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作者：暢秋
小小的射頻開關(guān)，在全球射頻前端市場占據(jù)重要位置，中國廠商更是給力。
5G越來越普及，手機(jī)內(nèi)部各個功能塊也越來越復(fù)雜，因為整體性能要不斷提升，芯片元器件數(shù)量也在增加，與此同時，對小體積、高集成度又有越來越高的要求。這一點在射頻前端體現(xiàn)得尤為凸出。
通常情況下，智能手機(jī)的射頻前端主要包括功率放大器（PA）、濾波器（Filter）、射頻開關(guān)（switch）、低噪聲放大器（LNA）等。其中，濾波器的價值量占比較高，達(dá)到53%，其次是功率放大器（33%）、射頻開關(guān)（7%）。
就價值量和設(shè)計難度而言，射頻開關(guān)要遜色于濾波器和功率放大器，但前者在射頻前端中的使用數(shù)量卻很大，更重要的是，中國廠商在射頻開關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了較高的市占率，與濾波器和功率放大器相比，有更多的話語權(quán)。
射頻開關(guān)的價值
射頻開關(guān)又稱微波開關(guān)，主要用于控制微波信號通道轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)等移動終端。按用途劃分，射頻開關(guān)可分為移動通信傳導(dǎo)開關(guān)、Wi-Fi開關(guān)、天線開關(guān)等；按刀數(shù)和擲數(shù)劃分，又可分為單刀單擲、單刀雙擲、單刀多擲和多刀多擲開關(guān)。
射頻開關(guān)由傳導(dǎo)開關(guān)（Switch）和天線調(diào)諧開關(guān)（Tuner）兩部分組成，Tuner的技術(shù)難度高于Switch，因為Tuner有極高的耐壓要求，導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電容對性能影響極大，對產(chǎn)品提出了更高的設(shè)計和工藝要求。
受到模塊化趨勢影響，目前，過半Switch集成在模組之中。而分立式的Switch則主要應(yīng)用在中低端手機(jī)中。
在智能手機(jī)中，射頻開關(guān)處于射頻前端的關(guān)鍵位置且必不可少，其插損、回?fù)p、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對射頻前端鏈路有重要影響。射頻開關(guān)的主要作用在于通過控制邏輯，實現(xiàn)對不同方向（接收或發(fā)射）、不同頻率的信號進(jìn)行切換，以達(dá)到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。
一般情況下，智能手機(jī)每多支持一個頻段，其射頻芯片就要增加一條接收通道，為了減少芯片面積，降低成本，一個接收通道往往會支持多個頻段，這就需要在射頻前端增加開關(guān)數(shù)量，以滿足對不同頻段信號接收、發(fā)射的需求。
5G手機(jī)所支持的頻段在4G LTE 66個的基礎(chǔ)上增加了50個，由于5G要全部向下兼容，全球2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)合計支持的頻段數(shù)量超過110個，因此，相對于4G手機(jī)，5G的射頻開關(guān)數(shù)量將在10個基礎(chǔ)上再提升50%，達(dá)到15個，而且，隨著技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展，未來這一數(shù)字還會進(jìn)一步增加。
另外，隨著封裝尺寸的減小，射頻前端呈現(xiàn)出模組化的趨勢，未來，射頻開關(guān)性能和單機(jī)價值量有望進(jìn)一步提升。
制程工藝
制造工藝層面，射頻開關(guān)主要分為兩種類型：機(jī)電式和固態(tài)射頻開關(guān)。固態(tài)開關(guān)使用半導(dǎo)體技術(shù)制造，例如硅或PIN二極管、場效應(yīng)晶體管 (FET) 和混合技術(shù)（即PIN二極管和場效應(yīng)晶體管的結(jié)合），并使用硅基基板構(gòu)建。
射頻開關(guān)制造工藝技術(shù)主要有CMOS、GaAs、RF SOI、RF MEMS，其中，RF SOI是主流技術(shù)，CMOS技術(shù)占據(jù)少量份額，GaAs已經(jīng)面臨淘汰。隨著射頻開關(guān)產(chǎn)品設(shè)計的不斷創(chuàng)新，RF MEMS技術(shù)更能滿足未來射頻系統(tǒng)多模多頻通信的需要，正成為業(yè)界布局的重點。
RF SOI是一種具有獨特的硅/絕緣層/硅三層結(jié)構(gòu)的硅基半導(dǎo)體工藝材料，它通過絕緣埋層(通常為SiO2)實現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離，在器件性能上具有諸多優(yōu)點，主要包括：減小了寄生電容，提高了運行速度，與體硅材料相比，SOI的運行速度提高了20%-35%；具有更低的功耗，由于減小了寄生電容，降低了漏電，SOI器件功耗可減小35%-70%；消除了閂鎖效應(yīng)；抑制了襯底的脈沖電流干擾，減少了錯誤的發(fā)生；與現(xiàn)有CMOS硅工藝兼容，可減少13%-20%的工序。
隨著RF SOI工藝的不斷改進(jìn)，這種射頻開關(guān)的性能也在穩(wěn)步提升。
RF SOI工藝可以滿足當(dāng)下的頻段及性能要求，但也遇到了一些新的挑戰(zhàn)。射頻開關(guān)本身包含場效應(yīng)晶體管(FET），F(xiàn)ET會受到不需要的溝道電阻和電容的影響，通常情況下，射頻開關(guān)中堆疊了10到14個FET，隨著FET數(shù)量的增加，器件可能會遇到插入損耗和電阻帶來的一系列問題。
另外，寄生電容也是一個問題，Skyworks（思佳訊）公司認(rèn)為，在射頻開關(guān)中，30％或更多的寄生電容來自于器件中的互連，互連包括金屬層或bonding線，這些也是RF SOI工藝存在的問題。目前，射頻開關(guān)的主流制造工藝是基于8英寸晶圓的180nm和130nm制程。許多互連層基于鋁材質(zhì)，鋁價格便宜，但具有較高的寄生電容，因此，銅被用于射頻開關(guān)中一些特定層，銅是更好的導(dǎo)體，并且電阻小于鋁。
近些年，RF SOI晶圓代工廠已經(jīng)從8英寸晶圓遷移到12英寸，制程節(jié)點也從130nm遷移到45nm。通常情況下，12英寸晶圓廠只使用銅互連，這樣，射頻開關(guān)制造商可以降低電容。不過，12英寸晶圓提高了制造成本，這就形成了一對矛盾關(guān)系，即成本敏感的手機(jī)OEM廠商需要射頻開關(guān)保持較低的價格，但射頻開關(guān)制造商和晶圓代工廠希望保持利潤。
與RF SOI相比，RF MEMS的一些優(yōu)秀特性就凸顯了出來，這為射頻開關(guān)拓寬了發(fā)展道路。
RF MEMS開關(guān)種類繁多，它們可以用不同的機(jī)制來驅(qū)動。由于具備功耗低、尺寸小的特性，靜電驅(qū)動常用于射頻MEMS開關(guān)設(shè)計。MEMS開關(guān)也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來控制打開或關(guān)閉。
RF MEMS能夠提供非常低的Ron(導(dǎo)通電阻)，這也意味著更低的insertion loss(插入損耗)。但RF MEMS還沒有實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，因為考慮到風(fēng)險，主流OEM廠商很難選擇新技術(shù)和小供應(yīng)商，除非與RF SOI相比，RF MEMS開關(guān)能提供極具吸引力的價格，且其可靠性和供貨穩(wěn)定性有足夠保障。
中國本土廠商崛起
2020年，全球射頻開關(guān)市場規(guī)模為20多億美金，中國市場至少占到50%。除了傳統(tǒng)分立式射頻開關(guān)，射頻前端模塊化的發(fā)展趨勢，使得越來越多的開關(guān)被集成進(jìn)模組，特別是手機(jī)PA模組，今后，PA模組里集成的開關(guān)會越來越多。這是國際大廠發(fā)展的方向，中國本土廠商也在快速跟進(jìn)。
目前，國際知名的射頻開關(guān)供應(yīng)商主要包括：Skyworks、Broadcom（博通）、Murata（村田）、卓勝微、韋爾股份等。
由于技術(shù)難度相對較低、射頻開關(guān)國產(chǎn)化率較高，卓勝微已經(jīng)占據(jù)了全球射頻開關(guān)（包含Switch和Tuner，分立式及模組中的開關(guān)）約15%市場份額，紫光展銳、昂瑞微、艾為、飛驤科技、唯捷創(chuàng)芯、韋爾股份、迦美信芯等廠商也具備開關(guān)生產(chǎn)能力，整體國產(chǎn)化率約為20%。但把開關(guān)作為主要產(chǎn)品的公司較少，如卓勝微、迦美信芯、韋爾股份（開關(guān)/LNA是公司射頻產(chǎn)品線的主要產(chǎn)品）、艾為電子（開關(guān)/LNA是公司射頻產(chǎn)品線的主要產(chǎn)品），其它廠商大多把開關(guān)作為副線產(chǎn)品。
之所以如此，卓勝微的強(qiáng)大是一個重要原因。其射頻開關(guān)毛利率超過50%，年銷售額超過50億元人民幣，是絕對的產(chǎn)業(yè)龍頭。
在市場需求的推動下，中國本土射頻開關(guān)廠商數(shù)量不斷增長，目前已超過15家。不過，除了卓勝微，分立式開關(guān)年銷售額超過1億元的公司還未出現(xiàn)。以小米為代表的OEM廠商，為它們供貨的中國本土射頻開關(guān)企業(yè)中，除了卓勝微，其它家拿到的份額都很小，目前來看，大客戶把卓勝微作為第一供應(yīng)商的策略不會變，剩余的部分由10多家公司瓜分。
卓勝微的射頻開關(guān)業(yè)績是在2017年開始快速增長的，在2015年之前，RDA、飛驤科技、唯捷創(chuàng)芯都已經(jīng)出貨射頻開關(guān)產(chǎn)品，直到今天，這些公司的射頻開關(guān)產(chǎn)品還在市場上推廣，但分立式射頻開關(guān)業(yè)務(wù)增長乏力。
綜上，在射頻開關(guān)領(lǐng)域，中國企業(yè)市占率較高。在這樣的基礎(chǔ)上，本土企業(yè)應(yīng)該再接再厲，對射頻前端中具有更高技術(shù)含量和利潤的芯片和模組加大投入力度，以期實現(xiàn)更高水平的發(fā)展。
