隨著無處不在的連接向汽車的擴展，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。

　　“一切設備都將走向移動和互聯(lián)”，汽車作為最為常見的“移動”設備，也是如此，車聯(lián)網(wǎng)勾勒出了宏大的愿景。

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

　　100%智能手機都用的半導體技術(shù)

　　成功在哪里？

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

　　如今，智能手機不僅要實現(xiàn)sub-6GHz、毫米波、WiFi 2.4GHz/5&6GHz、藍牙和UWB等無線協(xié)議的載波聚合（CA），而且5G、WiFi 6(E)、藍牙5.3/BLE等無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)吞吐量極大提升，對能耗也提出了更高要求。

　　從智能手機射頻前端的發(fā)展歷程來看，其集成度和價值量幾乎在成倍增加。國金證券數(shù)據(jù)顯示，從2G時代到5G的sub-6GHz，價值量從0.7美金增至32美金。同時，從2G時代PA，到3G時代的PA、濾波器及開關(guān)，再到4G時代頻段的大幅增加，濾波器、開關(guān)、Tx/Rx濾波器（BAW）等大幅增加，直至5G時代的頻段、濾波器、開關(guān)、Tx/Rx濾波器（BAW）等在4G基礎上成倍增加。

　　智能手機中的前端模塊：以超高頻率搭載數(shù)據(jù)

　　一個演變多年的技術(shù)趨勢是，每次通信時代更迭都對前端模塊的設備數(shù)量與性能提出更高的要求。手機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。

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

　　到了2016年，當時已經(jīng)演進到了LTE、4G共存，出現(xiàn)了更多復雜的模塊、天線調(diào)諧器等，對于高性能開關(guān)的需求更加強烈。RF-SOI隨之被應用到越來越多的天線調(diào)諧器和開關(guān)中，特別是射頻前端開關(guān)、射頻前端控制等器件。

　　從2018年到現(xiàn)在，伴隨著5G的推進，手機需要更復雜的模塊和更高的集成度。由于5G使用不同的高頻頻段來實現(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、開關(guān)、LNA和天線調(diào)諧器的需求量倍增。

　　對射頻前端來說，一個顯而易見的趨勢是集成化與模塊化。為了將不同材料、不同工藝的器件集成在一起，優(yōu)化襯底和對應的模塊、測試封裝技術(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和其他共存無線標準之間的互擾降到最低，最大程度地減少非線性干擾，如信號諧波的產(chǎn)生，保證射頻前端的正常工作。

　　由于RF-SOI能夠以更優(yōu)的性價比實現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗，可以帶來更快的數(shù)據(jù)速度、更長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，不但使開關(guān)、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(nèi)存和電源結(jié)合功能。

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

　　RF-SOI能否在汽車市場延續(xù)成功？

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

　　網(wǎng)聯(lián)汽車需要依賴多個系統(tǒng)和網(wǎng)絡：連接到云進行遠程信息處理(Telematics) ，需要通過蜂窩網(wǎng)絡和衛(wèi)星4G LTE、5G、Wi-Fi等標準；連接到駕駛員/乘客實現(xiàn)信息娛樂(Infotainment)功能，需要通過 Wi-Fi、Bluetooth等標準；連接到環(huán)境，實現(xiàn)車聯(lián)萬物(Vehicle to Everything, V2X)，需要通過專用短程通信 (DSRC)、蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X)、超寬帶 (UWB) 等標準。

　　就硬件方面而言，全車無線連接需要多個天線與射頻前端 (RFFE)。乘用車的天線常位于車頂，稱為鯊魚鰭天線。但隨著汽車美學的發(fā)展，集成在車身面板中的共形天線也越來越常見。但無論如何，天線都位于車輛表面附近，以避免汽車金屬車身產(chǎn)生的法拉第靜電屏蔽效應。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的位置。

　　與所有無線設備一樣，網(wǎng)聯(lián)汽車依賴多個射頻IC和射頻模塊來實現(xiàn)可靠的無線連接。大多數(shù)此類元件都包含在一個“盒子”中，通常稱為遠程信息處理盒(T-BOX)，也稱為遠程信息處理控制單元(TCU)。根據(jù)《面向智能化和可持續(xù)移動性的 RF-SOI 優(yōu)化襯底》白皮書，TCU 中包含了用于傳感、定位以及數(shù)據(jù)存儲、處理與傳輸?shù)墓δ苣K。在這些模塊中，網(wǎng)絡接入設備(NAD)中又包含了確保蜂窩網(wǎng)絡(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移動通信部門高級業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Luis Andia認為，汽車RFFE的設計正變得更加定制化，需要從一開始就考慮到汽車場景中相關(guān)的設計限制。

　　一個典型的應用場景比如緊急呼叫，發(fā)生事故時向應急響應團隊(救護車、消防員等)提供關(guān)鍵信息的系統(tǒng)，是汽車無線應急系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。

　　發(fā)生事故時，無論車輛處于何種狀態(tài)，若要確保需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠找到通向工作TCU 天線的路徑，并聯(lián)系到應急響應小組，并不是一件容易的事，它要求射頻開關(guān)異常穩(wěn)健。應急呼叫射頻開關(guān)應必須能夠在兼容蜂窩網(wǎng)絡的功率(達幾百毫瓦)下進行熱切換，并符合 ASIL A 標準。“使用RF-SOI帶來的優(yōu)勢之一，是發(fā)生緊急事件時，你可以快速建立一個通信路徑，進行緊急服務溝通，RF-SOI能夠提供汽車所需的熱切換和可靠性”， Luis Andia表示。

　　除了通信之外，用于汽車雷達和其他駕駛輔助系統(tǒng)中的還有FD-SOI。這項技術(shù)可以與RF-SOI互為補充。在解決5G不同頻段共存的問題上，它們可以為射頻設計提供更多的靈活性。

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

　　應對汽車射頻前端模塊化挑戰(zhàn)

　　汽車內(nèi)部的通信系統(tǒng)越來越復雜，射頻前端模塊化成為一大趨勢。對于汽車來說，模塊化的主要挑戰(zhàn)是什么？

　　Luis Andia認為，汽車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）。由于模塊密度相對較高，并且裸片位置非常接近，例如，當功率放大器溫度升高時，并不希望這種溫升對相鄰裸片的性能產(chǎn)生降級影響（對于低噪聲放大器而言，它的噪聲系數(shù)可能會由于溫度變化上升），所以溫度管理是一個非常大的挑戰(zhàn)，Soitec也在著力解決這個問題。通過應用一些能量密度相對較高的材料，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襯底開發(fā)新功能，以幫助保證高溫下的高線性度環(huán)境。

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

　　通過富陷阱層，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），從而保證襯底達到非常高的電阻率，實現(xiàn)較高的線性度。這不僅僅是為晶體管，也為其他無源器件提供了高線性度。

　　Luis Andia指出，高線性度能夠幫助實現(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)字信號還是模擬信號，即使是非常復雜的5G毫米波射頻前端，通過富陷阱層都能夠?qū)崿F(xiàn)較好的隔離，從而防止信號串擾。

　　而RF-SOI之所以能夠獲得廣大市場，也正是因為它能夠保證非常高的信號線性度和信號完整性。對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材料進行比較，可以發(fā)現(xiàn)RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓的信號失真度（distortion）最低、線性度最高。

　　此外，隨著系統(tǒng)越來越復雜，一項技術(shù)并不能解決所有問題，需要多項技術(shù)互為補充。例如RF-SOI、FD-SOI、RFeSI，同時還有用于濾波器的POI、用于大功率的RF-GaN優(yōu)化襯底等共同應用，來最大限度地減少相鄰系統(tǒng)之間的干擾。

　　模塊化已經(jīng)成為車身網(wǎng)絡接入設備的關(guān)鍵設計要素，它所提供的靈活性可滿足不同區(qū)域市場的需求，而將發(fā)射、接收和濾波功能集成在多個模塊中的射頻前端組件更具優(yōu)勢，它們可以快速更換，以適應車輛所在的銷售區(qū)域，并滿足區(qū)域法規(guī)和當?shù)赜脩舻钠谩?/p>

　　寫在最后

　　現(xiàn)代汽車對于連接性的需求和依賴程度與日俱增。目前的遠程通信不僅要使用蜂窩網(wǎng)絡，也非常依賴V2X的連接，還要使用專屬的近距離通信系統(tǒng)，包括Wi-Fi、藍牙等。

　　經(jīng)過大規(guī)模制造驗證的RF-SOI襯底技術(shù)，促進了智能手機的普及。隨著無處不在的連接向汽車的擴展，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對汽車汽車市場應用前景的預測，幾種不同的射頻系統(tǒng)需要在內(nèi)部共存，并且不能對彼此干擾，隨著汽車連接需求的顯著增加，汽車行業(yè)在輔助駕駛和信息娛樂等系統(tǒng)方面具有巨大的增長潛力。

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