5G技术的到来为射频和衬底发展带来新的挑战
本文作者为Okmetic首席技术官Atte Haapalinna博士
世界正处于由5G以及虚拟现实和增强现实等融合技术引发的移动网络技术变革的风口浪尖。5G技术允许连接大量设备，同时实现比4G更快的数据传输和更大的容量。在不确定的未来，有一件事是肯定的：随着要覆盖的频段数量的增加，数据将继续呈指数增长，其原因即5G是6GHz 以下和毫米波频段的组合。
不断增加的频段数量和更高的频率正在为射频设备（滤波器、开关、放大器、天线调谐器、IPD）设定新的性能标准，这增加了新产品创新的压力，以克服移动行业的干扰挑战和更严格的参数要求。整个智能手机价值链都努力在性能、功能和成本方面找到更好的解决方案，衬底供应商也被寄予厚望——提供更好的性能。衬底的选择对射频设备性能和使用成本有重大影响，这就是定制且工艺优化的衬底需求激增的原因。让我们从硅基衬底开发的角度来看一下射频设备前沿正在发生的事情。
开关
射频开关主要在射频SOI衬底上制造。射频SOI衬底每两三年经历一次产品迭代，目前来看它仍将成为主要的衬底材料。射频SOI衬底的开发主要集中在300毫米硅片和极薄的有源层。
扩音器
扩音器在高端智能手机设计中发挥的作用越来越大。扩音器设计人员正在为复杂的问题寻找更好的解决方案，以解决目前主流电信系统对频率更高集成度的要求和物理技术衬底的挑战。
砷化镓 (GaAs) 是扩音器衬底的传统选择之一，它良好的效率可以承受相对较高的电压。不过，硅基氮化镓（GaN on Si）被证明是极具发展前景的扩音器衬底，它可以带来额外的成本效益，并使扩音器制造更加高效。硅基氮化镓的解决方案正在发展成为比现有碳化硅基氮化镓更具竞争力的替代方案。氮化镓提供优于砷化镓的性能优势。它也适用于更高的功率水平，但成本较高，除非可以通过某种方式改善其效率，例如改变晶圆尺寸等。Okmetic的厚高阻硅片已证明是高品质硅上氮化镓的出色硅基衬底，可用于最新的扩音器设计。
用于射频的集成无源器件
IPD在5G世界中的作用越来越大，各种IPD解决方案有望成为硬件解决方案的重要组成部分。在频谱的毫米波部分尤其如此，宽带滤波和天线适配将被广泛使用。硅基IPD的大规模生产通常在高电阻率MCz硅片上进行，使用的是标准薄膜加工方法，这些产品受益于先进的硅基衬底，譬如基于最新MCz和优质钝化技术的Okmetic产品。
Okmetic卓越的高阻片显着改善了先进IPD设计的电气性能。为客户量身定制的尖端硅片技术可减少射频损耗并提供稳定的有效电阻率，从而将Q值提高250%。除了改进线性度之外，工程化的硅片还可用于最小化或减少硅片弯曲等特性。
声学滤波器：增长最快的射频前端市场
5G转型正在以多种方式从根本上改变RFFE设计中的滤波要求。宽而明确的频带需要新的滤波器解决方案，复杂的频带配置对声学滤波器性能优化提出了新的要求。
多年来，体声波（BAW）滤波器一直是移动通信中用于更高频段的领先射频滤波器技术。BAW滤波器目前主导高达6GHz的更高频段，并有可能扩展到7-10GHz范围。最近，一种新型的表面声波（SAW）滤波器——薄膜表面声波（TF SAW）滤波器技术，无论是在性能上还是价格上，都对体声波滤波器在多个应用领域形成了非常强大的挑战。尽管如此，体声波滤波器设计和制造工艺的持续发展与先进的衬底材料相结合依然是极具竞争力的组合。因此，BAW滤波器制造商相信他们可以通过改进滤波器性能和扩展频率范围来应对5G挑战，同时保持甚至提高成本效益。这场技术竞赛将决定滤波器市场预计至少持续到2025年的强劲增长将如何划分。
TF SAW滤波器基于压电材料等复合材料技术，键合在下层硅片上，而BAW滤波器则直接利用通过区熔（FZ）或磁控直拉（MCz）方法制造的高阻片作为其衬底。超平MCz硅片可以大大提高键合和回磨TF SAW制造工艺的效率。
Okmetic的高阻MCz硅片是基于区熔法的一种极好的选择，其特性是更好的性能、稳健性以及成本效益。Okmetic还可以在高阻片的器件层构建专有的富陷阱层，这样就无需在客户工艺中进行替代性的、基于注入的钝化。
滤波器制造商已经注意到Okmetic的高阻片具有出色的电气性能。Okmetic的滤波器优化硅片技术可以显着降低与衬底相关的射频损耗，从而提供高且有效的电阻率，并改进IMD3和二次谐波水平。
硅中介层
封装技术的进步突出了中介层的重要性，并另其成为一个不断增长的领域。MEMS的典型硅基衬底，譬如带TSV的薄图案化硅片，也被发现有利于中介层的制造。几十年来，Okmetic一直在为MEMS领域提供优化的硅片。中介层是一个相对较新但不断增长的市场领域，Okmetic可以为其发展提供多年积累的专业知识。
天线调谐器
5G转型的最大挑战之一将是天线元件的优化，随着要覆盖的频段数量接近于10，智能手机的空间限制除了可调谐天线元件外几乎没有其他选择。技术的选择将是非常有趣的，在新兴技术中，我们需要密切关注无源可调集成电路（PTIC）和基于MEMS的调谐系统。从长远来看，其复杂程度几乎不可避免地会增加，因为在很宽的频率范围内同时进行孔径和阻抗调谐本身就很复杂。
如果您希望提高射频设备的性能，那么拥有一个灵活的硅基衬底设计研发合作伙伴至关重要。我们的技术团队随时为您服务，探讨您的需求和材料参数，为您找到最佳解决方案。
