【无线射频芯片】-CMOS PA陷入成本和性能两难“单芯片手机”梦受阻

1/1CMOSPA陷入成本和性能两难，“单芯片手机”梦受阻在基带、电源管理和射频收发等关键器件相继被CMOS工艺集成后，采纳砷化镓工艺的功率放大器（PA），成为CMOS工艺通向真正的“单芯片手机”的最终堡垒。多家初创公司始终致力用CMOSPA替代砷化镓PA，其中AXIOM已经在2G手机上实现了千万级的出货量，而Javelin也宣称今年6月份将量产CMOS工艺的3GPA。但和初创公司的高调相比，RFMD、Anadigics和英飞凌等现有供应商仍对CMOSPA持怀疑态度，认为CMOSPA很难在成本和性能上取得平衡，即使是收购了AXIOM的Skyworks也认为CMOSPA在3G和4G等高端应用市场空间有限。而SiGe半导体等公司则在走中间路线，认为取代砷化镓功放的将是SiGeBiCOMS工艺，而不是CMOS工艺。

成本和性能难以平衡，CMOSPA限于2G市场

众所周知，由于符合摩尔定律，CMOS工艺的优势是低成本、低功耗和高集成度等，从某种意义上来说，半导体技术进展的历史就是CMOS工艺进步的历史。Javelin公司的CEOBradFluke表示：“历史证明，一旦可以基本满意某项应用所需的性能，那么在和其它工艺的竞争中，CMOS工艺总是成功者。”

问题是，目前CMOSPA仍旧难以在成本和性能间取得平衡，CMOSPA既达不到砷化镓功放的性能，成本优势也并非肯定。

一方面，虽然CMOS晶圆比砷化镓晶圆廉价许多，但CMOS功放的面积比砷化镓功放大，最终单个器件的成本优势并不像想象的那么明显。目前6英寸GaAs晶圆可以产出大约为5,000～10,000片功放，而8英寸硅晶圆可以产出的功放数量要比这个数目少的多。这是由于CMOS器件本身的特性打算的。RFMD公司的专家表示：“在CMOS器件中，电流是沿着晶片表面横向流淌的水平电流，而砷化镓HBT工艺器件，电流流淌是纵向流淌的垂直电流。所以砷化镓功放可以做到比CMOS功放小50%到70%。”

另一方面，从功放应用看，相对于CMOS器件，砷化镓器件有物理材料上的优势。虽然CMOS器件这方面的缺陷可以用更简单的设计来弥补，但是这样一来，会大幅提高成本。比如绝缘硅(SOI)技术在射频领域中的应用。相比体硅基板上的CMOS晶体管，SOI技术提升了电子迁移率，有助于缓解大功率、高效率CMOS功放制造中的一些问题。但CMOSSOI晶圆的成本远远高于常见模拟/混合信号CMOS工艺技术的成本。因此在3G/4G应用中，CMOS的成本优势会更小，由于更高性能要求采纳更简单、昂贵的架构设计。

对此，深圳广迪克科技有限公司总经理徐杰表示：“假如采纳同样的工艺节点，CMOSPA能应用的频率比砷化镓PA要低得多。”作为新兴的射频PA供应商，广迪克的砷化镓PA已经开头大量出货，据称在效率、最高功率等方面都达到了国际同类产品的水平。为了把握PA的技术进展趋势，2023年末徐杰专程前往美国考察CMOSPA技术进展状况，得出的结论是近期CMOSPA不会成为主流，因此更坚决了开发砷化镓PA的决心。

因此，在2G手机等低端应用中，由于对线性度、频率、击穿电压、峰值电流、效率的要求相对较低，不需要CMOSPA采纳太过简单、昂贵的设计，由于成本优势，将来CMOSPA的市场份额可能持续扩大，但在3G/4G等高端应用中，受限于性能和简单设计的成本提升,CMOSPA近期不会大规模取代砷化镓功放。

图：2023年全球砷化镓PA供应商排名

这从Skyworks已经售出总量超过2,500万颗的GPRS应用CMOS功放中就可见一斑。Skyworks的市场总监Thomas表示：“在对性能不非常苛求的市场领域，CMOSPA的合理成本已经使其在GPRS应用上极具竞争力，成为GaAs功放的替代产品，我们信任，这种趋势还将持续下去。”

但Thomas也坦承，在3G/4G应用上，砷化镓依旧具有显著的性能优势，CMOS的成本优势也不再明显，因此在这些无线技术领域，CMOSPA的市场占有率不会有大幅提升。

例如在WCDMA应用中，大电流持续时间较长，电流达到400-500mA，而目前2G应用中的CMOS功放，电流超过300mA就无法承受。当然可以通过更简单的架构设计提高CMOS功放的性能，但简单的设计意味着更高的价格。

这些性能挑战是由CMOS晶体管本身的物理结构所打算的。对于CMOS功放，要提高效率，需要较小的晶体管；而要增大功率，又需要较大的晶体管，这是一个难以调和的冲突。SiGe公司亚太区市场总监高国洪表示：“CMOS功放由于输出阻抗极低，又很难建立50欧姆负载的带宽匹配，因此CMOS功放输出级的“稳健性”(耐受天线阻抗大幅转变的力量)不太好。为了增加互联网接入力量，增加使用iPhone等智能电话时的多媒体性能，手机网络不断提高工作频率和带宽，CMOS功放因此面临着越来越严峻的挑战。”

CMOS带来的“单芯片手机”幻想和现实

随着CMOSPA开头商用，将PA和同样采纳CMOS工艺的基带、RF和电源管理芯片集成在一起形成真正意义上的“单芯片手机”，是业界很自然的想法，也是PACMOS化的革命性意义所在。然而，现实是，，由于对功放和基带芯片的性能要求不同，采纳的工艺节点不同，目前来看，将它们集成在一起的可能性不大。

设计功放，器件击穿电压是一个特别重要的指标。RFMD的专家表示：“对于功放，需要高击穿电压，这需要CMOS有长栅极。但是对于小信号或者基带芯片，栅极长度越来越小。CMOS功放和小信号以及基带芯片要求的硅技术是不一样的，集成在一起很困难。”

现有CMOS功放的技术节点在90nm或130nm，这就给集成CMOS功放设定了一个硬性限制，当射频收发器、基带芯片或芯片组向65nm或32nm演进时，将不得不重建功放架构。此外，正常状况下，若器件向更小的集合尺寸进展，成本会随之降低，而计算速度会进一步提升。但假如集成时要迁就90nm工艺的CMOS功放，基带芯片等的成本降低和计算速度提升就会受到限制。高国洪也表示：“把CMOS功放与RF收发器和数字基带功能一起集成在相同的芯片上，这样做的价值实际上特别小。”Thomas甚至表示：“从芯片成品率的角度考虑，将不同工艺节点的组件集成会带来更多的成本。”

SiCMOS工艺：通往硅PA的现实路线?

硅基功放包括BiCMOS和CMOS器件，使用SiGeBiCMOS工艺的功放既具备接近砷化镓功放的性能，又具备低端CMOS功放所具备的成本优势。高国洪宣称：“在短期内，取代砷化镓功放的硅基技术将是SiGeBiCMOS，而不是CMOS。”

成本上，高国洪宣称：“尽管比起150mmGaAsHBT晶圆，带有8至10个金属层的200mmCMOS晶圆具有着显着的芯片成本优势，但基于现有架构的CMOSPA相对BiCMOS却没有成本优势。”高国洪解释说，这是由于现在的CMOSPA架构是围绕RF电感的使用而构建的，能够处理大射频电流，但也因此而需要8至10个金属层。相比180nm工艺技术节点下的传统模拟/混合信号CMOS工艺技术，这些金属层的增加致使晶圆成本提高了60%以上。此外，这些电感也使芯片尺寸大为增加。考虑到额外金属层和芯片尺寸增加的影响，BiCMOSPA和CMOSPA的芯片级成本实际上差不多。

性能上，高国洪表示：“目前已达到量产状态(几乎全用于手机)的最好的CMOS功放的性能都明显不如砷化镓或BiCMOS功放。而且随着CMOS器件的几何尺寸缩小，要获得GaAs或BiCMOS功放性能变得更困难,要生产出能够克服这种缺点的CMOS功放还得进行更多的讨论工作，并需要新的架构。CMOSPA架构若没有重大的突破和创新，不行能克服其性能缺陷。”虽然SOI技术具有提升CMOSPA性能的潜力，但SOI的成本居高不下。高国洪认为，用于射频功放的CMOSSOI还需要数年时间才能够将成本降至BiCMOS的芯片级成本水平。

在WLAN应用中BiCMOS功放已渐渐开头取代砷化镓功放，而LTE、WiMAX和WLAN应用相像，它们都使用了正交频分复用(OFDM)技术。高国洪表示：“在4G手机和移动设备中，鉴于硅锗BiCMOS