一 、5G頻段劃分

5G不僅僅是4G的增量改進，它是移動通信技術的下一個重大演變，其系統(tǒng)性能將提升幾個數(shù)量級以上。根據(jù)ITU的定義，5G的峰值速率可達10~20Gbit/s，用戶的體驗速率也能達到100Mbit/s~1 Gbit/s，延遲更是達到了毫米級別。相比之下，5G的數(shù)據(jù)吞吐量將是4G的100倍。

為滿足上述愿景，5G的載波將涵蓋眾多高、低頻段。根據(jù)3GPP R15版本的初步定義，5G主要包括兩大頻譜范圍：1）6GHz以下（Sub-6GHz）頻段，其范圍為450MHz~6GHz，最大信道帶寬100MHz；2）6GHz以上，主要是毫米波頻段，最大信道帶寬400MHz。業(yè)內(nèi)一致認為高、低頻譜之間可以優(yōu)勢互補，即毫米波頻段連續(xù)大帶寬頻譜，可滿足熱點區(qū)域極高的用戶體驗速率和系統(tǒng)容量需求，但是其覆蓋能力較弱，難以實現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋，因此需要與Sub-6GHz的低頻段聯(lián)合組網(wǎng)，以解決網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋的需求。因此，5G時代需要高、低頻段協(xié)同發(fā)展，Sub-6GHz作為5G基礎頻段，毫米波頻段作為重要的補充頻段。

為了在國際博弈和競爭中獲取有利地位，加快5G網(wǎng)絡試驗和商用的進程，各國紛紛著手為5G謀劃頻率資源（圖1）。根據(jù)GSA 統(tǒng)計，截至2018年1月，全球共有113個運營商在56個國家開展或計劃開展5G技術試驗。

圖1全球5G頻段部署

未來5G時代將有更多的頻段資源被投入使用，一方面多模多頻使得射頻前端芯片需求增加，直接推動射頻前端芯片市場成長。Navian預測，2020年僅移動終端中射頻前端芯片的市場規(guī)模將達到212億美元，年復合增長率達15.4%；另一方面，更高功率輸出、更高工作頻段對射頻器件性能和可集成能力提出了更高的挑戰(zhàn)。例如對于Sub-6GHz頻段，由于5G頻段的頻率更高、衰減多，未來可能還需射頻套件的輸出功率從原有的23dBm提升至26dBm，以支持更好的空間覆蓋，這對射頻器件的設計難度也提出新的挑戰(zhàn)。

二、 RF-SOI在Sub-6GHz頻段的應用機遇

射頻SOI（RF-SOI）將延續(xù)其在4G應用的技術和市場優(yōu)勢，繼續(xù)成為5G Sub-6GHz頻段手機射頻開關的主流解決方案，原因如下：

1）RF-SOI已經(jīng)牢牢把控4G手機射頻開關市場。

圖2 RF-SOI市場

相比傳統(tǒng)的砷化鎵（GaAs）和藍寶石上硅（SOS）技術，RF-SOI可以同時提供優(yōu)良的射頻性能和低廉的成本。正是基于以上優(yōu)勢，作為移動智能終端前端模塊中的關鍵器件之一，射頻開關芯片從2013年已經(jīng)舍棄原來的GaAs和SOS工藝，轉而采用低成本的RF-SOI工藝。RF-SOI技術目前已經(jīng)成為4G手機開關類RF應用的主流技術，其市占率已經(jīng)超過95%（圖2）。

在Sub-6 GHz頻段，5G將會在現(xiàn)有成熟的4G通信基礎上延拓，因此，盡管復雜性會大幅度增加，5G使用的技術和設備將與4G類似。經(jīng)過近5年的發(fā)展，基于RF-SOI技術的射頻開關市場已經(jīng)被Qorvo、psemi、Skyworks等IDM公司壟斷。這些射頻廠商有充足的技術積累和市場優(yōu)勢，這為RF-SOI技術快速切入5G Sub-6GHz頻段應用打下了堅實的基礎。

2）RF-SOI制造業(yè)已經(jīng)開始進軍5G。

為了滿足5G超高的下行速率標準，相較于4G中最高支持5個20MHz的載波聚合，進入5G時代，載波聚合的數(shù)量可能會高達32個或者64個。這對手機射頻開關的線性度等關鍵性能指標提出更高的要求。近幾年，RF-SOI襯底的主要供應商Soitec公司一直致力于開發(fā)更高性能、更大尺寸的RF-SOI襯底，以滿足未來5G的需求：Soitec已經(jīng)開發(fā)出諧波水平（用于表征線性度的參量）低于-100dBm（輸入功率為15dBm時）超高線性度的RF-SOI襯底材料，滿足未來5G開關設計的需求（圖3）；當前，制造4G及以下射頻開關使用的大都是200mm RF-SOI襯底，不能兼容最新的納米級CMOS工藝，這影響了經(jīng)濟效益和器件性能的提高。因此，從2016年開始，Soitec公司就積極將RF-SOI襯底尺寸向主流的300mm升級。Soitec位于本土的Bernin 2廠已經(jīng)開始大批量供應300mm大尺寸的RF-SOI襯底片，以滿足TowerJazz、GlobalFoundries等代工廠更高節(jié)點的制造需求。

于此同時，在代工端，GlobalFoundries推出了基于130nm節(jié)點的8SW射頻開關制造工藝，是業(yè)內(nèi)第一個300mm RF-SOI代工平臺。8SW開關采用銅互聯(lián)，降低了開關速度，提升了功率容量，滿足5G Sub-6GHz的應用需求。另外，近期TowerJazz宣布其65nm RF-SOI技術已在位于日本魚津的300mm工廠實現(xiàn)量產(chǎn)，這進一步增強了RF-SOI的市場潛力。

圖3 RF-SOI的諧波水平（輸入功率為900MHz）

分析可知，RF-SOI在4G手機射頻開關應用中占有絕對的市場優(yōu)勢；而高性能、大尺寸的RF-SOI襯底制備和射頻開關代工技術已經(jīng)證明能夠滿足5G Sub-6 GHz應用的性能和產(chǎn)能需求，未來RF-SOI無疑將把持5G Sub-6GHz下的手機射頻開關市場。

三、 RF-SOI在毫米波段的應用機遇

在毫米波段，由于頻率較高，帶寬較大，現(xiàn)有的RF-SOI襯底可能難以滿足高性能獨立射頻開關的設計需求，以MACOM和pSemi為代表的射頻廠商轉而尋絕緣性更優(yōu)的襯底解決方案，包括SOS和GaAs等（表1）。另外，基于MEMS和相變原理的創(chuàng)新型射頻開關也是業(yè)內(nèi)關注的熱門技術，未來也可能顛覆射頻開關產(chǎn)業(yè)。

盡管如此，由于具備高集成能力優(yōu)勢，RF-SOI在毫米波段仍具有應用潛力。

近日，格芯宣布了基于45nm節(jié)點RF-SOI（45RFSOI）產(chǎn)品的正式投放。45RFSOI產(chǎn)品具有較高的截止頻率（fmax）（圖4）、高線性度、改進的噪聲隔離能力，可用于集成5G智能手機毫米波前端模塊和波束賦形器，為實現(xiàn)5G射頻芯片的全集成打下了良好的工藝基礎。

表1 MACOM和pSemi推出的應用于5G毫米波段的射頻開關及其特性

圖4 格芯45RFSOI技術的fmax與其 28nm、40nm和65nm 體硅 CMOS技術的比較

四、 總結

從長遠來看，手機通信將從2019年正式迎來5G時代，而5G毫米波技術將最早從2022年開始逐漸步部署（圖5）。可以預見，未來五年甚至十年內(nèi)RF-SOI技術在5G應用中的成長空間巨大。

圖5 基于空口標準的移動市場預測