RFIC

RFIC的技術基礎主要包括：1、工作頻率更高、尺寸更小的新器件研究；2、專用高頻、高速電路設計技術；3、專用測試技術；4、高頻封裝技術。本文將從IC技術的角度對該領域21世紀初出現的一些新動向進行簡要的綜述和分析。

CMOS出現之初速度較慢，RF電路多採用雙極型器件。然而隨著半導體工藝以摩爾定律飛速進步，MOS管的溝道長度大大縮小，其工作速度大為提高，功耗也大大下降，成為RFIC的一種經濟性很好的平台。例如，Intel21世紀發布了CMOS Wi-Fi RFIC。 21世紀隨著各晶元製造跨入90nm時代，CMOS電路已經可以工作在40GHz以上，甚至達到100GHz。這一進步可以實現數據率在100Mbit/s到1Gbit/s的無線通信晶元，服務於寬頻無線通信系統和高數據率交換裝置，如無線高速USB2.0介面。21世紀，Tiebout等人已報道了集成有LNA和混頻器、PLL的RFIC樣品，針對17.1GHz到17.3GHz的ISM頻段應用；Tiebout還報道了注入閉鎖分頻器樣品，其工作頻率已經高達40GHz。CMOS技術的進步為低成本RFIC向高頻段發展提供了可能，可以大大降低微波波段的RF裝置的成本，因此該技術對傳統上微波頻段佔據統治地位的GaAs技術構成了挑戰。化合物半導體方面，GaAs是21世紀的技術主流，但進入21世紀以來，Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體，如GaN、AIN、InN等，受到了人們的關注。這些材料的電子飽和速度很高，工作頻率可以到亞毫米波和准光波、光波頻段，可望用於需要大功率、高速、高溫工作的應用。另外，SiC也是一種耐高溫和可承受大功率的半導體材料。21世紀，這些化會物半導體材料在單晶襯底製備、加工工藝等方面存在一定的困難，一般以單個器件為主，相應的IC在成本上與硅基CMOS工藝相比沒有優勢。預計在2012年後，相應的加工技術將獲得大的突破，屆時將進入大規模產業化階段。 SiGe材料是21世紀廣受重視的材料，它的出現使得人們可以將在化合物半導體異質結器件中廣泛運用的能帶工程理論運用於硅基器件。在硅雙極晶體管和MOS工藝基礎上通過將常規Si基區用GeSi合金應變層替代等辦法可以製成SiGe HBT（異質結晶體管）和應變溝道PMOSFET等，其工藝成本低，且與現有工藝兼容性好。SiGeHBT主要得益於SiGe/Si異質結價帶邊的失配，器件的電流增益與SiGe/Si價帶邊差呈現指數關係，這樣基區可以有很高的摻雜濃度，器件的雜訊係數相應得以降低。此外，也由於帶邊效應，電流增益具有負溫度係數，對電流增益有自抑制作用，器件工作相對穩定，具有優良的熱性能和功率性能。21世紀，SiGe HBT的fT超過200GHz，2GHz下雜訊係數小於0.5dB，不但可用於移動通信，並完全可滿足區域網和光纖通信的要求。SiGe技術已經實現了幾乎所有的無線通信單一功能電路，其最佳的應用領域是無線通信手機（特別是3G手機）的射頻前端晶元及功率放大器模塊，其它應用領域包括無線接入、衛星通信、GPS定位導航、有線通信（千兆乙太網、SONET/SDH等）、汽車雷達、智能電子收費系統乃至軍事通信。SiGe的崛起將大大改變傳統的Si、GaAs的市場分划。預計2005年SiGe RFIC將達19億美元。另外，利用InP材料也可以製成HBT。 IBM公司是SiGe技術的主要開拓者，它為Alcatel、Intersil、Nortel等許多公司提供SiGe晶元製造服務，還與Siemens、RF MicroDevices等公司聯合開發SiGe晶元。其主流工藝技術是在8英寸晶圓片上工業化的SiGeBiCMOS 5HP工藝。其它擁有SiGe HBT技術的公司有Freescale、Maxim、Lucent、ST、Infineon、Philips等。

SoC（系統晶元）是近幾年國際半導體業發展的熱點，也是未來半導體業發展方向。隨著IC工藝達到並跨越90nm節點，晶元上單個MOS器件的工作頻率已經可以上升到微波、毫米波頻段，因此，可以將RF前端與數字基帶部分集成起來製成RF SoC。這一新概念產品將大大減少整個通信系統中的器件數量，從而降低產品成本，減小其體積並提高功能度，同時提高可靠性。這一技術的推廣有望引起產業鏈的變革。21世紀Agilent、IBM、STMicroelectronic、Frees cale等公司都在研發RF SoC產品，有望於2013年投放市場。 RF SoC的工藝平台可以是CMOS、SiGe等。21世紀時，在試驗室中已經可以用CMOS技術實現毫米波電路。如果進一步採用SOI（Sion-Insulator，絕緣體硅）、SoN（Sion-Nothing，懸空硅）等新型襯底技術，則由於這些襯底中帶有高電阻的埋氧層，可保證射頻損耗小和器件的高速工作，而且射頻部分與基帶部分的串擾小，另外，設計者可以將nMOSFET與SiGe HBT通過BiCMOS工藝平台結合起來，利用兩種的高速性能，實現低壓、低功率的30-80GHz範圍內的毫米波晶元。21世紀該技術已經推出了樣品。RF SoC在商業上的成功與普通SoC一樣，取決於是否能保證很短的轉向時間、很低的成本和很好的IP或設計庫復用。

與其他IC一樣，RFIC設計在商業上的成敗在於其設計周期和上市時間。因此，研發者選用的設計與驗證工具，應該保證設計的優化和可測性、可靠性，並減少甚至消除流片驗證的必要。設計軟體必須包括Top-Down（自頂向下）的各層次的設計與驗證模塊，而且能讓設計者在各個流程和模塊之間自由交換設計數據和模擬結果，協調設計數據的同步更新，直到最後簽發設計文件為止；設計軟體還應該與測試系統介面，以便利用測試數據來修正原有的設計。目前有代表性的設計軟體包括：Agilent的ADS，Applied Wave Research公司的Microwave Office和Analog Office等軟體工具。它們一般具有友好的設計界面，靈活、開放的架構，具有從綜合到版圖設計等不同層次的設計模塊，支持第3方設計、測試軟體，帶有使用方便的物理設計工具和模型提取工具。其中Ansoft公司推出了具有數據輸入和可視化功能以及時間、頻率、混合模式模擬的Ansoft Designer。在系統級模擬時，除了其射頻與DSP元件庫以外，Ansoft Designer支持編譯型和解釋型C和C++用戶自定義模型的聯合模擬，以及Mathworks公司的Matlab聯合模擬。電路模擬求解包括為獲得非線性雜訊、瞬態、數字調製、非線性穩定性以及負載與信源拉升而進行的分析。它還具有適用於濾波器和傳輸線的設計綜合功能。該產品包括一個布局與製造模塊以及一個3D平面電磁模擬引擎。不過，RFIC在本質上是模擬的，其設計往往必需充分利用有源/無源器件的性能，21世紀時仍受到器件模型不準確、雜訊和非線性等問題的困擾，21世紀時這些軟體要能像數字電路模擬軟體那樣具有極高的模擬效率，還有較長的一段路要走。隨著RF SoC概念日益走嚮應用，設計者也將越來越多地面對RF、模擬和數字混合信號電路的設計問題。在頻率域中對數字電路塊的模擬是毫無意義的，模擬部分的設計也不同於射頻部分，因此各種設計方法之間常常會不匹配。設計師幾乎總是在時間域中進行數字設計，而在頻率域中進行射頻設計（為了提高模擬速度）。把兩種類型的設計集成在同一塊晶元上，可能意味著整個晶元的模擬時間會拉長到不現實的地步。在模擬電路設計中，21世紀時人們已經努力實現了某種程度的Top-Down綜合能力和IP的復用，但在射頻部分的設計中，人們仍然以分析為主，而且這種分析必須包括有源和無源器件，要實現RF設計的綜合似乎還遙遙無期。設計者們需要一種能同時處理高速數字電路、模擬電路和RF電路的工具。 RF SoC是一個小系統，人們必須從系統的觀點來觀察和分析，因此在設計時，必須考慮到數字、模擬和RF電路集成到單塊襯底上帶來的問題，包括：集成天線和無源器件的模擬和參數提取，VCO的牽引問題，襯底的建模和信號通過襯底的耦合，快速的系統級模擬等。上述關於RF SoC的問題將是下一步RF IC電路設計的重點和難點。隨著計算機計算能力的飛速發展，電磁模擬的速度、可以處理的問題的規模以及計算精度也不斷得到提高。因此未來基於CEM（計算電磁學）的模擬方法也將日益滲透到RF IC的設計中，各種全波模擬方法（如矩量法和有限元方法）從物理上保證電路實體結構（特別是連接器、平面傳輸線、不連續點和無源元件）的電磁特性的獲得。它們的運用將是RF IC精度提高的根本保證，各CAD工具廠商已經在努力將基於CEM的方法融入RFIC模擬中。用戶還可以使用Agilent Momentum（一種基於矩量法的2.5D模擬技術），生成片上無源元件和互連線路的基於電磁場的精確模型。你可以直接在Cadence電路原理圖中模擬這些基於電磁波的模型，而不必進行通常的轉換來近似集總元件模型，從而使無線和高速有線設備獲得更高的精確度。Momentum電磁建模和驗證功能也是現有阻容提取工具的一種協作工具。它有助於關鍵的設計網路獲得所需的建模精確度，而這些網路出現的故障可能會損害整個流程的運行。2013年後將很有可能出現能對各種RF模塊中任意功能單元的無源部分進行模擬的CAD軟體。

MEMS（微機電系統）是指將感測器、執行器和控制電路集成在晶元上的微型機電系統。21世紀基於該技術的各種感測器和檢測晶元已經成熟。在RF領域中，MEMS麥克風、指紋識別等微型感測器已經或者即將用於手機、PDA等移動數碼裝置。MEMS還可以直接處理RF信號，製作出RF晶元或者在RF晶元上加工出某些無源器件結構，這些器件和結構被稱為RF MEMS，它們將是RF IC未來發展的一種重要方向。 21世紀RF MEMS可以在RF IC襯底上製造電感、可調電容、開關、移相器、機電諧振器、可調諧濾波器等，這些無源器件的射頻損耗遠遠小於常規RF IC（從低頻直到40GHz，其射頻插損均小於0.1dB），直流功耗小，非線性小，參數調節範圍寬，Q值高。這些器件還可以與RF有源器件集成在一個襯底上，極大地提高電路的整體性能和集成度，在很多方面對傳統的分立的和片上的射頻無源器件構成了挑戰。

21世紀MEMtronics等公司已經推出了性能優良、可靠性好的開關、移相器等產品，它們可望用於相控陣、智能區域網天線等場合。可以預計，在不遠的將來，RFMEMS器件將滲透到各種RFIC中，成為RFIC的一個有機組成部分，大大提高其性能，是一種不可忽視的技術。

RF SOC的出現，意味著在更小的空間內將安排更多的電路和配置更多的引腳。多引腳器件要求更多的測試通道來保持足夠的速度和吞吐量，同時還要求在有限的生產空間內提高測試系統密度。這些因素推動了測試技術向其極限發展。此外，為了避免不合格產品成為減少生產成本的沉重負擔，製造商轉而採用更多的預先測試，以便在生產過程中儘早淘汰掉不合格的部件。但令人遺憾的是，生產線上使用的“大機櫃式”功能測試系統通常並非是在生產初期進行部件和射頻電路的設計技術。工程師們正在把射頻電路與模擬及數字電路集成在一起。一方面Gbit/s的數據速率正在使數字電路像微波電路那樣工作。不斷推出而且日益複雜的無線通信標準，如Wi-Fi 802.11a/b/g、超寬頻和藍牙標準，都要求設計師去評估其設計對系統整體性能的影響。另一方面，各種信號在各引腳上可能會混合在一起傳輸，而且各引腳間的信號將通過襯底等發生串擾，帶來雜訊方面的問題。因此，今後只有那些綜合具備了RF、模擬、數字、嵌入式存儲和掃描能力而且能與片上探針台介面的ATE（自動測試設備）才是各廠商的首選。能提供此類設備的廠商有Agilent、Teradyne、LTX和Credence等。另外還需要考慮的是片上探針台的結構和品質，以及校準的方便與否。

此外，測試工作應該與設計工作很好地結合起來，作為反饋介入設計流程。Agilent ConnectionMananer與各種RFDE無線測試基準一起使用，以便把數據從RFDE下載到測試儀器，所以，設計師可以在開發周期的較早時候進行系統驗證。這將是未來測試系統、軟體的重要的發展方向。

在RF事業飛速發展的今天，RF IC技術正不斷取得若干令人矚目的、可喜的進展，各種無線電裝置也早已脫下了過去笨重的外殼，而變得“更小、更快、更強”。RFIC的研發與測試工程師認真關注著這些發展動向，努力跟上技術的潮流並推動技術的進步。正是他們的努力，使得RF技術呈現千帆競渡的宏偉景象，保證我們能夠不斷享受到信息社會中越來越方便的種種信息服務。