dutta.

Според Cavendish Kinetics на мобилните телефони LTE има две антени, основната антена и антената за разнообразие. По принцип основната антена се използва за предаване / приемане на функции, а антената за разнасяне се използва за увеличаване на скоростта на предаване на данни по мобилния телефон.

При действителната работа сигналът първо достига основната антена и след това се премества към тунера на антената, което позволява на системата да се настрои към всяка честотна лента. След това сигналът влиза в поредица от RF превключватели. „Той се преобразува в приложимата честотна лента, която искате да използвате, като GSM, 3G или 4G“, каза Вълк от GlobalFoundries. „Оттам нататък сигналът влиза във филтъра, след това в усилвателя на мощност и накрая в приемника.“

Имайки предвид тази сложност, производителите на мобилни телефони са изправени пред някои предизвикателства, а консумацията на енергия и размерът са от решаващо значение. "Поради тази сложност, сигналът ще претърпи повече загуби в предния край, което ще има отрицателно въздействие върху общата цифра на шума на вашия приемник", каза Вълк.

Очевидно RF превключвателят играе ключова роля за решаването на този проблем. Като цяло смартфонът може да съдържа повече от 10 RF устройства за превключване. Основният RF превключвател използва конфигурация с еднополюсно единично хвърляне (SPST). Това е прост превключвател за включване и изключване.

Днес производителите на OEM използват по-сложни типове превключватели. Ron * Coff е ключовият индикатор за RF превключвателите. Според Peregrine Semiconductor, "Ron * Coff отразява колко загуби (Ron или при съпротивление) RF сигналът възниква, когато превключвателят е в състояние" включено "и колко енергия RF сигналът изтича през кондензатора, когато превключвателят е в съотношение "изключено" (Coff или изключващ капацитет). "

Като цяло, това, което производителите на OEM се нуждаят, е RF превключвател без загуба на вмъкване и добра изолация. Загубата при вмъкване се отнася до загуба на мощност на сигнала. Ако RF превключвателят не постигне добра изолация, системата може да срещне смущения. „Като цяло, предизвикателството за RF интерфейсите е да подкрепят непрекъснато нарастващите изисквания за производителност и да бъдат в крак с променящите се стандарти и нарастващото покритие на честотната лента. Не само това, тъй като мобилните телефони стават по-тънки, размерът на пакета от RF решения също намалява. Dutta от Qorvo заяви, че ключови индикатори като загуба на вмъкване, мощност на антената и изолация все още са движещи сили за непрекъснатото развитие на RF продуктовите портфолио решения.

решение
Днес усилвателят на мощност на мобилните телефони използва главно технология на галиев арсенид (GaAs). Преди няколко години OEM производителите мигрираха производствени процеси като радиочестотни превключватели от GaAs и сапфир (SoS) към RF SOI. GaAs и SoS са варианти на SOI и тъй като RF комутаторите стават все по-сложни, тези два процеса стават твърде скъпи.

RF SOI се различава от напълно изчерпания SOI (FD-SOI) и е подходящ за цифрови приложения. Подобно на FD-SOI, RF SOI има много тънък изолационен слой в основата, който може да постигне високо напрежение на пробив и нисък ток на изтичане.

Питър Раббени, ръководител на GlobalFoundries RF Business Unit, каза: „Мобилният пазар продължава да бъде оптимист по отношение на RF SOI, тъй като може да осигури ниска загуба на вмъкване, ниски хармоници и висока линейност в широк честотен диапазон, постигайки добра производителност и ефективност на разходите. "

Днес компании като Qorvo, Peregrine и Skyworks предоставят RF комутатори, базирани на RF SOI. Обикновено производителите на RF превключватели използват леярни за производство на тези продукти. GlobalFoundries, STMicroelectronics, TowerJazz и UMC са лидери в леярския бизнес на RF SOI.

Следователно производителите на оригинално оборудване имат множество възможности за избор на доставчици на компоненти и леярски продукти. Обикновено леярните осигуряват RF SOI процеси, покриващи възли от 180nm до 45nm и различни размери на вафли.

Решението кой възел да се използва зависи от конкретното приложение. Ву Кун, вицепрезидент по бизнес управление на UMC, каза: "Що се отнася до спецификацията на RF SOI технологията, всичко е да се разгледат технически решения, подходящи за терминални приложения от гледна точка на техническите характеристики, разходите и консумацията на енергия."

Дори и с множество опции, производителите на RF превключватели са изправени пред някои предизвикателства. Самият RF превключвател съдържа полеви транзистор (FET). Подобно на повечето устройства, FET се влияят от нежеланото съпротивление на канала и капацитета.

В RF комутаторите FET се използват в стекове. Най-общо казано, 10 до 14 FET са подредени в днешните RF комутатори. Според експерти, тъй като броят на полевите транзистори се увеличава, устройствата могат да срещнат проблеми, свързани със загуба и устойчивост на вмъкване.

Друг проблем е капацитетът. Skyworks публикува през 2014 г. статия, озаглавена "Най-новите разработки и бъдещи тенденции на SOI технологията в RF приложенията", казва, "В RF комутаторите 30% или повече от нежелания капацитет идва от взаимовръзката в устройството. Връзката е метал слой или схема на микро-окабеляване, включително RF SOI-базирани комутатори.

Като цяло, в 4G мобилните телефони основният производствен процес за RF комутатори е 180nm и 130nm възли на 200mm вафли. Много (но не всички) взаимосвързани слоеве се основават на алуминий. Алуминиевите връзки се използват в индустрията на интегрални схеми от много години и са евтини, но имат и по-висок капацитет.

Следователно медта се използва в избрани слоеве в радиочестотни устройства. Медта е по-добър проводник и има по-малко съпротивление от алуминия. Ng каза: "Традиционният метален стек, използван в 130nm RF CMOS технологични продукти, включва рентабилни алуминиеви междусистемни слоеве и медни междинни слоеве с повишена производителност." Това е най-доброто решение за балансиране на разходите и производителността. RF SOI решенията обикновено съдържат определен брой алуминиеви метални слоеве и един или повече медни слоя.

Обикновено медта се използва като ултрадебел метален слой върху горния слой, за да се подобри работата на пасивното устройство. Той каза: "Най-добре е да се използва дебел горен метал като мед, който може да минимизира омичните загуби и да подобри производителността."

Наскоро производителите на радиочестотно оборудване са мигрирали от 200 мм вафли на 300 мм вафли, а техните технологични възли също са мигрирали от 130nm на 45nm. Обикновено 300-милиметровите фабрики използват само медни връзки.

Използвайки само медни връзки, производителите на RF превключватели могат да намалят капацитета. 300-милиметровите вафли обаче са увеличили производствените разходи, причинявайки някои противоречия на пазара. От една страна, чувствителните към разходите производители на мобилни телефони изискват RF комутатори, за да поддържат цените си ниски. От друга страна, производителите на радиоразпределителни уреди и леярни се надяват да запазят печалбите си.

"Днес много малко RF SOI устройства се произвеждат на 300 мм вафли", каза Нг. "Има много причини за тази ситуация, включително разходите / наличността на 300-милиметровия RF SOI субстрат и инфраструктурата за подпомагане на обработката след силиций. Очакваме обаче, че тези предизвикателства ще бъдат значителни през следващите няколко години. Горното е решен и след това повечето големи RF RF приложения ще мигрират към 300 мм вафли. "

Преди това индустрията може да се сблъска с проблем с предлагането и търсенето от 300 мм. "Ние вярваме, че преди повече производство да мигрира към 300 мм вафли, пазарът винаги ще се сблъска с предизвикателството на недостига. Колко бързо се пуска производственият капацитет и колко голямо е търсенето, ще се отрази в противоречието между търсенето и предлагането." Той каза.

Днешният RF SOI процес е подходящ за 4G мобилни телефони. GlobalFoundries се надява да се открои в 5G конкуренцията и наскоро стартира 45nm RF SOI процес за 5G приложения. Този процес използва SOI субстрат, обогатен с кладенци с висока устойчивост.
5G е надстройка на 4G мрежи. Днешният честотен обхват на LTE мрежата е между 700 MHz и 3.5 GHz. За разлика от тях, 5G не само ще съществува съвместно с LTE, но и ще работи в обхвата на милиметровите вълни между 30 GHz и 300 GHz. 5G ще увеличи скоростта на предаване на данни до повече от 10Gbps, което е 100 пъти повече от LTE. Но мащабното внедряване на 5G се очаква през 2020 г. и след това.

Във всеки случай 5G се нуждае от нов компонент. "(45nm RF SOI) е фокусиран главно върху предния край на 5G милиметрова вълна. Той интегрира PA, LNA, превключвател и превключвател на фази, за да създаде интегриран управляем сноп лъчи за милиметърни вълни за 5G системи." каза Рабени от GlobalFoundries.

Има и други решения за 5G и RF MEMS е едно от тях. В допълнение TowerJazz и Калифорнийският университет в Сан Диего наскоро демонстрираха 12Gbps 5G фазиран масив чипсет. Чипсетът използва технологията SiGe BiCMOS на TowerJazz.

Кой процес ще спечели? Отговорът ще ни покаже само времето. "Не е ясно дали RF MEMS има предимство в 5G приложенията", каза Тейлър от Strategy Analytics.

Какво е RF MEMS?
RF комутаторите, базирани на RF SOI, ще продължат да доминират, но новата технология RF MEMS може също да има определено жизнено пространство. "С течение на времето SOI постигна невероятен напредък. Съпротивлението спадна и линейността стана по-добра." каза Дал Санто от Cavendish Kinetics. "Но същността на SOI превключвателя е, че транзисторът се включва или изключва. Когато е включен, производителността не е много добра, а когато е изключена, не е много добра.

В продължение на много години технологията RF MEMS непрекъснато напредва. Днес Cavendish, Menlo Micro и WiSpry (AAC Technologies) разработват RF MEMS за мобилни приложения.

RF MEMS се различава от сензорно базирани MEMS като жироскопи и акселерометри. Сензорът MEMS преобразува механичната енергия в електрически сигнали. За разлика от тях, RF MEMS извършва само предаване на сигнал.

Първоначално компании като Cavendish прилагат RF MEMS технологията на пазара на антенни тунери, използвайки RF SOI и други процеси.

"Ако антената е фиксирана, не можем да я накараме да поддържа необходимите различни честотни ленти. Така че антената трябва да бъде коригирана", каза Дал Санто. "Сега основният метод е да превключвате, или да превключвате между различни фиксирани кондензатори, или да превключвате между различни фиксирани индуктори. Проблемът е, че антената е високо-Q устройство. Трябва да бъдете внимателни, в противен случай това ще доведе до загуба на радиационни характеристики. "

За разлика от това, тунерът на Cavendish има 32 различни диапазона на капацитета. "Те са напълно програмируеми и имат много добри висококачествени характеристики. Така че загубата на радиационни характеристики е много ниска. Можете да ги използвате, за да настроите антената към честотния диапазон, който трябва да поддържате." Той каза.

С поглед към бъдещето Cavendish планира да приеме RF SOI устройства в по-голямото поле за RF превключватели. Той каза: "Ако замените RF SOI с реален превключвател, това е превключвател MEMS и загубата на вмъкване на вашия приемник или предавател ще бъде намалена." Той каза.

Дали обаче RF MEMS устройствата ще заменят RF базирани на SOI устройства? По този въпрос TowerJazz може да предостави някои идеи. TowerJazz предоставя традиционна RF SOI технология и също така е леярски доставчик на RF MEMS устройствата на Cavendish.

"RF MEMS и RF SOI може да имат някои малки припокривания в конкурирането за едни и същи приложения. Най-общо казано, те се допълват. RF MEMS се използва за най-взискателните приложения, а RF SOI се използва за останалите приложения," TowerJazz каза Марко Раканели , старши вицепрезидент и главен мениджър на RF / високоефективна аналогова бизнес единица.
„Технологията RF SOI ще продължи да се развива и все още е достъпна за приложения за RF превключване и някои пазари на усилватели с ниско ниво на шум“, каза Раканели. "Въпреки това, в някои специални приложения, алтернативни технологии като SiGe за усилватели с ниско ниво на шум и MEMS за комутатори могат да осигурят по-добра линейност или по-ниски загуби. Накратко, RF SOI ще продължи да бъде разрастващ се пазар. Услугите и други технологии също ще се развиват . "
RF MEMS зае място на пазара на антенен тунер и дали може да разшири антените си до бизнеса с RF комутатори, предстои да се провери. „В бъдеще, в сравнение с вградения RF SOI, RF MEMS може да спомогне за увеличаване на скоростта на предаване на данни на мобилните телефони, като предоставя по-линейни и по-ниски превключватели на загуби. Той каза. "В RF MEMS металните пластини могат да бъдат директно свързани в състояние" включено ", за да образуват метална, линейна връзка с ниски загуби. По-високата линейност позволява повече честотни ленти и по-сложни модулационни схеми, като по този начин се увеличава скоростта на данни на телефона.