随着无处不在的连接向汽车的扩展，RF-SOI作为可选的工艺技术之一，将继续发挥重要作用，以确保低成本高可靠性的连接。

　　“一切设备都将走向移动和互联”，汽车作为最为常见的“移动”设备，也是如此，车联网勾勒出了宏大的愿景。

　　射频前端作为所有通信设备的核心，也在用于汽车。全世界100%的智能手机都离不开的射频绝缘体上硅 (RF-SOI) 衬底技术，已经把汽车作为了下一个“战场”。

　　100%智能手机都用的半导体技术

　　成功在哪里？

　　智能手机融合了多样化的功能，包括无线电发射和接收、数字处理、存储、音频、电池管理、摄像和显示等，通过前端模块能够实现蜂窝电话和基站之间的射频信号传输和接收。

　　如今，智能手机不仅要实现sub-6GHz、毫米波、WiFi 2.4GHz/5&6GHz、蓝牙和UWB等无线协议的载波聚合（CA），而且5G、WiFi 6(E)、蓝牙5.3/BLE等无线传输的数据吞吐量极大提升，对能耗也提出了更高要求。

　　从智能手机射频前端的发展历程来看，其集成度和价值量几乎在成倍增加。国金证券数据显示，从2G时代到5G的sub-6GHz，价值量从0.7美金增至32美金。同时，从2G时代PA，到3G时代的PA、滤波器及开关，再到4G时代频段的大幅增加，滤波器、开关、Tx/Rx滤波器（BAW）等大幅增加，直至5G时代的频段、滤波器、开关、Tx/Rx滤波器（BAW）等在4G基础上成倍增加。

　　智能手机中的前端模块：以超高频率搭载数据

　　一个演变多年的技术趋势是，每次通信时代更迭都对前端模块的设备数量与性能提出更高的要求。手机射频前端的芯片材料技术，已经由早前的体硅衬底转向SOI（绝缘体上硅)，该衬底由薄的硅器件层、处理衬底，以及使器件层与处理衬底物理分隔并电隔离的薄掩埋氧化物(box)层构成。

　　回溯智能手机对高性能射频的需求演变，约在2010年左右，RF-SOI初步用于开关和一些射频前端控制器件中。

　　到了2016年，当时已经演进到了LTE、4G共存，出现了更多复杂的模块、天线调谐器等，对于高性能开关的需求更加强烈。RF-SOI随之被应用到越来越多的天线调谐器和开关中，特别是射频前端开关、射频前端控制等器件。

　　从2018年到现在，伴随着5G的推进，手机需要更复杂的模块和更高的集成度。由于5G使用不同的高频频段来实现高速数据传输，因此5G RF前端模块所需的功率放大器、滤波器、开关、LNA和天线调谐器的需求量倍增。

　　对射频前端来说，一个显而易见的趋势是集成化与模块化。为了将不同材料、不同工艺的器件集成在一起，优化衬底和对应的模块、测试封装技术能够实现兼容变得至关重要。

　　RF-SOI技术在保证有效和高效的频谱利用方面起着至关重要的作用，它可以使5G和其他共存无线标准之间的互扰降到最低，最大程度地减少非线性干扰，如信号谐波的产生，保证射频前端的正常工作。

　　由于RF-SOI能够以更优的性价比实现更高的线性度和更低的插入损耗，可以带来更快的数据速度、更长的电池寿命和频率更稳定、流畅的通信质量。得益于RF-SOI技术的存在，不但使开关、PA、LNA、移相器、可变增益放大器（VGA）被完全集成在一起，还同时具有控制、偏置、内存和电源结合功能。

　　如今，接近100%的射频开关基于RF-SOI或FD-SOI技术而开发；超过80%的集成低噪声放大器基于RF-SOI开发，接近100%的天线调谐器都用到了SOI技术。

　　RF-SOI能否在汽车市场延续成功？

　　不断演进的射频前端技术已然支撑了移动通信的发展浪潮。下一步，面向汽车的无线通信需求、保障汽车的智慧连接，射频前端核心技术又将发生哪些颠覆？

　　网联汽车需要依赖多个系统和网络：连接到云进行远程信息处理(Telematics) ，需要通过蜂窝网络和卫星4G LTE、5G、Wi-Fi等标准；连接到驾驶员/乘客实现信息娱乐(Infotainment)功能，需要通过 Wi-Fi、Bluetooth等标准；连接到环境，实现车联万物(Vehicle to Everything, V2X)，需要通过专用短程通信 (DSRC)、蜂窝车联网 (C-V2X)、超宽带 (UWB) 等标准。

　　就硬件方面而言，全车无线连接需要多个天线与射频前端 (RFFE)。乘用车的天线常位于车顶，称为鲨鱼鳍天线。但随着汽车美学的发展，集成在车身面板中的共形天线也越来越常见。但无论如何，天线都位于车辆表面附近，以避免汽车金属车身产生的法拉第静电屏蔽效应。此外，为了尽量减少可能损害发送/接收信息完整性的损耗和干扰，OEM大都选择将射频前端放置在尽可能靠近天线的位置。

　　与所有无线设备一样，网联汽车依赖多个射频IC和射频模块来实现可靠的无线连接。大多数此类元件都包含在一个“盒子”中，通常称为远程信息处理盒(T-BOX)，也称为远程信息处理控制单元(TCU)。根据《面向智能化和可持续移动性的 RF-SOI 优化衬底》白皮书，TCU 中包含了用于传感、定位以及数据存储、处理与传输的功能模块。在这些模块中，网络接入设备(NAD)中又包含了确保蜂窝网络(4G LTE 或 5G)通信可靠与稳健所需的所有电路，射频前端即涵盖其中。

　　Soitec移动通信部门高级业务发展经理Luis Andia认为，汽车RFFE的设计正变得更加定制化，需要从一开始就考虑到汽车场景中相关的设计限制。

　　一个典型的应用场景比如紧急呼叫，发生事故时向应急响应团队(救护车、消防员等)提供关键信息的系统，是汽车无线应急系统的关键组成之一。

　　发生事故时，无论车辆处于何种状态，若要确保需传输的数据能够找到通向工作TCU 天线的路径，并联系到应急响应小组，并不是一件容易的事，它要求射频开关异常稳健。应急呼叫射频开关应必须能够在兼容蜂窝网络的功率(达几百毫瓦)下进行热切换，并符合 ASIL A 标准。“使用RF-SOI带来的优势之一，是发生紧急事件时，你可以快速建立一个通信路径，进行紧急服务沟通，RF-SOI能够提供汽车所需的热切换和可靠性”， Luis Andia表示。

　　除了通信之外，用于汽车雷达和其他驾驶辅助系统中的还有FD-SOI。这项技术可以与RF-SOI互为补充。在解决5G不同频段共存的问题上，它们可以为射频设计提供更多的灵活性。

　　据了解，FD-SOI目前主要用于40nm和20nm左右的光刻平台。业界正在寻求在20nm、18nm、12nm等以下光刻技术平台中使用FD-SOI，格芯和意法半导体在法国合建了新的晶圆厂，致力于提升FD-SOI的产能。

　　应对汽车射频前端模块化挑战

　　汽车内部的通信系统越来越复杂，射频前端模块化成为一大趋势。对于汽车来说，模块化的主要挑战是什么？

　　Luis Andia认为，汽车射频前端模块化主要面临两大挑战。首先是温度管理（thermal management）。由于模块密度相对较高，并且裸片位置非常接近，例如，当功率放大器温度升高时，并不希望这种温升对相邻裸片的性能产生降级影响（对于低噪声放大器而言，它的噪声系数可能会由于温度变化上升），所以温度管理是一个非常大的挑战，Soitec也在着力解决这个问题。通过应用一些能量密度相对较高的材料，如RF-GaN帮助更有效地管理功率，从而最大限度地减少温升。此外，也在为RF-SOI衬底开发新功能，以帮助保证高温下的高线性度环境。

　　另一大挑战则是干扰，例如相邻码片信号之间的串扰。干扰可能出现在射频前端无源器件(传输线、电感等)或有源电路(晶体管、二极管等)的任一点。而采用富陷阱的 RF-SOI 优化衬底来构建大部分的射频前端电路，无论干扰发生在何处，都将被最小化。

　　通过富陷阱层，能够捕捉氧化埋层以及高电阻操作层中游离的寄生电荷（parasitic charge），从而保证衬底达到非常高的电阻率，实现较高的线性度。这不仅仅是为晶体管，也为其他无源器件提供了高线性度。

　　Luis Andia指出，高线性度能够帮助实现Wi-Fi系统和蜂窝系统的共存，减少相邻频段的干扰。不管是数字信号还是模拟信号，即使是非常复杂的5G毫米波射频前端，通过富陷阱层都能够实现较好的隔离，从而防止信号串扰。

　　而RF-SOI之所以能够获得广大市场，也正是因为它能够保证非常高的信号线性度和信号完整性。对SOI+低电阻率晶圆、SOI+高电阻率晶圆、RFeSI SOI富陷阱+高电阻率晶圆这三类材料进行比较，可以发现RFeSI SOI富陷阱+高电阻率晶圆的信号失真度（distortion）最低、线性度最高。

　　此外，随着系统越来越复杂，一项技术并不能解决所有问题，需要多项技术互为补充。例如RF-SOI、FD-SOI、RFeSI，同时还有用于滤波器的POI、用于大功率的RF-GaN优化衬底等共同应用，来最大限度地减少相邻系统之间的干扰。

　　模块化已经成为车身网络接入设备的关键设计要素，它所提供的灵活性可满足不同区域市场的需求，而将发射、接收和滤波功能集成在多个模块中的射频前端组件更具优势，它们可以快速更换，以适应车辆所在的销售区域，并满足区域法规和当地用户的偏好。

　　写在最后

　　现代汽车对于连接性的需求和依赖程度与日俱增。目前的远程通信不仅要使用蜂窝网络，也非常依赖V2X的连接，还要使用专属的近距离通信系统，包括Wi-Fi、蓝牙等。

　　经过大规模制造验证的RF-SOI衬底技术，促进了智能手机的普及。随着无处不在的连接向汽车的扩展，RF-SOI作为可选的工艺技术之一，将继续发挥重要作用，以确保低成本高可靠性的连接。

　　正如Luis Andia对汽车汽车市场应用前景的预测，几种不同的射频系统需要在内部共存，并且不能对彼此干扰，随着汽车连接需求的显着增加，汽车行业在辅助驾驶和信息娱乐等系统方面具有巨大的增长潜力。

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