RF MEMS และ RF SOI คืออะไร? ใครคือเจ้าเหนือหัวของเทคโนโลยีคลื่นความถี่วิทยุในอนาคต?
RF MEMS คืออะไร?
สิ่งที่เรียกว่า RF MEMS คือผลิตภัณฑ์ RF ที่ประมวลผลด้วยเทคโนโลยี MEMS เทคโนโลยี RF-MEMS คาดว่าจะสามารถผสานรวมกับ MMIC ได้ในระดับสูงทำให้สามารถสร้างชิปรวมระบบ (SOC) ที่รวมการรับข้อมูลการประมวลผลการส่งการประมวลผลและการดำเนินการ ตามแนวคิดของเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ไม่เพียง แต่สามารถผลิตในระดับเวเฟอร์และการผลิตจำนวนมากเท่านั้น แต่ยังมีข้อดีของราคาที่ต่ำขนาดเล็กน้ำหนักเบาและความน่าเชื่อถือสูง อุปกรณ์ RF MEMS สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ๆ คือประเภทหนึ่งเรียกว่า passive MEMS และโครงสร้างของมันไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว อีกอันเรียกว่า Active MEMS ซึ่งมีโครงสร้างที่เคลื่อนย้ายได้ ภายใต้การกระทำของความเค้นไฟฟ้าชิ้นส่วนที่เคลื่อนย้ายได้จะผิดรูปหรือเคลื่อนย้าย เทคโนโลยีการประมวลผลที่สำคัญแบ่งออกเป็นสี่ประเภท ได้แก่ เทคโนโลยีการประมวลผลแบบระนาบเทคโนโลยีการกัดกร่อนของซิลิกอนจำนวนมากเทคโนโลยีการเชื่อมแบบโซลิดเฟสและเทคโนโลยี LIGA
ระบบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ความถี่วิทยุ (RF MEMS) เป็นหนึ่งในพื้นที่การใช้งานที่สำคัญของเทคโนโลยี MEMS และยังเป็นฮอตสปอตการวิจัยในสาขา MEMS ตั้งแต่ปี 1990 RFMEMS ใช้สำหรับการประมวลผลสัญญาณในวงจรความถี่วิทยุและความถี่ไมโครเวฟและเป็นเทคโนโลยีที่จะมีผลกระทบอย่างมากต่อโครงสร้างความถี่วิทยุของเรดาร์และการสื่อสารที่มีอยู่ ด้วยการถือกำเนิดของยุคข้อมูลในด้านการสื่อสารไร้สายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการสื่อสารเคลื่อนที่และการสื่อสารผ่านดาวเทียมมีความจำเป็นเร่งด่วนสำหรับอุปกรณ์ใหม่ที่ใช้พลังงานต่ำการย่อขนาดเล็กพิเศษและโครงสร้างระนาบที่สามารถรวมเข้ากับ วงจรประมวลผลสัญญาณ ครอบคลุมย่านความถี่กว้างรวมทั้งไมโครเวฟคลื่นมิลลิเมตรและคลื่นซับมิลมิเตอร์ อย่างไรก็ตามยังมีส่วนประกอบแยกชิปที่ขาดไม่ได้จำนวนมากในระบบการสื่อสารปัจจุบันเช่นตัวเหนี่ยวนำตัวเก็บประจุแบบแปรผันฟิลเตอร์ตัวต่อตัวเปลี่ยนเฟสอาร์เรย์สวิตช์ ฯลฯ ซึ่งกลายเป็นคอขวดที่ จำกัด การลดลงอีก ขนาดระบบ การเกิดขึ้นของเทคโนโลยี RF MEMS คาดว่าจะแก้ปัญหานี้ได้ อุปกรณ์แบบพาสซีฟที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยี RF MEMS สามารถรวมโดยตรงกับวงจรที่ใช้งานอยู่ในชิปเดียวกันเพื่อให้เกิดการรวมระบบความถี่วิทยุบนชิปสูงกำจัดการสูญเสียปรสิตที่เกิดจากส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่องและบรรลุการเชื่อมต่อที่สูงอย่างแท้จริงและการเชื่อมต่อที่ต่ำสามารถปรับปรุงได้อย่างมาก ประสิทธิภาพของระบบ
ข้อดีของ RF SOI ผ่าน RF MEMS คืออะไร?
ประการแรกกระบวนการ RF SOI สามารถทำงานที่ความถี่สูงมาก Ft / Fmax ตรงตามข้อกำหนด 3 ถึง 5 เท่าของความถี่ในการทำงานของคลื่นมิลลิเมตร RF SOI สามารถวางซ้อนอุปกรณ์ได้ซึ่งจะช่วยปรับปรุงอัตราส่วนพลังงานและประสิทธิภาพการใช้พลังงานในเวลาเดียวกัน ประการที่สาม RF SOI สารตั้งต้นที่ใช้ในกระบวนการนี้จะช่วยลดผลกระทบของกาฝากเพื่อให้ชิป RF ที่ผลิตขึ้นมีปัจจัยด้านคุณภาพที่สูงขึ้นการสูญเสียที่ลดลงและตัวเลขสัญญาณรบกวนที่ดีขึ้น ในขณะเดียวกันสารตั้งต้นนี้ยังช่วยเพิ่มระดับฉนวนและความเป็นเชิงเส้นของผลิตภัณฑ์ ประการที่สี่ RF SOI สามารถรวมฟังก์ชันลอจิกและการควบคุมซึ่งเทคโนโลยี GaAs ไม่สามารถทำได้ ดังนั้นอุปกรณ์ GaAs จึงจำเป็นต้องติดตั้งชิปควบคุมในแอปพลิเคชัน การใช้เทคโนโลยี RF SOI PA และฟังก์ชันการควบคุมสามารถรวมเข้ากับชิปได้ ในขณะที่ลดต้นทุนยังช่วยประหยัดพื้นที่ PCB อันมีค่า สุดท้าย RF-SOI มีฟังก์ชันอคติประตูหลังซึ่งสามารถใช้เพื่อปรับแต่งวงจรความถี่วิทยุคลื่นมิลลิเมตรให้ตรงตามความต้องการในการใช้งาน
หลังจากตรวจสอบประวัติการพัฒนาของอุตสาหกรรมสมาร์ทโฟนของจีนแล้ว Wang Qingyu ผู้จัดการทั่วไปของ Simao Technology ได้ชี้ให้เห็นว่าด้วยจำนวนสมาร์ทโฟนที่เพิ่มขึ้นความต้องการ RF-SOI ก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เกิดโอกาสที่หายากสำหรับจีน เพื่อพัฒนา RF-SOI โอกาส แต่ก็มีความท้าทายมากมายเช่นกัน
เทคโนโลยีใดในสองตัวนี้เหมาะกับอนาคตมากกว่ากัน?
ตลาดอุปกรณ์ RF และกระบวนการผลิตกำลังร้อนแรงขึ้นและแนวโน้มนี้จะเห็นได้ชัดโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับองค์ประกอบหลักสองอย่างที่ใช้ในอุปกรณ์สวิตชิ่ง RF สมาร์ทโฟนและเครื่องรับเสาอากาศ ผู้ผลิตอุปกรณ์ RF และพันธมิตรโรงหล่อของพวกเขายังคงแนะนำชิปสวิตช์ RF และจูนเนอร์แบบเดิมโดยใช้เทคโนโลยีกระบวนการ RF SOI สำหรับเครือข่ายไร้สาย 4G ในปัจจุบัน เมื่อเร็ว ๆ นี้ GlobalFoundries ได้เปิดตัวกระบวนการ RF SOI 45 นาโนเมตรสำหรับเครือข่าย 5G ในอนาคต RF SOI เป็นเทคโนโลยีซิลิกอนบนฉนวน (SOI) รุ่น RF ซึ่งใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติความต้านทานสูงของพื้นผิวแยกในตัว
เพื่อที่จะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างตลาด Cavendish KineTIcs บริษัท ออกแบบ fabless IC ได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์ RF และเครื่องรับสัญญาณเสาอากาศรุ่นใหม่โดยใช้กระบวนการทางเลือก RF MEMS
สวิตช์ RF และจูนเนอร์เป็นส่วนประกอบหลักสองส่วนในโมดูล RF front-end ของโทรศัพท์มือถือ RF front-end รวมฟังก์ชันการส่ง / รับของระบบ สวิตช์ RF จะกำหนดเส้นทางสัญญาณไร้สายและเครื่องรับสัญญาณจะช่วยปรับเสาอากาศให้เป็นย่านความถี่ใดก็ได้
แม้ว่าจะไม่ได้คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของอุปกรณ์ RF และประเภทของกระบวนการ แต่ความท้าทายของตลาด RF ในปัจจุบันก็น่ากลัวอยู่พอสมควร Paul Dal Santo ประธานและซีอีโอของ Cavendish KineTIcs กล่าวว่า“ ไม่กี่ปีที่ผ่านมา RF เป็นการออกแบบที่ค่อนข้างเรียบง่าย แต่ตอนนี้สิ่งต่างๆได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ขั้นแรก RF front-end ของคุณต้องรองรับช่วงกว้างมากแถบความถี่ขยายจาก 600MHz ถึง 3GHz ด้วยการถือกำเนิดของเทคโนโลยี 5G ที่ก้าวหน้ายิ่งขึ้นย่านความถี่จะขยายออกไปอีกเป็น 5GHz ถึง 60GHz สิ่งนี้นำความท้าทายที่เหลือเชื่อมาสู่นักออกแบบ RF ส่วนหน้า "
ผู้ผลิตโทรศัพท์มือถือต้องเผชิญกับความท้าทายนี้ทำการแลกเปลี่ยนและพิจารณาเลือกส่วนประกอบใหม่ ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสวิตช์ RF และตัวรับสัญญาณเสาอากาศสามารถนำมาประกอบกับอุปกรณ์เทคโนโลยีสองเครื่องโดยใช้กระบวนการ RF SOI และกระบวนการ RF MEMS
RF SOI เป็นกระบวนการผลิตที่ให้บริการอยู่ในปัจจุบัน อุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยี RF SOI สามารถตอบสนองความต้องการในปัจจุบันได้ แต่เริ่มพบปัญหาทางเทคนิคบางประการ นอกจากนี้ยังคงมีแรงกดดันด้านราคาในตลาด เมื่ออุปกรณ์โยกย้ายจากเวเฟอร์ 200 มม. เป็น 300 มม. ก็จะทำให้เกิดปัญหาเช่นกัน
ในทางตรงกันข้าม RF MEMS มีลักษณะที่น่าสนใจและมีความก้าวหน้าในบางพื้นที่ ในความเป็นจริง Cavendish KineTIcs กล่าวว่าเครื่องรับเสาอากาศ MEMS ที่ใช้กระบวนการ RF MEMS กำลังถูกใช้โดย Samsung และ OEM รายอื่น
Chris Taylor นักวิเคราะห์จาก Strategy AnalyTIcs กล่าวว่า "RF MEMS สามารถให้ความต้านทานต่อการต้านทานต่ำมากซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียการแทรกอย่างไรก็ตาม RF MEMS ไม่มีประวัติการผลิตและ OEM ระบบไร้สายปริมาณสูงจะไม่ให้ความสำคัญกับสิ่งใหม่ เทคโนโลยีและซัพพลายเออร์รายย่อยจ่ายแน่นอนเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ RF SOI ราคาของ RF MEMS ต้องแข่งขันได้เพียงพอ แต่ยังมีอุปสรรคสำคัญอีกประการหนึ่งที่ OEM ต้องตรวจสอบความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์และต้องการแหล่งจัดหาที่เชื่อถือได้ "
ส่วนหน้า RF
สมาร์ทโฟนเป็นตลาดขนาดใหญ่ที่ผสมผสานสวิตช์ RF เครื่องรับเสาอากาศและส่วนประกอบอื่น ๆ ในสภาพแวดล้อมทางธุรกิจ ข้อมูลน่าดู จากข้อมูลของ Pacific Crest Securities ในปี 2017 คาดว่าการจัดส่งสมาร์ทโฟนทั่วโลกจะเติบโตขึ้น 1% ในปี 2016 อัตราการเติบโตของสมาร์ทโฟนต่อปีอยู่ที่ 1.3% เท่านั้น
ในทางกลับกันตามข้อมูลของ Yole Développementขนาดตลาดของโมดูล / ส่วนประกอบ RF ส่วนหน้าสำหรับสมาร์ทโฟนคาดว่าจะเพิ่มขึ้นจาก 10.1 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2016 เป็น 22.7 ล้านเหรียญสหรัฐในปี 2022 ตามการวิเคราะห์กลยุทธ์ในปี 2016 ตลาดสวิตช์ RF มีมูลค่า 1.7 พันล้านเหรียญสหรัฐ
เนื่องจาก OEM ยังคงเพิ่มส่วนประกอบ RF ให้กับสมาร์ทโฟนมากขึ้นตลาด RF จึงเติบโตขึ้น "LTE หลายแบนด์กำลังเป็นที่นิยมสำหรับอุปกรณ์ระดับล่างเช่นกัน" Taylor จาก Strategy Analytics กล่าว "ตลาดส่วนประกอบสวิตช์ RF กำลังเติบโต"
ในกระบวนการของเครือข่ายโทรศัพท์มือถือที่เปลี่ยนไปใช้ 4G หรือ Long Term Evolution (LTE) จำนวนอุปกรณ์เปลี่ยน RF สำหรับโทรศัพท์มือถือแต่ละเครื่องได้เพิ่มขึ้น "หน่วยการจัดส่งที่เรากำลังพูดถึงมีขนาดใหญ่มาก" เทย์เลอร์กล่าว "ปัจจุบันอุปกรณ์สวิตช์ RF ส่วนใหญ่ (ไม่ใช่ทั้งหมด) ใช้ในโทรศัพท์มือถือและส่วนใหญ่ใช้กระบวนการผลิต RF SOI RF MEMS ยังคงเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นใหม่และไม่มีความสำคัญเมื่อเทียบกับสวิตช์ RF SOI"
แม้จะมีการจัดส่งสวิตช์ RF จำนวนมาก แต่การแข่งขันในตลาดก็รุนแรงและแรงกดดันด้านราคาก็มากขึ้น เทย์เลอร์กล่าวว่าราคาขายเฉลี่ย (ASP) สำหรับอุปกรณ์เหล่านี้คือ 10 ถึง 20 เซนต์
ในเวลาเดียวกันในระบบที่เรียบง่ายส่วนหน้า RF ประกอบด้วยแอมพลิฟายเออร์กำลังขับหลายส่วนประกอบเครื่องขยายเสียงรบกวนต่ำ (LNA) ตัวกรองและสวิตช์ RF
Randy Wolf ช่างเทคนิคของ GlobalFoundries กล่าวในสุนทรพจน์เมื่อเร็ว ๆ นี้ว่า“ จุดประสงค์หลักของเพาเวอร์แอมป์คือเพื่อให้แน่ใจว่ามีพลังงานเพียงพอที่จะรับสัญญาณหรือข้อมูลของคุณไปยังปลายทาง
LNA ขยายสัญญาณขนาดเล็กจากเสาอากาศ สวิตช์ RF กำหนดเส้นทางสัญญาณจากส่วนประกอบหนึ่งไปยังอีกส่วนประกอบหนึ่ง "ตัวกรองจะป้องกันไม่ให้สัญญาณที่ไม่ต้องการเข้าสู่ด้านหลัง" Wolf กล่าว
บนโทรศัพท์มือถือฟังก์ชั่นความถี่วิทยุของเครือข่ายไร้สาย 2G และ 3G นั้นง่ายมาก 2G มีเพียงสี่คลื่นความถี่และ 3G มีห้าคลื่นความถี่ แต่ 4G มีมากกว่า 40 คลื่นความถี่ 4G ไม่เพียง แต่รวมคลื่นความถี่ 2G และ 3G เท่านั้น แต่ยังมีชุดคลื่นความถี่ 4G อีกด้วย
นอกจากนี้ผู้ให้บริการโทรศัพท์มือถือได้ปรับใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่าการรวมผู้ให้บริการ การรวมตัวของผู้ให้บริการจะรวมช่องสัญญาณหรือผู้ให้บริการส่วนประกอบหลายรายการเข้ากับท่อส่งข้อมูลขนาดใหญ่เพื่อให้ได้แบนด์วิดท์ที่สูงขึ้นและอัตราข้อมูลที่เร็วขึ้นในเครือข่ายไร้สาย
เพื่อที่จะรับมือกับคลื่นความถี่ที่หลากหลายและการรวมตัวของผู้ให้บริการผู้ผลิต OEM จำเป็นต้องมีโมดูล RF front-end ที่ซับซ้อน โมดูลฟรอนต์เอนด์ RF ในปัจจุบันจะรวมตัวขยายสัญญาณมัลติโหมดและมัลติแบนด์สองตัวขึ้นไปตลอดจนสวิตช์และตัวกรองหลายตัว "ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรม RF ที่ใช้จำนวนเพาเวอร์แอมป์จะถูกกำหนดโดยคลื่นความถี่ภูมิภาคที่ระบุแอดเดรสของโทรศัพท์มือถือ" Abhiroop Dutta ผู้จัดการฝ่ายการตลาดเชิงกลยุทธ์ของ Qorvo กล่าวว่า: "การใช้ SKU เดียวเพื่อจัดการกับตลาดเซลลูลาร์ในหลายภูมิภาค / ทั่วโลกโทรศัพท์มือถือ" Netcom เต็มรูปแบบ "ทั่วไปจะมีการครอบคลุมย่านความถี่ที่กว้างมากในการใช้งาน RF front แบบบูรณาการทั่วไป โมดูลสุดท้ายของโทรศัพท์มือถือรุ่นนี้ทางเลือกทางวิศวกรรมคือการใช้ RF front-end กับโมดูล sub-band เพื่อตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกันของย่านความถี่สูงกลางและต่ำ "
ในทางตรงกันข้ามมีอีกสถานการณ์หนึ่งที่ผู้ผลิตสมาร์ทโฟนอาจออกแบบโทรศัพท์เฉพาะสำหรับตลาดเฉพาะ "ตัวอย่างคือโทรศัพท์มือถือสำหรับตลาดจีนแผ่นดินใหญ่ในกรณีนี้ RF front-end จำเป็นต้องรองรับย่านความถี่เฉพาะสำหรับภูมิภาค" Dutta กล่าว
อ้างอิงจาก Cavendish Kinetics มีเสาอากาศสองเสาบนโทรศัพท์มือถือ LTE เสาอากาศหลักและเสาอากาศหลากหลาย โดยทั่วไปเสาอากาศหลักจะใช้สำหรับฟังก์ชั่นการส่ง / รับสัญญาณและเสาอากาศที่หลากหลายจะใช้เพื่อเพิ่มอัตราข้อมูลดาวน์ลิงค์ของโทรศัพท์มือถือ
ในการใช้งานจริงสัญญาณจะไปถึงเสาอากาศหลักก่อนจากนั้นจึงย้ายไปยังเครื่องรับเสาอากาศซึ่งทำให้ระบบสามารถปรับย่านความถี่ใดก็ได้ จากนั้นสัญญาณจะเข้าสู่ชุดสวิตช์ RF "มันจะแปลงเป็นย่านความถี่ที่คุณต้องการใช้เช่น GSM, 3G หรือ 4G" Wolf of GlobalFoundries กล่าว "จากนั้นสัญญาณจะเข้าสู่ตัวกรองจากนั้นจึงขยายกำลังและในที่สุดก็รับ"
เมื่อพิจารณาถึงความซับซ้อนนี้ผู้ผลิตโทรศัพท์มือถือต้องเผชิญกับความท้าทายบางประการการใช้พลังงานและขนาดเป็นสิ่งสำคัญ "เนื่องจากความซับซ้อนนี้สัญญาณจะสูญเสียมากขึ้นที่ส่วนหน้าซึ่งจะส่งผลเสียต่อตัวเลขสัญญาณรบกวนโดยรวมของเครื่องรับของคุณ" Wolf กล่าว
เห็นได้ชัดว่าสวิตช์ RF มีบทบาทสำคัญในการแก้ปัญหานี้ โดยทั่วไปสมาร์ทโฟนอาจมีอุปกรณ์สวิตช์ RF มากกว่า 10 เครื่อง สวิตช์ RF พื้นฐานใช้การกำหนดค่าแบบ single pole single throw (SPST) นี่คือสวิตช์เปิด - ปิดแบบธรรมดา
ปัจจุบันผู้ผลิต OEM ใช้สวิตช์ประเภทที่ซับซ้อนมากขึ้น Ron * Coff เป็นตัวบ่งชี้หลักของสวิตช์ RF อ้างอิงจาก Peregrine Semiconductor "Ron * Coff สะท้อนให้เห็นว่าสัญญาณ RF สูญเสีย (Ron หรือ on-resistance) มากเพียงใดเมื่อสวิตช์อยู่ในสถานะ" เปิด "และพลังงานที่สัญญาณ RF รั่วไหลผ่านตัวเก็บประจุเมื่อสวิตช์เป็นเท่าใด ในสถานะ "ปิด" (Coff หรือ turn-off capacitance) "
สรุปแล้วสิ่งที่ผู้ผลิต OEM ต้องการคือสวิตช์ RF ที่ไม่มีการสูญเสียการแทรกและการแยกที่ดี การสูญเสียการแทรกเกี่ยวข้องกับการสูญเสียกำลังสัญญาณ หากสวิตช์ RF ไม่ได้รับการแยกที่ดีระบบอาจพบสัญญาณรบกวน “ โดยทั่วไปความท้าทายสำหรับ RF front-end คือการรองรับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ และปฏิบัติตามมาตรฐานที่พัฒนาขึ้นและการครอบคลุมย่านความถี่ที่เพิ่มขึ้น ไม่เพียงแค่นั้นเนื่องจากโทรศัพท์มือถือบางลงขนาดแพ็คเกจของโซลูชั่น RF ก็หดตัวลงเช่นกัน Dutta ของ Qorvo กล่าวว่าตัวบ่งชี้ที่สำคัญเช่นการสูญเสียการแทรกกำลังของเสาอากาศและการแยกยังคงเป็นแรงผลักดันในการพัฒนาโซลูชันกลุ่มผลิตภัณฑ์ RF อย่างต่อเนื่อง
ทางออก
ทุกวันนี้เพาเวอร์แอมป์ของโทรศัพท์มือถือใช้เทคโนโลยีแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) เป็นหลัก ไม่กี่ปีที่ผ่านมา OEM ได้ย้ายกระบวนการผลิตเช่นสวิตช์ความถี่วิทยุจาก GaAs และแซฟไฟร์ (SoS) ไปยัง RF SOI GaAs และ SoS เป็นตัวแปรของ SOI และเนื่องจากสวิตช์ RF มีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ กระบวนการทั้งสองนี้จึงมีราคาแพงเกินไป
RF SOI แตกต่างจาก SOI (FD-SOI) ที่ใช้แล้วโดยสิ้นเชิงและเหมาะสำหรับการใช้งานดิจิทัล คล้ายกับ FD-SOI RF SOI มีชั้นฉนวนที่บางมากในวัสดุพิมพ์ซึ่งสามารถรับแรงดันไฟฟ้าที่พังทลายได้สูงและกระแสไฟฟ้ารั่วต่ำ
Peter Rabbeni หัวหน้าหน่วยธุรกิจ RF ของ GlobalFoundries กล่าวว่า“ ตลาดมือถือยังคงมองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับ RF SOI เนื่องจากสามารถให้การสูญเสียการแทรกต่ำฮาร์มอนิกต่ำและความเป็นเชิงเส้นสูงในช่วงความถี่กว้างทำให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีและคุ้มทุน "
ปัจจุบัน บริษัท ต่างๆเช่น Qorvo, Peregrine และ Skyworks ให้บริการสวิตช์ RF ตาม RF SOI โดยปกติผู้ผลิตสวิตช์ RF จะใช้โรงหล่อเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์เหล่านี้ GlobalFoundries, STMicroelectronics, TowerJazz และ UMC เป็นผู้นำในธุรกิจโรงหล่อ RF SOI
ดังนั้น OEM จึงมีทางเลือกมากมายในซัพพลายเออร์ชิ้นส่วนและผลิตภัณฑ์โรงหล่อ โดยปกติโรงหล่อจะให้กระบวนการ RF SOI ครอบคลุมโหนดตั้งแต่ 180nm ถึง 45nm และขนาดเวเฟอร์ที่แตกต่างกัน
การตัดสินใจว่าจะใช้โหนดใดขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันเฉพาะ Wu Kun รองประธานฝ่ายการจัดการธุรกิจของ UMC กล่าวว่า "สำหรับข้อกำหนดของเทคโนโลยี RF SOI ทุกอย่างจะต้องพิจารณาโซลูชันทางเทคนิคที่เหมาะสมกับการใช้งานเทอร์มินัลจากมุมมองของประสิทธิภาพทางเทคนิคต้นทุนและการใช้พลังงาน
แม้จะมีหลายทางเลือก แต่ผู้ผลิตสวิตช์ RF ก็ต้องเผชิญกับความท้าทาย สวิตช์ RF เองมีทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม (FET) เช่นเดียวกับอุปกรณ์ส่วนใหญ่ FET จะได้รับผลกระทบจากความต้านทานและความจุของช่องสัญญาณที่ไม่ต้องการ
ในสวิตช์ RF จะใช้ FET ในสแต็ก โดยทั่วไปแล้ว FET 10 ถึง 14 รายการจะซ้อนกันในสวิตช์ RF ในปัจจุบัน ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าเนื่องจากจำนวน FET เพิ่มขึ้นอุปกรณ์ต่างๆอาจประสบปัญหาเกี่ยวกับการสูญเสียการแทรกและความต้านทาน
ปัญหาอีกประการหนึ่งคือความจุ Skyworks เผยแพร่ในปี 2014 บทความชื่อ "การพัฒนาล่าสุดและแนวโน้มในอนาคตของเทคโนโลยี SOI ในแอปพลิเคชัน RF" กล่าวว่า "ในสวิตช์ RF ความจุที่ไม่ต้องการ 30% ขึ้นไปมาจากการเชื่อมต่อโครงข่ายในอุปกรณ์การเชื่อมต่อโครงข่ายเป็นโลหะ โครงร่างการเดินสายแบบเลเยอร์หรือไมโครรวมถึงสวิตช์ที่ใช้ RF SOI
โดยทั่วไปในโทรศัพท์มือถือ 4G กระบวนการผลิตหลักสำหรับสวิตช์ RF คือโหนด 180 นาโนเมตรและ 130 นาโนเมตรบนเวเฟอร์ 200 มม. เลเยอร์ที่เชื่อมต่อกันหลายชั้น (แต่ไม่ใช่ทั้งหมด) ขึ้นอยู่กับอลูมิเนียม การเชื่อมต่อระหว่างอลูมิเนียมถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรม IC เป็นเวลาหลายปีและมีราคาไม่แพง แต่ก็มีความจุสูงกว่าด้วย
ดังนั้นจึงใช้ทองแดงในชั้นที่เลือกในอุปกรณ์ RF ทองแดงเป็นตัวนำที่ดีกว่าและมีความต้านทานน้อยกว่าอลูมิเนียม Ng กล่าวว่า: "สแต็กโลหะแบบดั้งเดิมที่ใช้ในผลิตภัณฑ์กระบวนการ RF CMOS 130 นาโนเมตรประกอบด้วยชั้นเชื่อมต่อระหว่างอลูมิเนียมที่คุ้มค่าและชั้นเชื่อมต่อระหว่างทองแดงที่มีประสิทธิภาพสูง" นี่คือทางออกที่ดีที่สุดในการสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ โซลูชัน RF SOI มักประกอบด้วยชั้นโลหะอลูมิเนียมจำนวนหนึ่งและชั้นทองแดงอย่างน้อยหนึ่งชั้น
โดยปกติทองแดงจะใช้เป็นชั้นโลหะหนาพิเศษที่ชั้นบนสุดเพื่อช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์แบบพาสซีฟ เขากล่าวว่า: "ควรใช้โลหะด้านบนที่หนาเช่นทองแดงซึ่งสามารถลดการสูญเสียโอห์มมิคและเพิ่มประสิทธิภาพได้"
เมื่อเร็ว ๆ นี้ผู้ผลิตอุปกรณ์ RF ได้ย้ายจากเวเฟอร์ 200 มม. ไปยังเวเฟอร์ 300 มม. และโหนดกระบวนการของพวกเขาก็ย้ายจาก 130 นาโนเมตรเป็น 45 นาโนเมตร โดยทั่วไปแล้ว 300 มม. fabs จะใช้ขั้วต่อทองแดงเท่านั้น
การใช้เฉพาะทองแดงเชื่อมต่อกันผู้ผลิตสวิตช์ RF สามารถลดความจุได้ อย่างไรก็ตามเวเฟอร์ 300 มม. ได้เพิ่มต้นทุนการผลิตทำให้เกิดความขัดแย้งในตลาด ในแง่หนึ่ง OEM โทรศัพท์มือถือที่ไวต่อต้นทุนจำเป็นต้องใช้สวิตช์ RF เพื่อให้ราคาต่ำ ในทางกลับกันผู้ผลิตสวิตช์ RF และโรงหล่อหวังที่จะรักษาผลกำไร
"ทุกวันนี้อุปกรณ์ RF SOI ผลิตบนเวเฟอร์ 300 มม. น้อยมาก" อึ้งกล่าว "มีสาเหตุหลายประการสำหรับสถานการณ์นี้รวมถึงต้นทุน / ความพร้อมใช้งานของสารตั้งต้น RF SOI ขนาด 300 มม. และโครงสร้างพื้นฐานเพื่อรองรับการประมวลผลหลังซิลิคอนอย่างไรก็ตามเราคาดว่าความท้าทายเหล่านี้จะมีนัยสำคัญในอีกไม่กี่ปีข้างหน้านี้คือ แก้ไขแล้วแอปพลิเคชัน RF SOI ปริมาณสูงส่วนใหญ่จะย้ายไปยังเวเฟอร์ 300 มม. "
ก่อนหน้านี้อุตสาหกรรมอาจประสบปัญหาอุปสงค์และอุปทานขนาด 300 มม. "เราเชื่อว่าก่อนที่การผลิตจะเปลี่ยนไปใช้เวเฟอร์ 300 มม. มากขึ้นตลาดจะต้องเผชิญกับความท้าทายของการขาดแคลนอยู่เสมอกำลังการผลิตที่เปิดตัวเร็วเพียงใดและความต้องการที่มากเพียงใดจะสะท้อนให้เห็นในความขัดแย้งระหว่างอุปสงค์และอุปทาน" เขาพูดว่า.
กระบวนการ RF SOI ในปัจจุบันเหมาะสำหรับโทรศัพท์มือถือ 4G GlobalFoundries หวังที่จะโดดเด่นในการแข่งขัน 5G และเพิ่งเปิดตัวกระบวนการ RF SOI 45 นาโนเมตรสำหรับแอพพลิเคชัน 5G กระบวนการนี้ใช้พื้นผิว SOI ที่อุดมด้วยหลุมต้านทานสูง
5G คือการอัปเกรดเครือข่าย 4G ย่านความถี่เครือข่าย LTE ในปัจจุบันอยู่ระหว่าง 700 MHz ถึง 3.5 GHz ในทางตรงกันข้าม 5G จะไม่เพียง แต่อยู่ร่วมกับ LTE เท่านั้น แต่ยังทำงานในแถบคลื่นมิลลิเมตรระหว่าง 30 GHz ถึง 300 GHz 5G จะเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลเป็นมากกว่า 10Gbps ซึ่งเป็น 100 เท่าของ LTE แต่คาดว่าจะมีการใช้งาน 5G ขนาดใหญ่ในปี 2020 และหลังจากนั้น
ไม่ว่าในกรณีใด 5G จำเป็นต้องมีส่วนประกอบใหม่ "(45nm RF SOI) มุ่งเน้นไปที่ส่วนหน้าของคลื่น 5G มิลลิเมตรเป็นหลักโดยผสานรวม PA, LNA, สวิตช์และตัวเปลี่ยนเฟสเพื่อสร้างลำแสงควบคุมคลื่นมิลลิเมตรในตัวสำหรับระบบ 5G" Rabbeni จาก GlobalFoundries กล่าว
มีโซลูชันอื่น ๆ สำหรับ 5G และ RF MEMS ก็เป็นหนึ่งในนั้น นอกจากนี้ TowerJazz และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานดิเอโกเพิ่งสาธิตชิปเซ็ตอาร์เรย์แบบแบ่งเฟสความเร็ว 12Gbps 5G ชิปเซ็ตใช้เทคโนโลยี SiGe BiCMOS ของ TowerJazz
กระบวนการใดจะชนะ? เวลาเท่านั้นที่จะบอกเราคำตอบ "ยังไม่ชัดเจนว่า RF MEMS มีข้อได้เปรียบในการใช้งาน 5G หรือไม่" Taylor จาก Strategy Analytics กล่าว
RF MEMS คืออะไร?
สวิตช์ RF ที่ใช้ RF SOI จะยังคงมีอิทธิพลต่อไป แต่เทคโนโลยีใหม่ RF MEMS อาจมีพื้นที่อยู่อาศัยที่แน่นอน "เมื่อเวลาผ่านไป SOI มีความก้าวหน้าอย่างไม่น่าเชื่อความต้านทานลดลงและความเป็นเส้นตรงดีขึ้น" Dal Santo จาก Cavendish Kinetics กล่าว "แต่สาระสำคัญของสวิตช์ SOI คือทรานซิสเตอร์ถูกเปิดหรือปิดเมื่อเปิดอยู่ประสิทธิภาพจะไม่ดีมากนักและเมื่อปิดอยู่ก็จะไม่ค่อยดีนัก
หลายปีที่ผ่านมาเทคโนโลยี RF MEMS ก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง วันนี้ Cavendish, Menlo Micro และ WiSpry (AAC Technologies) กำลังพัฒนา RF MEMS สำหรับแอปพลิเคชันมือถือ
RF MEMS แตกต่างจาก MEMS ที่ใช้เซ็นเซอร์เช่นไจโรสโคปและเครื่องวัดความเร่ง MEMS เซ็นเซอร์แปลงพลังงานกลเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในทางตรงกันข้าม RF MEMS จะดำเนินการส่งสัญญาณเท่านั้น
ในขั้นต้น บริษัท ต่างๆเช่น Cavendish ได้ใช้เทคโนโลยี RF MEMS กับตลาดเครื่องรับเสาอากาศโดยใช้ RF SOI และกระบวนการอื่น ๆ
เราไม่สามารถรองรับคลื่นความถี่ต่างๆที่ต้องการได้ดังนั้นจึงต้องมีการปรับเสาอากาศ” Dal Santo กล่าว "ตอนนี้วิธีการหลักคือการสลับไม่ว่าจะสลับไปมาระหว่างตัวเก็บประจุคงที่ที่แตกต่างกันหรือสลับระหว่างตัวเหนี่ยวนำคงที่ต่างกันปัญหาคือเสาอากาศเป็นอุปกรณ์ High-Q คุณต้องระวังมิฉะนั้นจะทำให้สูญเสีย ประสิทธิภาพการฉายรังสี "
ในทางตรงกันข้ามจูนเนอร์ของ Cavendish มีช่วงความจุที่แตกต่างกัน 32 ช่วง "พวกมันสามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างสมบูรณ์และมีประสิทธิภาพ Q สูงที่ดีมากดังนั้นการสูญเสียประสิทธิภาพการแผ่รังสีจึงต่ำมากคุณสามารถใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อปรับเสาอากาศให้เป็นช่วงความถี่ที่คุณต้องการรองรับ" เขาพูดว่า.
ในอนาคตคาเวนดิชวางแผนที่จะนำอุปกรณ์ RF SOI มาใช้ในช่องสวิตช์ RF ที่ใหญ่ขึ้น เขากล่าวว่า: "ถ้าคุณเปลี่ยน RF SOI ด้วยสวิตช์จริงมันเป็นสวิตช์ MEMS และการสูญเสียการแทรกของเครื่องรับหรือเครื่องส่งของคุณจะลดลง" เขาพูดว่า.
อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ RF MEMS จะแทนที่อุปกรณ์ที่ใช้ RF SOI หรือไม่ ในประเด็นนี้ TowerJazz สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกได้ TowerJazz นำเสนอเทคโนโลยี RF SOI แบบดั้งเดิมและยังเป็นผู้จัดหาอุปกรณ์ RF MEMS ของ Cavendish
"RF MEMS และ RF SOI อาจมีการทับซ้อนกันเล็กน้อยในการแข่งขันกันสำหรับแอปพลิเคชันเดียวกันโดยทั่วไปแล้วพวกเขาเป็นส่วนเสริม RF MEMS ใช้สำหรับแอปพลิเคชันที่มีความต้องการมากที่สุดและ RF SOI ใช้สำหรับแอปพลิเคชันที่เหลืออยู่" TowerJazz กล่าว Marco Racanelli รองประธานอาวุโสและผู้จัดการทั่วไปของหน่วยธุรกิจอะนาล็อก RF / ประสิทธิภาพสูง
"เทคโนโลยี RF SOI จะยังคงพัฒนาต่อไปและยังคงมีให้ใช้งานสำหรับแอปพลิเคชั่น RF Switching และตลาดเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำบางแห่ง" Racanelli กล่าว "อย่างไรก็ตามในการใช้งานพิเศษบางอย่างเทคโนโลยีทางเลือกเช่น SiGe สำหรับเครื่องขยายเสียงรบกวนต่ำและ MEMS สำหรับสวิตช์สามารถให้ความเป็นเชิงเส้นที่ดีขึ้นหรือการสูญเสียที่ต่ำลงกล่าวโดยย่อ RF SOI จะยังคงเป็นตลาดที่ขยายบริการเทคโนโลยีอื่น ๆ ก็จะพัฒนาขึ้นด้วย .”
RF MEMS เกิดขึ้นในตลาดเครื่องรับเสาอากาศและจะสามารถขยายเสาอากาศไปยังธุรกิจสวิตช์ RF ได้หรือไม่ "ในอนาคตเมื่อเทียบกับ RF SOI ในตัว RF MEMS สามารถช่วยเพิ่มอัตราการรับส่งข้อมูลของโทรศัพท์มือถือได้โดยการให้สวิตช์เชิงเส้นมากขึ้นและลดการสูญเสีย" เขาพูดว่า. "ใน RF MEMS แผ่นโลหะสามารถติดต่อได้โดยตรงในสถานะ" เปิด "เพื่อสร้างโลหะการเชื่อมต่อเชิงเส้นที่มีการสูญเสียต่ำความเป็นเชิงเส้นที่สูงขึ้นช่วยให้ย่านความถี่มากขึ้นและรูปแบบการมอดูเลตที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งจะช่วยเพิ่มอัตราข้อมูลของโทรศัพท์
สินค้าอื่น ๆ ของเรา:
