隨著無處不在的連接向汽車的擴展，RF-SOI作為可選的工藝技術之一，將繼續發揮重要作用，以確保低成本高可靠性的連接。
“一切設備都將走向移動和互聯”，汽車作為最為常見的“移動”設備，也是如此，車聯網勾勒出了宏大的愿景。
射頻前端作為所有通信設備的核心，也在用于汽車。全世界100%的智能手機都離不開的射頻絕緣體上硅 (RF-SOI) 襯底技術，已經把汽車作為了下一個“戰場”。
100%智能手機都用的半導體技術
成功在哪里？
智能手機融合了多樣化的功能，包括無線電發射和接收、數字處理、存儲、音頻、電池管理、攝像和顯示等，通過前端模塊能夠實現蜂窩電話和基站之間的射頻信號傳輸和接收。
如今，智能手機不僅要實現sub-6GHz、毫米波、WiFi 2.4GHz/5&6GHz、藍牙和UWB等無線協議的載波聚合（CA），而且5G、WiFi 6(E)、藍牙5.3/BLE等無線傳輸的數據吞吐量極大提升，對能耗也提出了更高要求。
從智能手機射頻前端的發展歷程來看，其集成度和價值量幾乎在成倍增加。國金證券數據顯示，從2G時代到5G的sub-6GHz，價值量從0.7美金增至32美金。同時，從2G時代PA，到3G時代的PA、濾波器及開關，再到4G時代頻段的大幅增加，濾波器、開關、Tx/Rx濾波器（BAW）等大幅增加，直至5G時代的頻段、濾波器、開關、Tx/Rx濾波器（BAW）等在4G基礎上成倍增加。
智能手機中的前端模塊：以超高頻率搭載數據
一個演變多年的技術趨勢是，每次通信時代更迭都對前端模塊的設備數量與性能提出更高的要求。手機射頻前端的芯片材料技術，已經由早前的體硅襯底轉向SOI（絕緣體上硅)，該襯底由薄的硅器件層、處理襯底，以及使器件層與處理襯底物理分隔并電隔離的薄掩埋氧化物(box)層構成。
回溯智能手機對高性能射頻的需求演變，約在2010年左右，RF-SOI初步用于開關和一些射頻前端控制器件中。
到了2016年，當時已經演進到了LTE、4G共存，出現了更多復雜的模塊、天線調諧器等，對于高性能開關的需求更加強烈。RF-SOI隨之被應用到越來越多的天線調諧器和開關中，特別是射頻前端開關、射頻前端控制等器件。
從2018年到現在，伴隨著5G的推進，手機需要更復雜的模塊和更高的集成度。由于5G使用不同的高頻頻段來實現高速數據傳輸，因此5G RF前端模塊所需的功率放大器、濾波器、開關、LNA和天線調諧器的需求量倍增。
對射頻前端來說，一個顯而易見的趨勢是集成化與模塊化。為了將不同材料、不同工藝的器件集成在一起，優化襯底和對應的模塊、測試封裝技術能夠實現兼容變得至關重要。
RF-SOI技術在保證有效和高效的頻譜利用方面起著至關重要的作用，它可以使5G和其他共存無線標準之間的互擾降到最低，最大程度地減少非線性干擾，如信號諧波的產生，保證射頻前端的正常工作。
由于RF-SOI能夠以更優的性價比實現更高的線性度和更低的插入損耗，可以帶來更快的數據速度、更長的電池壽命和頻率更穩定、流暢的通信質量。得益于RF-SOI技術的存在，不但使開關、PA、LNA、移相器、可變增益放大器（VGA）被完全集成在一起，還同時具有控制、偏置、內存和電源結合功能。
如今，接近100%的射頻開關基于RF-SOI或FD-SOI技術而開發；超過80%的集成低噪聲放大器基于RF-SOI開發，接近100%的天線調諧器都用到了SOI技術。
RF-SOI能否在汽車市場延續成功？
不斷演進的射頻前端技術已然支撐了移動通信的發展浪潮。下一步，面向汽車的無線通信需求、保障汽車的智慧連接，射頻前端核心技術又將發生哪些顛覆？
網聯汽車需要依賴多個系統和網絡：連接到云進行遠程信息處理(Telematics) ，需要通過蜂窩網絡和衛星4G LTE、5G、Wi-Fi等標準；連接到駕駛員/乘客實現信息娛樂(Infotainment)功能，需要通過 Wi-Fi、Bluetooth等標準；連接到環境，實現車聯萬物(Vehicle to Everything, V2X)，需要通過專用短程通信 (DSRC)、蜂窩車聯網 (C-V2X)、超寬帶 (UWB) 等標準。
就硬件方面而言，全車無線連接需要多個天線與射頻前端 (RFFE)。乘用車的天線常位于車頂，稱為鯊魚鰭天線。但隨著汽車美學的發展，集成在車身面板中的共形天線也越來越常見。但無論如何，天線都位于車輛表面附近，以避免汽車金屬車身產生的法拉第靜電屏蔽效應。此外，為了盡量減少可能損害發送/接收信息完整性的損耗和干擾，OEM大都選擇將射頻前端放置在盡可能靠近天線的位置。
與所有無線設備一樣，網聯汽車依賴多個射頻IC和射頻模塊來實現可靠的無線連接。大多數此類元件都包含在一個“盒子”中，通常稱為遠程信息處理盒(T-BOX)，也稱為遠程信息處理控制單元(TCU)。根據《面向智能化和可持續移動性的 RF-SOI 優化襯底》白皮書，TCU 中包含了用于傳感、定位以及數據存儲、處理與傳輸的功能模塊。在這些模塊中，網絡接入設備(NAD)中又包含了確保蜂窩網絡(4G LTE 或 5G)通信可靠與穩健所需的所有電路，射頻前端即涵蓋其中。
Soitec移動通信部門高級業務發展經理Luis Andia認為，汽車RFFE的設計正變得更加定制化，需要從一開始就考慮到汽車場景中相關的設計限制。
一個典型的應用場景比如緊急呼叫，發生事故時向應急響應團隊(救護車、消防員等)提供關鍵信息的系統，是汽車無線應急系統的關鍵組成之一。
發生事故時，無論車輛處于何種狀態，若要確保需傳輸的數據能夠找到通向工作TCU 天線的路徑，并聯系到應急響應小組，并不是一件容易的事，它要求射頻開關異常穩健。應急呼叫射頻開關應必須能夠在兼容蜂窩網絡的功率(達幾百毫瓦)下進行熱切換，并符合 ASIL A 標準。“使用RF-SOI帶來的優勢之一，是發生緊急事件時，你可以快速建立一個通信路徑，進行緊急服務溝通，RF-SOI能夠提供汽車所需的熱切換和可靠性”， Luis Andia表示。
除了通信之外，用于汽車雷達和其他駕駛輔助系統中的還有FD-SOI。這項技術可以與RF-SOI互為補充。在解決5G不同頻段共存的問題上，它們可以為射頻設計提供更多的靈活性。
據了解，FD-SOI目前主要用于40nm和20nm左右的光刻平臺。業界正在尋求在20nm、18nm、12nm等以下光刻技術平臺中使用FD-SOI，格芯和意法半導體在法國合建了新的晶圓廠，致力于提升FD-SOI的產能。
應對汽車射頻前端模塊化挑戰
汽車內部的通信系統越來越復雜，射頻前端模塊化成為一大趨勢。對于汽車來說，模塊化的主要挑戰是什么？
Luis Andia認為，汽車射頻前端模塊化主要面臨兩大挑戰。首先是溫度管理（thermal management）。由于模塊密度相對較高，并且裸片位置非常接近，例如，當功率放大器溫度升高時，并不希望這種溫升對相鄰裸片的性能產生降級影響（對于低噪聲放大器而言，它的噪聲系數可能會由于溫度變化上升），所以溫度管理是一個非常大的挑戰，Soitec也在著力解決這個問題。通過應用一些能量密度相對較高的材料，如RF-GaN幫助更有效地管理功率，從而最大限度地減少溫升。此外，也在為RF-SOI襯底開發新功能，以幫助保證高溫下的高線性度環境。
另一大挑戰則是干擾，例如相鄰碼片信號之間的串擾。干擾可能出現在射頻前端無源器件(傳輸線、電感等)或有源電路(晶體管、二極管等)的任一點。而采用富陷阱的 RF-SOI 優化襯底來構建大部分的射頻前端電路，無論干擾發生在何處，都將被最小化。
通過富陷阱層，能夠捕捉氧化埋層以及高電阻操作層中游離的寄生電荷（parasitic charge），從而保證襯底達到非常高的電阻率，實現較高的線性度。這不僅僅是為晶體管，也為其他無源器件提供了高線性度。
Luis Andia指出，高線性度能夠幫助實現Wi-Fi系統和蜂窩系統的共存，減少相鄰頻段的干擾。不管是數字信號還是模擬信號，即使是非常復雜的5G毫米波射頻前端，通過富陷阱層都能夠實現較好的隔離，從而防止信號串擾。
而RF-SOI之所以能夠獲得廣大市場，也正是因為它能夠保證非常高的信號線性度和信號完整性。對SOI+低電阻率晶圓、SOI+高電阻率晶圓、RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓這三類材料進行比較，可以發現RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓的信號失真度（distortion）最低、線性度最高。
此外，隨著系統越來越復雜，一項技術并不能解決所有問題，需要多項技術互為補充。例如RF-SOI、FD-SOI、RFeSI，同時還有用于濾波器的POI、用于大功率的RF-GaN優化襯底等共同應用，來最大限度地減少相鄰系統之間的干擾。
模塊化已經成為車身網絡接入設備的關鍵設計要素，它所提供的靈活性可滿足不同區域市場的需求，而將發射、接收和濾波功能集成在多個模塊中的射頻前端組件更具優勢，它們可以快速更換，以適應車輛所在的銷售區域，并滿足區域法規和當地用戶的偏好。
寫在最后
現代汽車對于連接性的需求和依賴程度與日俱增。目前的遠程通信不僅要使用蜂窩網絡，也非常依賴V2X的連接，還要使用專屬的近距離通信系統，包括Wi-Fi、藍牙等。
經過大規模制造驗證的RF-SOI襯底技術，促進了智能手機的普及。隨著無處不在的連接向汽車的擴展，RF-SOI作為可選的工藝技術之一，將繼續發揮重要作用，以確保低成本高可靠性的連接。
正如Luis Andia對汽車汽車市場應用前景的預測，幾種不同的射頻系統需要在內部共存，并且不能對彼此干擾，隨著汽車連接需求的顯著增加，汽車行業在輔助駕駛和信息娛樂等系統方面具有巨大的增長潛力。
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