隨著無(wú)處不在的連接向汽車(chē)的擴(kuò)展，RF-SOI作為可選的工藝技術(shù)之一,，將繼續(xù)發(fā)揮重要作用,，以確保低成本高可靠性的連接。

　　“一切設(shè)備都將走向移動(dòng)和互聯(lián)”,，汽車(chē)作為最為常見(jiàn)的“移動(dòng)”設(shè)備,，也是如此，車(chē)聯(lián)網(wǎng)勾勒出了宏大的愿景,。

　　射頻前端作為所有通信設(shè)備的核心,，也在用于汽車(chē),。全世界100%的智能手機(jī)都離不開(kāi)的射頻絕緣體上硅 (RF-SOI) 襯底技術(shù)，已經(jīng)把汽車(chē)作為了下一個(gè)“戰(zhàn)場(chǎng)”,。

　　100%智能手機(jī)都用的半導(dǎo)體技術(shù)

　　成功在哪里,？

　　智能手機(jī)融合了多樣化的功能，包括無(wú)線(xiàn)電發(fā)射和接收,、數(shù)字處理,、存儲(chǔ)、音頻,、電池管理,、攝像和顯示等，通過(guò)前端模塊能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩電話(huà)和基站之間的射頻信號(hào)傳輸和接收,。

　　如今,，智能手機(jī)不僅要實(shí)現(xiàn)sub-6GHz、毫米波,、WiFi 2.4GHz/5&6GHz,、藍(lán)牙和UWB等無(wú)線(xiàn)協(xié)議的載波聚合（CA），而且5G,、WiFi 6(E),、藍(lán)牙5.3/BLE等無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)吞吐量極大提升，對(duì)能耗也提出了更高要求,。

　　從智能手機(jī)射頻前端的發(fā)展歷程來(lái)看,，其集成度和價(jià)值量幾乎在成倍增加。國(guó)金證券數(shù)據(jù)顯示,，從2G時(shí)代到5G的sub-6GHz,，價(jià)值量從0.7美金增至32美金。同時(shí),，從2G時(shí)代PA,，到3G時(shí)代的PA、濾波器及開(kāi)關(guān),，再到4G時(shí)代頻段的大幅增加,，濾波器、開(kāi)關(guān),、Tx/Rx濾波器（BAW）等大幅增加,，直至5G時(shí)代的頻段、濾波器,、開(kāi)關(guān),、Tx/Rx濾波器（BAW）等在4G基礎(chǔ)上成倍增加。

　　智能手機(jī)中的前端模塊：以超高頻率搭載數(shù)據(jù)

　　一個(gè)演變多年的技術(shù)趨勢(shì)是，每次通信時(shí)代更迭都對(duì)前端模塊的設(shè)備數(shù)量與性能提出更高的要求,。手機(jī)射頻前端的芯片材料技術(shù),，已經(jīng)由早前的體硅襯底轉(zhuǎn)向SOI（絕緣體上硅)，該襯底由薄的硅器件層,、處理襯底,，以及使器件層與處理襯底物理分隔并電隔離的薄掩埋氧化物(box)層構(gòu)成。

　　回溯智能手機(jī)對(duì)高性能射頻的需求演變,，約在2010年左右,，RF-SOI初步用于開(kāi)關(guān)和一些射頻前端控制器件中。

　　到了2016年,，當(dāng)時(shí)已經(jīng)演進(jìn)到了LTE,、4G共存，出現(xiàn)了更多復(fù)雜的模塊,、天線(xiàn)調(diào)諧器等,，對(duì)于高性能開(kāi)關(guān)的需求更加強(qiáng)烈。RF-SOI隨之被應(yīng)用到越來(lái)越多的天線(xiàn)調(diào)諧器和開(kāi)關(guān)中,，特別是射頻前端開(kāi)關(guān),、射頻前端控制等器件。

　　從2018年到現(xiàn)在,，伴隨著5G的推進(jìn)，手機(jī)需要更復(fù)雜的模塊和更高的集成度,。由于5G使用不同的高頻頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,，因此5G RF前端模塊所需的功率放大器、濾波器,、開(kāi)關(guān),、LNA和天線(xiàn)調(diào)諧器的需求量倍增。

　　對(duì)射頻前端來(lái)說(shuō),，一個(gè)顯而易見(jiàn)的趨勢(shì)是集成化與模塊化,。為了將不同材料、不同工藝的器件集成在一起,，優(yōu)化襯底和對(duì)應(yīng)的模塊,、測(cè)試封裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)兼容變得至關(guān)重要。

　　RF-SOI技術(shù)在保證有效和高效的頻譜利用方面起著至關(guān)重要的作用,，它可以使5G和其他共存無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之間的互擾降到最低,，最大程度地減少非線(xiàn)性干擾，如信號(hào)諧波的產(chǎn)生,，保證射頻前端的正常工作,。

　　由于RF-SOI能夠以更優(yōu)的性?xún)r(jià)比實(shí)現(xiàn)更高的線(xiàn)性度和更低的插入損耗，可以帶來(lái)更快的數(shù)據(jù)速度,、更長(zhǎng)的電池壽命和頻率更穩(wěn)定,、流暢的通信質(zhì)量,。得益于RF-SOI技術(shù)的存在，不但使開(kāi)關(guān),、PA,、LNA、移相器,、可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）被完全集成在一起,，還同時(shí)具有控制、偏置,、內(nèi)存和電源結(jié)合功能,。

　　如今，接近100%的射頻開(kāi)關(guān)基于RF-SOI或FD-SOI技術(shù)而開(kāi)發(fā),；超過(guò)80%的集成低噪聲放大器基于RF-SOI開(kāi)發(fā),，接近100%的天線(xiàn)調(diào)諧器都用到了SOI技術(shù)。

　　RF-SOI能否在汽車(chē)市場(chǎng)延續(xù)成功,？

　　不斷演進(jìn)的射頻前端技術(shù)已然支撐了移動(dòng)通信的發(fā)展浪潮,。下一步，面向汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)通信需求,、保障汽車(chē)的智慧連接,，射頻前端核心技術(shù)又將發(fā)生哪些顛覆？

　　網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)需要依賴(lài)多個(gè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)：連接到云進(jìn)行遠(yuǎn)程信息處理(Telematics) ,，需要通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星4G LTE,、5G、Wi-Fi等標(biāo)準(zhǔn),；連接到駕駛員/乘客實(shí)現(xiàn)信息娛樂(lè)(Infotainment)功能,，需要通過(guò) Wi-Fi、Bluetooth等標(biāo)準(zhǔn),；連接到環(huán)境,，實(shí)現(xiàn)車(chē)聯(lián)萬(wàn)物(Vehicle to Everything, V2X)，需要通過(guò)專(zhuān)用短程通信 (DSRC),、蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng) (C-V2X),、超寬帶 (UWB) 等標(biāo)準(zhǔn)。

　　就硬件方面而言,，全車(chē)無(wú)線(xiàn)連接需要多個(gè)天線(xiàn)與射頻前端 (RFFE),。乘用車(chē)的天線(xiàn)常位于車(chē)頂，稱(chēng)為鯊魚(yú)鰭天線(xiàn),。但隨著汽車(chē)美學(xué)的發(fā)展,，集成在車(chē)身面板中的共形天線(xiàn)也越來(lái)越常見(jiàn)。但無(wú)論如何，天線(xiàn)都位于車(chē)輛表面附近,，以避免汽車(chē)金屬車(chē)身產(chǎn)生的法拉第靜電屏蔽效應(yīng),。此外，為了盡量減少可能損害發(fā)送/接收信息完整性的損耗和干擾,，OEM大都選擇將射頻前端放置在盡可能靠近天線(xiàn)的位置,。

　　與所有無(wú)線(xiàn)設(shè)備一樣，網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)依賴(lài)多個(gè)射頻IC和射頻模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)線(xiàn)連接,。大多數(shù)此類(lèi)元件都包含在一個(gè)“盒子”中,，通常稱(chēng)為遠(yuǎn)程信息處理盒(T-BOX)，也稱(chēng)為遠(yuǎn)程信息處理控制單元(TCU),。根據(jù)《面向智能化和可持續(xù)移動(dòng)性的 RF-SOI 優(yōu)化襯底》白皮書(shū),，TCU 中包含了用于傳感、定位以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、處理與傳輸?shù)墓δ苣K,。在這些模塊中，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備(NAD)中又包含了確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)(4G LTE 或 5G)通信可靠與穩(wěn)健所需的所有電路,，射頻前端即涵蓋其中,。

　　Soitec移動(dòng)通信部門(mén)高級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Luis Andia認(rèn)為，汽車(chē)RFFE的設(shè)計(jì)正變得更加定制化,，需要從一開(kāi)始就考慮到汽車(chē)場(chǎng)景中相關(guān)的設(shè)計(jì)限制,。

　　一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景比如緊急呼叫，發(fā)生事故時(shí)向應(yīng)急響應(yīng)團(tuán)隊(duì)(救護(hù)車(chē),、消防員等)提供關(guān)鍵信息的系統(tǒng),，是汽車(chē)無(wú)線(xiàn)應(yīng)急系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。

　　發(fā)生事故時(shí),，無(wú)論車(chē)輛處于何種狀態(tài)，若要確保需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠找到通向工作TCU 天線(xiàn)的路徑,，并聯(lián)系到應(yīng)急響應(yīng)小組,，并不是一件容易的事，它要求射頻開(kāi)關(guān)異常穩(wěn)健,。應(yīng)急呼叫射頻開(kāi)關(guān)應(yīng)必須能夠在兼容蜂窩網(wǎng)絡(luò)的功率(達(dá)幾百毫瓦)下進(jìn)行熱切換,，并符合 ASIL A 標(biāo)準(zhǔn)?！笆褂肦F-SOI帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)之一,，是發(fā)生緊急事件時(shí)，你可以快速建立一個(gè)通信路徑,，進(jìn)行緊急服務(wù)溝通,，RF-SOI能夠提供汽車(chē)所需的熱切換和可靠性”， Luis Andia表示。

　　除了通信之外,，用于汽車(chē)?yán)走_(dá)和其他駕駛輔助系統(tǒng)中的還有FD-SOI,。這項(xiàng)技術(shù)可以與RF-SOI互為補(bǔ)充。在解決5G不同頻段共存的問(wèn)題上,，它們可以為射頻設(shè)計(jì)提供更多的靈活性,。

　　據(jù)了解，F(xiàn)D-SOI目前主要用于40nm和20nm左右的光刻平臺(tái),。業(yè)界正在尋求在20nm,、18nm、12nm等以下光刻技術(shù)平臺(tái)中使用FD-SOI,，格芯和意法半導(dǎo)體在法國(guó)合建了新的晶圓廠(chǎng),，致力于提升FD-SOI的產(chǎn)能。

　　應(yīng)對(duì)汽車(chē)射頻前端模塊化挑戰(zhàn)

　　汽車(chē)內(nèi)部的通信系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,，射頻前端模塊化成為一大趨勢(shì),。對(duì)于汽車(chē)來(lái)說(shuō)，模塊化的主要挑戰(zhàn)是什么,？

　　Luis Andia認(rèn)為,，汽車(chē)射頻前端模塊化主要面臨兩大挑戰(zhàn)。首先是溫度管理（thermal management）,。由于模塊密度相對(duì)較高,，并且裸片位置非常接近，例如,，當(dāng)功率放大器溫度升高時(shí),，并不希望這種溫升對(duì)相鄰裸片的性能產(chǎn)生降級(jí)影響（對(duì)于低噪聲放大器而言，它的噪聲系數(shù)可能會(huì)由于溫度變化上升）,，所以溫度管理是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn),，Soitec也在著力解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)應(yīng)用一些能量密度相對(duì)較高的材料,，如RF-GaN幫助更有效地管理功率,，從而最大限度地減少溫升。此外,，也在為RF-SOI襯底開(kāi)發(fā)新功能,，以幫助保證高溫下的高線(xiàn)性度環(huán)境。

　　另一大挑戰(zhàn)則是干擾,，例如相鄰碼片信號(hào)之間的串?dāng)_,。干擾可能出現(xiàn)在射頻前端無(wú)源器件(傳輸線(xiàn)、電感等)或有源電路(晶體管,、二極管等)的任一點(diǎn),。而采用富陷阱的 RF-SOI 優(yōu)化襯底來(lái)構(gòu)建大部分的射頻前端電路,，無(wú)論干擾發(fā)生在何處，都將被最小化,。

　　通過(guò)富陷阱層,，能夠捕捉氧化埋層以及高電阻操作層中游離的寄生電荷（parasitic charge），從而保證襯底達(dá)到非常高的電阻率,，實(shí)現(xiàn)較高的線(xiàn)性度,。這不僅僅是為晶體管，也為其他無(wú)源器件提供了高線(xiàn)性度,。

　　Luis Andia指出,，高線(xiàn)性度能夠幫助實(shí)現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)和蜂窩系統(tǒng)的共存，減少相鄰頻段的干擾,。不管是數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào),，即使是非常復(fù)雜的5G毫米波射頻前端，通過(guò)富陷阱層都能夠?qū)崿F(xiàn)較好的隔離,，從而防止信號(hào)串?dāng)_,。

　　而RF-SOI之所以能夠獲得廣大市場(chǎng)，也正是因?yàn)樗軌虮ＷC非常高的信號(hào)線(xiàn)性度和信號(hào)完整性,。對(duì)SOI+低電阻率晶圓,、SOI+高電阻率晶圓、RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓這三類(lèi)材料進(jìn)行比較,，可以發(fā)現(xiàn)RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓的信號(hào)失真度（distortion）最低,、線(xiàn)性度最高。

　　此外,，隨著系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,，一項(xiàng)技術(shù)并不能解決所有問(wèn)題，需要多項(xiàng)技術(shù)互為補(bǔ)充,。例如RF-SOI,、FD-SOI、RFeSI,，同時(shí)還有用于濾波器的POI,、用于大功率的RF-GaN優(yōu)化襯底等共同應(yīng)用，來(lái)最大限度地減少相鄰系統(tǒng)之間的干擾,。

　　模塊化已經(jīng)成為車(chē)身網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素,，它所提供的靈活性可滿(mǎn)足不同區(qū)域市場(chǎng)的需求,，而將發(fā)射,、接收和濾波功能集成在多個(gè)模塊中的射頻前端組件更具優(yōu)勢(shì)，它們可以快速更換,，以適應(yīng)車(chē)輛所在的銷(xiāo)售區(qū)域,，并滿(mǎn)足區(qū)域法規(guī)和當(dāng)?shù)赜脩?hù)的偏好,。

　　寫(xiě)在最后

　　現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)于連接性的需求和依賴(lài)程度與日俱增。目前的遠(yuǎn)程通信不僅要使用蜂窩網(wǎng)絡(luò),，也非常依賴(lài)V2X的連接,，還要使用專(zhuān)屬的近距離通信系統(tǒng)，包括Wi-Fi,、藍(lán)牙等,。

　　經(jīng)過(guò)大規(guī)模制造驗(yàn)證的RF-SOI襯底技術(shù)，促進(jìn)了智能手機(jī)的普及,。隨著無(wú)處不在的連接向汽車(chē)的擴(kuò)展,，RF-SOI作為可選的工藝技術(shù)之一，將繼續(xù)發(fā)揮重要作用,，以確保低成本高可靠性的連接,。

　　正如Luis Andia對(duì)汽車(chē)汽車(chē)市場(chǎng)應(yīng)用前景的預(yù)測(cè)，幾種不同的射頻系統(tǒng)需要在內(nèi)部共存,，并且不能對(duì)彼此干擾,，隨著汽車(chē)連接需求的顯著增加，汽車(chē)行業(yè)在輔助駕駛和信息娛樂(lè)等系統(tǒng)方面具有巨大的增長(zhǎng)潛力,。

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