可能很多读者对于RF-SOI工艺的应用广泛性还没有个明确的认知：前不久的上海RF-SOI论坛上，GlobalFoundries射频技术副总裁Julio Costa在主题演讲开篇就说，“在座的各位所用的手机中，我敢保证基本都有基于RF-SOI技术的芯片。”下面这张图展示了在一台5G手机的RF射频架构中，RF-SOI工艺的参与度——红框部分通常都采用RF-SOI工艺。
只看既有市场，Julio前两年就展示过iPhone 12 Pro Max手机之中用上了13个RF-SOI AT（Antenna Tuner, 天线协调器），占板面积20mm²——更高的天线效率意味着各方面效率的提升。而且很快这种以往高端手机才能用上的配置，会逐渐向低成本手机倾斜——表明RF-SOI即便在很多人看来已经趋近于饱和的手机市场，也依旧有不错的成长空间。
“我们2006、2007年刚刚开始做RF-SOI技术的时候，如果当时就给大家看这张图，然后说这会是未来我们能够做到的，我相信应该没人会相信。”事实上RF-SOI已经是个无处不在的技术了。所以上海硅产业集团股份有限公司常务副总裁李炜才在论坛开始时说，这个一年一度的活动已经从workshop（技术研讨会）升级为了forum（论坛），“明年该考虑是不是该换个更大的场地了”。
随RFFE（射频前端）市场规模本身就在以4.5% CAGR（2024-2030）的增速增长，Yole Group的数据还明确了RF-SOI的市场份额将在未来几年内持续增长；加上GlobalFoundries和Soitec这些RF-SOI产业链上的企业还在大力推动3DIC于RF-SOI工艺的应用，RF-SOI市场走向更加繁荣是完全可预期的。
这篇文章我们准备从RF-SOI市场现状及未来3DIC技术走向两个方面，来尝试呈现RF-SOI的现在和将来。
今非昔比的RF-SOI市场
Julio去年在论坛上就谈过，<6GHz频谱资源已经吃紧，走向更高频率是必然：不单是最初3GPP规划的sub-6GHz的FR1，和被称为毫米波的FR2，还在于7-24GHz的这部分所谓FR3。Julio说预计在2028年之后，FR3就会成为必需，“对我们来说的确是个甜点频段。因为从网络运营商的角度来看，这是已投入基础设施建设的自然演进。”
只不过为了迎接FR3的正式商用，“未来几年我们就要开始做各种工作了，包括技术演进所需、功率等级，需要解决哪些问题、继续保持对FR1的兼容性，还有FR2的支持等等...”上面这张图已经呈现了对于端侧RF射频前端而言，或者对于GlobalFoundries而言，FR3频段支持的需求：
包括该频段内提升开关FOM（品质因数）、更多数量的AT（天线协调器）、更好的LNA（低噪放大器）——尤其更宽的信道和更低的PDISS、高增益与效率的PA（功率放大器），以及对应的在限定系统容积之下更小的组件尺寸。“所有我们要做的就是提升速率，AI技术也会用于驱动这一切。”“我们需要共同想办法解决这些问题。”
但另一方面，即便只看手机市场，这对RF-SOI而言也是巨大的市场机会——据说单位设备之内对AT的需求翻倍甚至三倍也不足为奇。可见单从FR3频段未来，手机射频前端AT这一个应用的潜力角度，GlobalFoundries对RF-SOI就充满信心。那么RF-SOI的潜在市场具体有多大？我们尝试从两个角度来看这个问题：市场参与者+研究机构。
Soitec展示用于vivo X200 Pro手机之中的联发科MT6653AEZ——对手机市场了解的读者应该知道此系手机的市场普及度，虽然Soitec的这张图主要是为了表明当代旗舰手机上应用多种SOI技术对射频性能的正向价值；
从市场参与者的角度来看，GlobalFoundries没有提供更具体的产值与份额数字；但参与RF-SOI的企业中，有家foundry厂提供了更具体的数据。Tower Semiconductor中国区销售总监王敏在演讲中说，在Tower Semiconductor 2024年大约14亿美元的营收中，“RF-SOI的占比超过30%”，“我们可以算是非常专注RF-SOI的晶圆代工厂了。”
Tower针对包括RF开关、AT、LNA、PA在内的诸多前端组件，以及特别面向毫米波解决方案都提供RF-SOI工艺支持，“在锗硅（SiGe）和RF-SOI方向上，我们提供从低端到中高端的完整解决方案。”
Tower未来几年还准备投入11.5亿美金，扩展锗硅/硅光和300mm 功率/RF产能，虽然并不都针对RF-SOI，但明确了“在意大利（Agrate）和ST正合作一座12寸RF-SOI工厂，已经进入到量产阶段”——Tower的其他RF-SOI生产工厂布局还包括位于以色列、美国、日本等地的几处。
王敏表示，除了手机RF射频基本盘，现阶段Tower也看好RF-SOI在汽车电子之中的应用，“虽然相较手机，汽车在射频这部分的产值还相对较小，但我们已经在这部分做准备——几家工厂的对应工艺都已经通过了车规级认证。”“我们相信，未来汽车射频通信的产值会持续增加，无论是自动驾驶需求还是已经在谈的6G低延迟方案，所以我们在这块也在持续投入。”
射频与RF-SOI市场潜力一览
以上只是从foundry、有限市场参与者，以及在售应用产品的角度，给出了一些更可感知的RF-SOI市场现状数据。而要从更宏观的视角观察RF-SOI，市场研究机构的数据显然是更有价值的。Yole Group集团副总裁兼首席战略顾问黄茂原首先明确2030年的RFFE射频前端市场价值预计会达到697亿美元，相较2024年的513亿实现了4.5%的CAGR（年复合增长率）。
“仅是看频谱分布，就能看到各种各样的应用了。”涵盖电信、工业、医疗等不同垂直市场的各种类型的无线通信需求。其中移动与消费仍然是大头，2030年的市场价值占比仍然将近84%，通信与基础设施、汽车与移动出行、国防与航空航天、工业与医疗在RFFE射频前端市场的价值占比分别为6.3%、5.2%、3.2%、2.6%。
从论坛开场，中国移动通信有限公司研究院主任研究员江天明对于中国移动在5G-A基础设施及技术的布局上，都能看出运营商对无线通信技术的看好，则其微观层面的射频前端市场这些年也必然迎来高速发展。值得一提的是，黄茂原在演讲中还特别提到，工业市场的CAGR达到了8%，所以理论上RFFE射频前端市场总体4.5% CAGR仍有提升空间。
从RF射频封装器件的角度来看，2024年RFIC（包括Cellular、雷达&GPS收发器、Beamformer波束成形IC）、RF SoC（特指RFFE+收发器+基带modem的SoC）、RFFE分立器件、RFFE模组的市场价值占比分别为19%、31%、21%、29%。在谈了好几年高度集成为趋势的大背景下，这是个有些出乎我们意料、相对均衡的市场现状。
上图中右侧的饼图是不考虑封装、单纯从RF射频die的角度，2024年（内圈，总体450亿美元）与2030年（外圈，总体610亿美元）不同工艺的市场价值占比情况。这其中就有很多人关注的传统CMOS工艺与SOI工艺的份额数据。
虽说CMOS, FinFET工艺仍将是绝无争议的主流技术——毕竟这是个相当成熟且出货量庞大的生态，SOI在RF市场整体价值增长的基础上仍保持了市场份额的增长（14%→16%）——从Yole的判断来看，SOI吃掉的主要是锗硅、其他硅与化合物工艺的市场。注意这里的SOI应该并不单纯是指RF-SOI。
如果再深入到SOI市场内部，2024年64亿美元的产值中，76%来自于LNA和开关（switch）——虽然2030年，其占比会降低到66%，但仍是毫无争议的、SOI技术应用最大的器件类型；随后就是份额目前将近两成的AT，主要在移动与消费电子领域——只不过2030年Beamformer IC的份额将大幅提升，拿到与AT相似的价值占比。
所以黄茂原着重谈到毫米波波束成形的价值，及其市场增长的潜力，毕竟现在BFIC的市场价值份额不过3%。潜在应用市场涵盖了通信基础设施、移动与消费电子、卫星通信，“更不必提现在低空经济的发展，就需要对应的解决方案。”
基于应用市场看RF-SOI die市场增长情况，这张柱状图中的橙色部分为手机应用——虽说自2021年由于周期性波动及其自身走向饱和，看起来RF-SOI在手机市场拿下的市场价值2029年前后才有机会回到2021年的水平，但其他应用市场的走势却非常好——包括可穿戴、IoT、汽车等方向。
Yole在报告中明确提到Wi-Fi 7在networking系统（可能包括无线路由等类型的networking设备）、智能家居等领域的驱动力，当然还有前文提到的5G-A/6G的新频段、FR3等机会。这张图也真正明确了2024-2030年，RF-SOI市场的CAGR约4%。
从器件类型角度看驱动力，Yole认为对于LNA、开关与AT而言，RF-SOI已经高度成熟，很难再出现大幅增长；接下来正在发展中的机会可能出现在PA+LNA+开关方向。PPT中提到，其优势在于高集成度、更小的尺寸与更低的成本、出色的开关性能；但与此同时也面临PA性能可能不及锗硅、砷化镓，限定于低功耗应用场景。
另除开常规无线连接市场，“对通信市场而言，在7-12年内的6G会是个甜点，RF-SOI能够获得部分成长。”
技术路线：走向3DIC
在此基础上，RF-SOI的12寸晶圆也将有越来越大的市场占比，虽然即便到2030年>90nm的传统工艺市场需求仍旧旺盛，致8寸晶圆始终为主流，但从Yole的柱状图来看，2030年8寸与12寸RF-SOI晶圆的产量可能有机会达到6:4的比例。
着眼于当下，转向技术角度来看RF-SOI，Tower Semiconductor的主流RF-SOI工艺节点涵盖8寸晶圆的0.18μm、0.13μm，12寸晶圆的65nm与45nm。虽然Tower也没有给出不同工艺节点的产量情况，但王敏谈到其0.18μm节点“侧重于高压应用”，而65nm“针对小尺寸应用”，“我们会向45nm演进——尤其未来band走向更高频段的趋势下。”
上面这张图列出了Tower的主要RF-SOI工艺技术，纵坐标为作为FOM的Ron-Coff（导通电阻x关断电容）。“这20年间，8寸晶圆上，我们已经从第一代CS18QT1，走到了最新的第十代QT10；300mm晶圆部分，最新的是65nm的TPS65RSC。”
“最新这一代平台将Ron-Coff做到了大概60fs以下，这在业界是很具竞争力的”——据说新工艺也带来了更高的集成度，“可以做IoT射频前端的全集成”，基本印证了Yole在报告中所述的趋势。
在器件关键尺寸上更具代表性的参数如上图来自GlobalFoundries的当代RF-SOI开关器件所示——往届的公开主题演讲，应该都不曾给到如此详细的数据。比较有趣的是，Julio在解释这些数据时说，器件不同部分应用的属于“混合（hybrid）技术”。
“如果你要问究竟是90nm还是130nm，应该说这其实是不同工艺的混合，从40-130nm。”“我们将最低实现成本的解决方案组合到一起，来尝试解决问题。”这实际也符合当代半导体制造工艺技术演进的大趋势。
从相对传统的界定方式来看，GlobalFoundries于2018年发布的8SW SOI节点常被称作130nm工艺——只不过据说当时就已经引入了40nm节点的部分要素；而9SW SOI则实现了90nm数字电路，Ron-Coff <80fs。
就技术角度来看，关注RF-SOI产业的读者对上面这些应该是不会陌生的，那么下一步呢？2023年的RF-SOI论坛报道就提过GlobalFoundries预计下一代SOI会采用3D的解决方案。我们当时对此是持怀疑态度的，毕竟3DIC即便在主流工艺领域也都是新事物。
但没想到今年Julio真的将它端上了桌，节点名称9SW-Slate——“这是我们第一代3DIC RF技术”，“这是大家等了10+年的技术”。从示意图来看，是将两片9SW晶圆面对面（face-to-face）键和（bonding）。本文并不准备侧重谈9SW-Slate的实现方式及器件结构，有兴趣的读者可以去找一找GlobalFoundries已经发表的paper。这应该是RF射频领域首次实践3D堆叠。
其核心价值之一，自然在于大幅减少了die的占板面积。GlobalFoundries的数据是，3D方案的开关尺寸因此缩减了46%，与此同时和2D方案的性能基本保持一致（nearly identical）。
尤为值得一提的是，9SW-Slate的开发环境已经准备就绪，包括PDK和设计流程，“我们对此非常自豪——有了出色的设计平台才能做3D设计”。而且明年GlobalFoundries计划为设计流程引入AI技术，“能够读入你的2D设计，然后给出3D流程的建议，展示带来的密度收益等等”，相当于将2D设计自动转为3D设计，“希望明年我再来（论坛），能给大家介绍这款AI工具。”
是不是很意外GlobalFoundries已经把RF-SOI推到了这层高度？实际上，现场参与论坛的企业之中，Soitec也正准备推SOI工艺的3D技术，“和我们不同的合作伙伴一起，这项技术已经完成了。”Soitec移动通讯业务发展总监Luis Andia在技术介绍中说，其中一个合作伙伴是UMC（联华电子），去年就面向市场提供了RF-SOI 3DIC的衬底（substrate）——Soitec版的3DIC方案具体如上图所示。
最后值得一提的是，GlobalFoundries实际上还带来一则技术前瞻信息：如前年Julio在采访中说到的，GlobalFoundries要实践3DIC堆叠的，不仅限于上述方案：未来的“Slate计划”将包括22FDX + HBT（Heterojunction Bipolar Transistor, 异质结双极型晶体管），9SW + 130nm BCD，乃至RF-SOI + GaN——对应的目标应用如图所示。
“希望未来几年我会回到这里，再给大家汇报我们的工作进度，还是用相似的基础技术去进化。”虽然Julio没有详谈3D RFIC的量产情况，但已经明确“在出货”。
基于GlobalFoundries实践RF-SOI 3DIC的确是按点达成了——略有些出人意料，我们自然有理由相信上面这张计划表可能的确会在后续几年相继实现。而3DIC的量产无异于为RF-SOI带来了又一剂强心剂，我们认为有机会超出Yole对市场的预期，同时带来更具创新性的应用。
责编：Ricardo
