| 摘要：RFIC（射频集成电路）是90年代中期以来随着IC工艺改进而出现的一种新型器件。RFIC的技术基础主要包括：1）工作频率更高、尺寸更小的新器件研究；2）专用高频、高速电路设计技术；3）专用测试技术；4）高频封装技术。本文将从IC技术的角度对该领域近期出现的一些新动向进行简要的综述和分析。
器件的革新
CMOS出现之初速度较慢，RF电路多采用双极型器件。然而随着半导体工艺以摩尔定律飞速进步，MOS管的沟道长度大大缩小，其工作速度大为提高，功耗也大大下降，成为RFIC的一种经济性很好的平台。例如，Intel今年发布了CMOS Wi-Fi RFIC。
目前随着各芯片制造跨入90nm时代，CMOS电路已经可以工作在40GHz以上，甚至达到100GHz。这一进步可以实现数据率在100Mbit/s到1Gbit/s的无线通信芯片，服务于宽带无线通信系统和高数据率交换装置，如无线高速USB2.0接口。目前，Tiebout等人已报道了集成有LNA和混频器、PLL的RFIC样品，针对17.1GHz到17.3GHz的ISM频段应用；Tiebout还报道了注入闭锁分频器样品，其工作频率已经高达40GHz。CMOS技术的进步为低成本RFIC向高频段发展提供了可能，可以大大降低微波波段的RF装置的成本，因此该技术对传统上微波频段占据统治地位的GaAs技术构成了挑战。
化合物半导体方面，GaAs是目前的技术主流，但进入21世纪以来，Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体，如GaN、AIN、InN等，受到了人们的关注。这些材料的电子饱和速度很高，工作频率可以到亚毫米波和准光波、光波频段，可望用于需要大功率、高速、高温工作的应用。另外，SiC也是一种耐高温和可承受大功率的半导体材料。目前，这些化会物半导体材料在单晶衬底制备、加工工艺等方面存在一定的困难，一般以单个器件为主，相应的IC在成本上与硅基CMOS工艺相比没有优势。预计在今年和明年初，相应的加工技术将获得大的突破，届时将进入大规模产业化阶段。
SiGe材料是近年来广受重视的材料，它的出现使得人们可以将在化合物半导体异质结器件中广泛运用的能带工程理论运用于硅基器件。在硅双极晶体管和MOS工艺基础上通过将常规Si基区用GeSi合金应变层替代等办法可以制成SiGe HBT（异质结晶体管）和应变沟道PMOSFET等，其工艺成本低，且与现有工艺兼容性好。SiGeHBT主要得益于SiGe/Si异质结价带边的失配，器件的电流增益与SiGe/Si价带边差呈现指数关系，这样基区可以有很高的掺杂浓度，器件的噪声系数相应得以降低。此外，也由于带边效应，电流增益具有负温度系数，对电流增益有自抑制作用，器件工作相对稳定，具有优良的热性能和功率性能。目前，SiGe HBT的fT超过200GHz，2GHz下噪声系数小于0.5dB，不但可用于移动通信，并完全可满足局域网和光纤通信的要求。SiGe技术已经实现了几乎所有的无线通信单一功能电路，其最佳的应用领域是无线通信手机（特别是3G手机）的射频前端芯片及功率放大器模块，其它应用领域包括无线接入、卫星通信、GPS定位导航、有线通信（千兆以太网、SONET/SDH等）、汽车雷达、智能电子收费系统乃至军事通信。SiGe的崛起将大大改变传统的Si、GaAs的市场分划。预计2005年SiGe RFIC将达19亿美元。另外，利用InP材料也可以制成HBT。
IBM公司是SiGe技术的主要开拓者，它为Alcatel、Intersil、Nortel等许多公司提供SiGe芯片制造服务，还与Siemens、RF MicroDevices等公司联合开发SiGe芯片。其主流工艺技术是在8英寸晶圆片上工业化的SiGeBiCMOS 5HP工艺。其它拥有SiGe HBT技术的公司有Freescale、Maxim、Lucent、ST、Infineon、Philips等。
集成度的变革―RF SoC
SoC（系统芯片）是近几年国际半导体业发展的热点，也是未来半导体业发展方向。
随着IC工艺达到并跨越90nm节点，芯片上单个MOS器件的工作频率已经可以上升到微波、毫米波频段，因此，可以将RF前端与数字基带部分集成起来制成RF SoC。这一新概念产品将大大减少整个通信系统中的器件数量，从而降低产品成本，减小其体积并提高功能度，同时提高可靠性。这一技术的推广有望引起产业链的变革。目前Agilent、IBM、STMicroelectronic、Frees cale等公司都在研发RF SoC产品，有望于明年投放市场。
RF SoC的工艺平台可以是CMOS、SiGe等。目前在试验室中已经可以用CMOS技术实现毫米波电路。如果进一步采用SOI（Sion-Insulator，绝缘体硅）、SoN（Sion-Nothing，悬空硅）等新型衬底技术，则由于这些衬底中带有高电阻的埋氧层，可保证射频损耗小和器件的高速工作，而且射频部分与基带部分的串扰小，另外，设计者可以将nMOSFET与SiGe HBT通过BiCMOS工艺平台结合起来，利用两种的高速性能，实现低压、低功率的30-80GHz范围内的毫米波芯片。目前该技术已经推出了样品。RF SoC在商业上的成功与普通SoC一样，取决于是否能保证很短的转向时间、很低的成本和很好的IP或设计库复用。
新设计技术
与其他IC一样，RFIC设计在商业上的成败在于其设计周期和上市时间。因此，研发者选用的设计与验证工具，应该保证设计的优化和可测性、可靠性，并减少甚至消除流片验证的必要。设计软件必须包括Top-Down（自顶向下）的各层次的设计与验证模块，而且能让设计者在各个流程和模块之间自由交换设计数据和仿真结果，协调设计数据的同步更新，直到最后签发设计文件为止；设计软件还应该与测试系统接口，以便利用测试数据来修正原有的设计。目前有代表性的设计软件包括：Agilent的ADS，Applied Wave Research公司的Microwave Office和Analog Office等软件工具。它们一般具有友好的设计界面，灵活、开放的架构，具有从综合到版图设计等不同层次的设计模块，支持第3方设计、测试软件，带有使用方便的物理设计工具和模型提取工具。
其中Ansoft公司推出了具有数据输入和可视化功能以及时间、频率、混合模式仿真的Ansoft Designer。在系统级仿真时，除了其射频与DSP元件库以外，Ansoft Designer支持编译型和解释型C和C＋＋用户自定义模型的联合仿真，以及Mathworks公司的Matlab联合仿真。电路仿真求解包括为获得非线性噪声、瞬态、数字调制、非线性稳定性以及负载与信源拉升而进行的分析。它还具有适用于滤波器和传输线的设计综合功能。该产品包括一个布局与制造模块以及一个3D平面电磁仿真引擎。
不过，RFIC在本质上是模拟的，其设计往往必需充分利用有源/无源器件的性能，目前仍受到器件模型不准确、噪声和非线性等问题的困扰，目前这些软件要能像数字电路仿真软件那样具有极高的仿真效率，还有较长的一段路要走。
随着RF SoC概念日益走向应用，设计者也将越来越多地面对RF、模拟和数字混合信号电路的设计问题。在频率域中对数字电路块的仿真是毫无意义的，模拟部分的设计也不同于射频部分，因此各种设计方法之间常常会不匹配。设计师几乎总是在时间域中进行数字设计，而在频率域中进行射频设计（为了提高仿真速度）。把两种类型的设计集成在同一块芯片上，可能意味着整个芯片的仿真时间会拉长到不现实的地步。在模拟电路设计中，现在人们已经努力实现了某种程度的Top-Down综合能力和IP的复用，但在射频部分的设计中，人们仍然以分析为主，而且这种分析必须包括有源和无源器件，要实现RF设计的综合似乎还遥遥无期。设计者们需要一种能同时处理高速数字电路、模拟电路和RF电路的工具。
RF SoC是一个小系统，人们必须从系统的观点来观察和分析，因此在设计时，必须考虑到数字、模拟和RF电路集成到单块衬底上带来的问题，包括：集成天线和无源器件的仿真和参数提取，VCO的牵引问题，衬底的建模和信号通过衬底的耦合，快速的系统级仿真等。上述关于RF SoC的问题将是下一步RF IC电路设计的重点和难点。
随着计算机计算能力的飞速发展，电磁仿真的速度、可以处理的问题的规模以及计算精度也不断得到提高。因此未来基于CEM（计算电磁学）的仿真方法也将日益渗透到RF IC的设计中，各种全波仿真方法（如矩量法和有限元方法）从物理上保证电路实体结构（特别是连接器、平面传输线、不连续点和无源元件）的电磁特性的获得。它们的运用将是RF IC精度提高的根本保证，各CAD工具厂商已经在努力将基于CEM的方法融入RFIC仿真中。用户还可以使用Agilent Momentum（一种基于矩量法的2.5D仿真技术），生成片上无源元件和互连线路的基于电磁场的精确模型。你可以直接在Cadence电路原理图中仿真这些基于电磁波的模型，而不必进行通常的转换来近似集总元件模型，从而使无线和高速有线设备获得更高的精确度。Momentum电磁建模和验证功能也是现有阻容提取工具的一种协作工具。它有助于关键的设计网络获得所需的建模精确度，而这些网络出现的故障可能会损害整个流程的运行。明年或者后年将很有可能出现能对各种RF模块中任意功能单元的无源部分进行仿真的CAD软件。
MEMS与RFIC
MEMS（微机电系统）是指将传感器、执行器和控制电路集成在芯片上的微型机电系统。目前基于该技术的各种传感器和检测芯片已经成熟。在RF领域中，MEMS麦克风、指纹识别等微型传感器已经或者即将用于手机、PDA等移动数码装置。MEMS还可以直接处理RF信号，制作出RF芯片或者在RF芯片上加工出某些无源器件结构，这些器件和结构被称为RF MEMS，它们将是RF IC未来发展的一种重要方向。
目前RF MEMS可以在RF IC衬底上制造电感、可调电容、开关、移相器、机电谐振器、可调谐滤波器等，这些无源器件的射频损耗远远小于常规RF IC（从低频直到40GHz，其射频插损均小于0.1dB），直流功耗小，非线性小，参数调节范围宽，Q值高。这些器件还可以与RF有源器件集成在一个衬底上，极大地提高电路的整体性能和集成度，在很多方面对传统的分立的和片上的射频无源器件构成了挑战。目前MEMtronics（www.memtronics.com）等公司已经推出了性能优良、可靠性好的开关、移相器等产品，它们可望用于相控阵、智能局域网天线等场合。可以预计，在不远的将来，RFMEMS器件将渗透到各种RF IC中，成为RF IC的一个有机组成部分，大大提高其性能，是一种不可忽视的技术。
测试技术
RF SOC的出现，意味着在更小的空间内将安排更多的电路和配置更多的引脚。多引脚器件要求更多的测试通道来保持足够的速度和吞吐量，同时还要求在有限的生产空间内提高测试系统密度。这些因素推动了测试技术向其极限发展。此外，为了避免不合格产品成为减少生产成本的沉重负担，制造商转而采用更多的预先测试，以便在生产过程中尽早淘汰掉不合格的部件。但令人遗憾的是，生产线上使用的“大机柜式”功能测试系统通常并非是在生产初期进行部件和射频电路的设计技术。
工程师们正在把射频电路与模拟及数字电路集成在一起。一方面Gbit/s的数据速率正在使数字电路像微波电路那样工作。不断推出而且日益复杂的无线通信标准，如Wi-Fi 802.11a/b/g、超宽带和蓝牙标准，都要求设计师去评估其设计对系统整体性能的影响。另一方面，各种信号在各引脚上可能会混合在一起传输，而且各引脚间的信号将通过衬底等发生申扰，带来噪声方面的问题。
因此，今后只有那些综合具备了RF、模拟、数字、嵌入式存储和扫描能力而且能与片上探针台接口的ATE（自动测试设备）才是各厂商的首选。能提供此类设备的厂商有Agilent、Teradyne、LTX和Credence等。另外还需要考虑的是片上探针台的结构和品质，以及校准的方便与否。
此外，测试工作应该与设计工作很好地结合起来，作为反馈介入设计流程。Agilent ConnectionMananer与各种RFDE无线测试基准一起使用，以便把数据从RFDE下载到测试仪器，所以，设计师可以在开发周期的较早时候进行系统验证。这将是未来测试系统、软件的重要的发展方向。
结语
在RF事业飞速发展的今天，RF IC技术正不断取得若干令人瞩目的、可喜的进展，各种无线电装置也早已脱下了过去笨重的外壳，而变得“更小、更快、更强”。RFIC的研发与测试工程师认真关注着这些发展动向，努力跟上技术的潮流并推动技术的进步。正是他们的努力，使得RF技术呈现千帆竞渡的宏伟景象，保证我们能够不断享受到信息社会中越来越方便的种种信息服务。
|
