IBM“失手”摔出新材料！恩智浦用它造射频芯片卖给小米 _IBM

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芯东西（ID：aichip001）编 | 温淑
芯东西6月9日消息，疫情带来的不确定性正蔓延到全球半导体产业，尽管第一季度汽车和通信业务表现不佳，但恩智浦近期的两个发布传达出积极的讯号。
今年4月底，恩智浦宣布与5G移动平台系统级封装集成制造商村田制作所（Murata）达成合作，将率先交付业界首个采用最新的Wi-Fi 6标准的射频前端模块，随后在5月20日宣布这些模块被小米Mi 10 5G手机采用。
射频前端关乎手机信号强弱和无线通信的距离。从2G到4G，每一代蜂窝技术的演进都会带来射频前端需求量的暴涨。随着各大手机厂商纷纷布局高端5G设备，对性能、集成、尺寸和Wi-Fi 6功能均提出了更高的需求。
与借助采用更先进制程实现技术升级的处理器芯片不同，射频前端芯片的技术升级主要依靠新设计、新工艺和新材料的结合，业界普遍采用的器件材料及工艺平台有RF CMOS、SOI、SiGe等。
作为全球顶尖的Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E前端供应商，此次恩智浦在其最新射频前端方案中即选用SiGe（锗硅），相比CMOS，它能在同一成本基本上实现更高的射频输出功率；相比SOI，它的输出功率水平和功率效率更高。
一、押宝SiGe芯片：产品销量数以亿计尽管受新冠疫情影响，恩智浦汽车业务陷入困境，但其SiGe业务却在蓬勃发展。位于Nijmegen的ICN8工厂和SSMC在新加坡的合资工厂正在全速生产SiGe芯片。
据恩智浦无线业务部门智能天线解决方案（SAS）产品线的营销高级总监Rob Hoeben说，其SiGe芯片相当受客户欢迎，目前该产品的销量数以亿计，“（如果）大公司某型号的手机产量为1亿部，每一台手机里都要搭载我们的3块芯片。那么，一位这样的客户就能带来3亿的交易量” 。

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SAS为移动和无线基础架构提供集成的RF前端，专注于6 GHz以下和毫米波以下的移动WLAN和5G，而SiGe在任何输出功率低于1或2瓦的射频或毫米波都具备优势。
相比第五代Wi-Fi，Wi-Fi 6采用了升级的调制技术，能连接了更多用户，且速度更快、电池性能更优、传输质量更高。Wi-Fi 6E可理解为Wi-Fi 6的增强版本，除支持2.4 GHz、5 GHz频段外，还加入了对6 GHz频段（5.925-7.125 GHz，共1.2 GHz带宽）的支持。
按照Hoeben的说法，Wi-Fi 6E对于SiGe来说是个完美的选择，因为该技术可以使宽带前端在5-7 GHz的整个频段范围内都表现出色。“客户可采用Wi-Fi芯片并将其设置为5或6 GHz，将我们的集成电路放在其前面，它将独立于所选频率工作。”
而像砷化镓（GaAs）这样的技术，禁带宽度更窄，需要多个功率放大器，也就意味着解决方案会更加昂贵。
5G亦是恩智浦SiGe主攻的重要应用，当前Sub-6 GHz在中国和欧洲的部署正在提速，北美也实现了基于毫米波频段的部署。Hoeben指出，SiGe芯片可应用于sub-6 GHz基站发挥作用。
二、IBM研究员“失手”造出的半导体新材料SiGe，这一帮恩智浦斩获过亿销量、赢得小米青睐的新材料，实际上是在约50年前的一次意外中被发现的。
1979年，IBM研究员Bernard Meyerson不小心把一片刚用氢氟酸清理过的硅片掉在了地上。为了去除硅片在地面上沾染的污物，Bernard试图用水冲洗硅片。这时，他发现硅片是防水的。
原本，他以为这是因为硅片与空气反应，在表面生成了一层氧化层，但进一步研究结果显示，硅片其实是与氢氟酸发生了反应，其表面的保护是氢层。两者的差别在于，硅片上的氧化层要加热到1000°C才能被去除，而氢层只要加热到600°C就会脱落。
这个发现为SiGe的实现奠定了基础。

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▲IBM制造的基于SiGe晶体管的芯片
当时，为了进一步增加芯片上晶体管数目，研究人员试图采用SiGe材料的晶体管。要把锗集成到硅上，首先要加温到1000°C，以除去硅表面的空气氧化层。但是，新生成的SiGe无法承受这么高的温度。
Bernard的发现为SiGe的制备指出了一个新思路——先让硅与氢氟酸生成氢层，再在550°C的温度下让硅与锗反应生成固溶体。事实证明，这种方法是可行的，SiGe材料由此诞生。
1992年，IBM的SiGe小组成员缩减到仅剩两人：Meyerson和电气工程师David Harame 。但是，两人仍然对SiGe有信心，并决定向IBM外部寻求资金。最终，多家通信公司同意向IBM垫付费用，由IBM开发并制造SiGe芯片。随着资金不断涌入，IBM很快投入开发、生产，几乎在一夜之间创造了无线技术的新领域。