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      5G時代,射頻功率放大器有望迎來新機遇

      發布時間:2019-04-16

      1、5G智能移動終端,射頻 PA 的大機遇?


      1.1 射頻功率放大器(PA)-射頻器件皇冠上的明珠


      射頻功率放大器(PA)作為射頻前端發射通路的主要器件,主要是為了將 調制振蕩電路所產生的小功率的射頻信號放大,獲得足夠大的射頻輸出功 率,才能饋送到天線上輻射出去,通常用于實現發射通道的射頻信號放大。?


      手機射頻前端:一旦連上移動網絡,任何一臺智能手機都能輕松刷朋友圈、 看高清視頻、下載圖片、在線購物,這完全是射頻前端進化的功勞,手機 每一個網絡制式(2G/3G/4G/WiFi/GPS),都需要自己的射頻前端模塊, 充當手機與外界通話的橋梁—手機功能越多,它的價值越大。


      射頻前端模塊是移動終端通信系統的核心組件,對它的理解可以從兩方面 考慮:一是必要性,它是連接通信收發器(transceiver)和天線的必經之 路;二是重要性,它的性能直接決定了移動終端可以支持的通信模式,以 及接收信號強度、通話穩定性、發射功率等重要性能指標,直接影響終端 用戶體驗。?


      射頻前端芯片包括功率放大器(PA ),天線開關(Switch)、濾波器 (Filter)、雙工器(Duplexer 和 Diplexer)和低噪聲放大器(LNA)等, 在多模/多頻終端中發揮著核心作用。



      手機和 WiFi 連接的射頻前端市場預計將在 2023 年達到 352 億美元,復合 年增長率為 14%。?


      射頻前端產業中*大的市場為濾波器,將從 2017 年的 80 億美元增長到 2023 年 225 億美元,復合年增長率高達 19%。該增長主要來自于 BAW 濾 波器的滲透率顯著增加,典型應用如 5G NR 定義的超高頻段和 WiFi 分集 天線共享。


      功率放大器市場增長相對穩健,復合年增長率為 7%,將從 2017 年的 50 億美元增長到 2023 年的 70 億美元。高端 LTE功率放大器市場的增長,尤 其是高頻和超高頻,將彌補 2G/3G 市場的萎縮。


      砷化鎵器件應用于消費電子射頻功放,是 3G/4G 通訊應用的主力,物聯網 將是其未來應用的藍海;氮化鎵器件則以高性能特點目前廣泛應用于基站、 雷達、電子戰等軍工領域,利潤率高且戰略位置顯著,由于更加適用于 5G, 氮化鎵有望在 5G 市場迎來爆發。?



      1.2 5G推動手機射頻 PA 量價齊升


      射頻前端與智能終端一同進化,4G時代,智能手機一般采取 1 發射 2 接收 架構。由于 5G 新增了頻段(n41 2.6GHz,n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz), 因此 5G 手機的射頻前端將有新的變化,同時考慮到 5G 手機將繼續兼容 4G、3G 、2G標準,因此 5G手機射頻前端將異常復雜。


      預測 5G時代,智能手機將采用 2 發射 4 接收方案。?



      無論是在基站端還是設備終端,5G 給供應商帶來的挑戰都首先體現在射頻 方面,因為這是設備“上”網的關鍵出入口,即將到來的 5G 手機將會面 臨多方面的挑戰:?


      更多頻段的支持:因為從大家熟悉的 b41 變成 n41、n77 和 n78,這就需 要對更多頻段的支持;?


      不同的調制方向:因為 5G 專注于高速連接,所以在調制方面會有新的變 化,對功耗方面也有更多的要求。比如在 4G 時代,大家比較關注 ACPR。 但到了 5G時代,則更需要專注于 EVM(一般小于 1.5%);?


      信號路由的選擇:選擇 4G anchor+5G 數據連接,還是直接走 5G,這會 帶來不同的挑戰。


      開關速度的變化:這方面雖然沒有太多的變化,但 SRS 也會帶來新的挑戰。


      其他如 n77/n78/n79 等新頻段的引入,也會對射頻前端形態產生影響,推 動前端模組改變,滿足新頻段和新調諧方式等的要求。?



      Qorvo 指出,5G 將給天線數量、射頻前端模塊價值量帶來翻倍增長。以 5G 手機為例,單部手機的射頻半導體用量達到 25 美金,相比 4G 手機近 乎翻倍增長。其中濾波器從 40 個增加至 70 個,頻帶從 15 個增加至 30個, 接收機發射機濾波器從 30 個增加至 75 個,射頻開關從 10 個增加至 30個, 載波聚合從 5 個增加至 200 個。?


      5G 手機功率放大器(PA)用量翻倍增長:PA 是一部手機*關鍵的器件之 一,它直接決定了手機無線通信的距離、信號質量,甚至待機時間,是整 個射頻系統中除基帶外*重要的部分。手機里面 PA 的數量隨著 2G、3G、 4G、5G 逐漸增加。以 PA 模組為例,4G多模多頻手機所需的 PA 芯片為 5-7 顆,預測 5G手機內的 PA 芯片將達到 16 顆之多。


      5G 手機功率放大器(PA)單機價值量有望達到 7.5 美元:同時,PA 的單 價也有顯著提高,2G手機用 PA 平均單價為 0.3 美金,3G手機用 PA 上升 到 1.25 美金,而全模 4G 手機 PA 的消耗則高達 3.25 美金,預計 5G 手機 PA 價值量達到 7.5 美元以上。


      載波聚合與 Massivie MIMO 對 PA 的要求大幅增加?!耙话闱闆r下,2G 只需非常簡單的發射模塊,3G 需要有 3G 的功率放大器,4G 要求更多濾 波器和雙工器載波器,載波聚合則需要有與前端配合的多工器,上行載波 器的功率放大器又必須重新設計來滿足線性化的要求。?


      5G 無線通信前端將用到幾十甚至上百個通道,要求網絡設備或者器件供應 商能夠提供全集成化的解決方案,這大大增加產品設計的復雜度,無論對 器件解決方案還是設備解決方案提供商都提出了很大技術挑戰。?



      1.3 GaAs 射頻器件仍將主導手機市場?


      5G 時代,GaAs 材料適用于移動終端。GaAs 材料的電子遷移率是 Si 的 6 倍,具有直接帶隙,故其器件相對 Si 器件具有高頻、高速的性能,被公認 為是很合適的通信用半導體材料。在手機無線通信應用中,目前射頻功率 放大器絕大部分采用 GaAs 材料。在 GSM 通信中,國內的銳迪科和漢天 下等芯片設計企業曾憑借 RF CMOS 制程的高集成度和低成本的優勢,打 破了采用國際龍頭廠商采用傳統的 GaAs 制程完全主導射頻功放的格局。 但是到了 4G 時代,由于 Si 材料存在高頻損耗、噪聲大和低輸出功率密度 等缺點,RF CMOS 已經不能滿足要求,手機射頻功放重新回到 GaAs 制 程完全主導的時代。與射頻功放器件依賴于 GaAs 材料不同,90%的射頻 開關已經從傳統的 GaAs 工藝轉向了 SOI(Silicon on insulator)工藝,射 頻收發機大多數也已采用 RF CMOS 制程,從而滿足不斷提高的集成度需求。


      5G 時代,GaN 材料適用于基站端。在宏基站應用中,GaN 材料憑借高頻、 高輸出功率的優勢,正在逐漸取代 Si LDMOS;在微基站中,未來一段時 間內仍然以 GaAs PA件為主,因其目前具備經市場驗證的可靠性和高性價 比的優勢,但隨著器件成本的降低和技術的提高,GaN PA 有望在微基站 應用在分得一杯羹;在移動終端中,因高成本和高供電電壓,GaN PA 短 期內也無法撼動 GaAs PA的統治地位。


      全球 GaAs 射頻器件被國際巨頭壟斷。全球 GaAs 射頻器件市場以 IDM模 式為主,主要廠商有美國 Skyworks、Qorvo、Broadcom,日本村田等。 據 Strategy Analytics 統計,2016 年全球 GaAs 射頻器件市場規模為 81.9 億美元,同比增長 0.9%。2016 年,Skyworks、Qorvo 和 Broadcom 在全 球射頻器件市場的占有率分別為 30.67%、27.97%和 7.39%,三家合計占 有全球 66%的份額,Skyworks 和 Qorvo 更是處于全球****的位置。



      2017 年 GaAs 晶圓代工市場,臺灣穩懋(Win Semi)獨占全球 72.7%的 市場份額,是****大 GaAs 晶圓代工廠。?



      1.4 5G設備射頻前端模組化趨勢明顯,SIP大有可為?


      5G 將重新定義射頻(RF)前端在網絡和調制解調器之間的交互。新的 RF 頻段(如 3GPP 在 R15 中所定義的 sub-6 GHz 和毫米波(mm-wave)) 給產業界帶來了巨大挑戰。?


      LTE 的發展,尤其是載波聚合技術的應用,導致當今智能手機中的復雜架 構。同時,RF 電路板和可用天線空間減少帶來的密集化趨勢,使越來越多 的手持設備 OEM 廠商采用功率放大器模塊并應用新技術,如 LTE 和 WiFi 之間的天線共享。



      在低頻頻段,所包含的 600 MHz頻段將為低頻段天線設計和天線調諧器帶 來新的挑戰。隨著新的超高頻率(N77、N78、N79)無線電頻段發布, 5G 將帶來更高的復雜性。具有雙連接的頻段重新分配(早期頻段包括 N41、N71、N28 和 N66,未來還有更多),也將增加對前端的限制。毫米 波頻譜中的 5G NR 無法提供 5G 關鍵 USP 的多千兆位速度,因此需要在 前端模組中具有更高密度,以實現新頻段集成。?


      5G 手機需要 4X4 MIMO 應用,這將在手機中增加大量 RF 流。結合載波 聚合要求,將導致更復雜的天線調諧器和多路復用器。?



      RF 系統級封裝(SiP)市場可分為一級和二級 SiP 封裝:各種 RF 器件的 一級封裝,如芯片/晶圓級濾波器、開關和放大器(包括 RDL、RSV 和/或 凸點步驟);在表面貼裝(SMT)階段進行的二級 SiP 封裝,其中各種器 件與無源器件一起組裝在 SiP 基板上。2018 年,射頻前端模組 SiP 市場 (包括一級和二級封裝)總規模為 33 億美元,預計 2018~2023 年期間的 復合年均增長率(CAGR)將達到 11.3%,市場規模到 2023 年將增長至 53 億美元。?


      預測 2023 年,PAMiD SiP 組裝預計將占 RF SiP 市場總營收的 39%。 2018 年,晶圓級封裝大約占 RF SiP 組裝市場總量的 9%。移動領域各種 射頻前端模組的 SiP 市場,包括:PAMiD(帶集成雙工器的功率放大器模 塊)、PAM(功率放大器模塊)、Rx DM(接收分集模塊)、ASM(開關復 用器、天線開關模塊)、天線耦合器(多路復用器)、LMM(低噪聲放大器多路復用器模塊)、MMMB PA(多模、多頻帶功率放大器)和毫米波前端模組。


      MEMS 預測,到 2023 年,用于蜂窩和連接的射頻前端 SiP 市場將分別占 SiP 市場總量的 82%和 18%。按蜂窩通信標準,支持 5G(sub-6GHz 和 毫米波)的前端模組將占到 2023 年 RF SiP 市場總量的 28%。高端智能 手機將貢獻射頻前端模組 SiP 組裝市場的 43%,其次是低端智能手機 (35%)和奢華智能手機(13%)。


      高通發布5G手機射頻前端模組化方案。


      2019 年 2 月,高通宣布推出面向 5G 多模移動終端的第二代射頻前端 ( RFFE)解決方案。全 新推 出 的 產品 是 一 套完 整 的 ,可 與 全 新 Qualcomm? 驍龍? X55 5G 調制解調器搭配使用的射頻解決方案,為支持 6GHz 以下頻段和毫米波頻段的高性能 5G 移動終端提供從調制解調器到 天線的完整系統。支持更纖薄、更**的 5G 多模移動終端。高通同時還 發布了全球首款宣布的 5G 100MHz包絡追蹤解決方案 QET6100、集成式 5G/4G 功率放大器(PA)和分集模組系列,以及 QAT3555 5G 自適應天 線調諧解決方案。高通 QET6100 將包絡追蹤技術擴展到 5G NR 上行所需 的 100MHz 帶寬和 256-QAM 調制,這在之前被認為是無法實現的。該解 決方案與其他平均功率追蹤技術相比,可將功效提升一倍,以更長的電池續航時間支持傳輸數據更快的終端,還可顯著改善網絡運營商非常關注的 網絡覆蓋與網絡容量。?



      Qualcomm的全新先進射頻前端功率放大器和分集模組包括:


      功率放大器模組,搭配 QET6100 支持 100MHz 5G 包絡追蹤。QPM6585、 QPM5677 和 QPM5679 分別支持 n41、n77/78 和 n79 頻段。?


      中/高頻段 5G/4G 功率放大器模組 QPM5670,包括集成式低噪聲放大器 (LNA)、射頻開關、濾波器和 5G六工器。?


      低頻段 5G/4G 功率放大器模組 QPM5621,包括集成式低噪聲放大器、切 換開關和濾波器,支持低頻段/低頻段載波聚合和雙連接。?


      分集模組系列 QDM58xx,包括集成式 5G/4G 低噪聲放大器、射頻開關和 濾波器,支持 6GHz以下頻段接收分集和多輸入多輸出(MIMO)。?


      為幫助 OEM 廠商應對日益增多的天線和頻段給移動終端設計帶來的挑戰, Qualcomm 還推出了 QAT3555 Signal Boost 自適應天線調諧器,將自適 應天線調諧技術擴展到 6GHz 以下的 5G 頻段;與上一代產品相比,其封 裝高度降低了 25%,插入損耗顯著減少。?



      2、5G基站,PA 數倍增長,GaN 大有可為?


      2.1 5G基站,射頻PA 需求大幅增長?


      5G基站 PA 數量有望增長 16倍。4G基站采用 4T4R 方案,按照三個扇區, 對應的 PA 需求量為 12 個,5G 基站,預計 64T64R 將成為主流方案,對 應的 PA 需求量高達 192 個,PA 數量將大幅增長。


      ?5G 基站射頻 PA 有望量價齊升。目前基站用功率放大器主要為基于硅的橫 向擴散金屬氧化物半導體 LDMOS 技術,不過 LDMOS 技術僅適用于低頻 段,在高頻應用領域存在局限性。對于 5G 基站 PA 的一些要求可能包括 3~6GHz 和 24GHz~40GHz 的運行頻率,RF 功率在 0.2W~30W 之間,我 們研判 5G 基站 GaN 射頻 PA 將逐漸成為主導技術,而 GaN 價格高于 LDMOS和 GaAs。


      ?GaN 具有優異的高功率密度和高頻特性。提高功率放大器 RF 功率的*簡 單的方式就是增加電壓,這讓氮化鎵晶體管技術**吸引力。如果我們對 比不同半導體工藝技術,就會發現功率通常會如何隨著高工作電壓 IC技術 而提高。硅鍺(SiGe)技術采用相對較低的工作電壓(2 V 至 3 V),但其集 成優勢非常有吸引力。GaAs 擁有微波頻率和 5 V 至 7 V 的工作電壓,多 年來一直廣泛應用于功率放大器。硅基 LDMOS 技術的工作電壓為 28V, 已經在電信領域使用了許多年,但其主要在 4 GHz 以下頻率發揮作用,因 此在寬帶應用中的使用并不廣泛。新興 GaN技術的工作電壓為 28 V至 50 V,優勢在于更高功率密度及更高截止頻率(Cutoff Frequency,輸出訊號 功率超出或低于傳導頻率時輸出訊號功率的頻率),擁有低損耗、高熱傳導 基板,開啟了一系列全新的可能應用,尤其在 5G 多輸入輸出(Massive MIMO)應用中,可實現高整合性解決方案。


      典型的 GaN 射頻器件的加工工藝,主要包括如下環節:外延生長-器件隔 離-歐姆接觸(制作源極、漏極)-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-襯底減 薄-襯底通孔等環節。



      外延生長:采用金屬氧化物化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延 (MBE)方式在 SiC或 Si 襯底上外延 GaN材料。?


      器件隔離:采用離子注入或者制作臺階(去除掉溝道層)的方式來實現器 件隔離。射頻器件之間的隔離是制作射頻電路的基本要求。


      歐姆接觸:形成歐姆接觸是指制作源極和漏極的電極。對 GaN材料而言, 制造歐姆接觸需要在很高的溫度下完成。?


      氮化物鈍化:在源極和漏極制作完成后,GaN 半導體材料需要經過鈍化過 程來消除懸掛鍵等界面態。GaN 的鈍化過程通常采用 SiN(氮化硅)來實現。?


      柵極制作:在 SiN 鈍化層上開口,然后沉積柵極金屬。至此,基本的場效 應晶體管的結構就成型了。?


      場板制作:柵極制作完成后,繼續沉積額外的幾層金屬和氮化物,來制作 場板、互連和電容,此外,也可以保護器件免受外部環境影響。?


      襯底減?。阂r底厚度減薄至 100μm 左右,然后對減薄后的襯底背部進行金屬化。


      襯底通孔:通孔是指在襯底上表面和下表面之間刻蝕出的短通道,用于降低器件和接地(底部金屬化層)之間的電感。?


      GaN 材料已成為基站 PA 的有力候選技術。GaN 是極穩定的化合物,具有 強的原子鍵、高的熱導率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中電離度是*高的、化學穩定 性好,使得 GaN 器件比 Si 和 GaAs 有更強抗輻照能力,同時 GaN又是高 熔點材料,熱傳導率高,GaN 功率器件通常采用熱傳導率更優的 SiC 做襯 底,因此 GaN 功率器件具有較高的結溫,能在高溫環境下工作。GaN 高 電子遷移率晶體管(HEMT)憑借其固有的高擊穿電壓、高功率密度、大 帶寬和**率,已成為基站 PA 的有力候選技術。?



      GaN 射頻器件更能有效滿足 5G 的高功率、高通信頻段和**率等要求。 相較于基于 Si 的橫向擴散金屬氧化物半導體(Si LDMOS,Lateral Double-diffused Metal-oxide Semiconductor)和 GaAs,在基站端 GaN 射頻器件更能有效滿足 5G 的高功率、高通信頻段和**率等要求。目前 針對 3G和 LTE基站市場的功率放大器主要有 Si LDMOS和 GaAs 兩種, 但 LDMOS 功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少,僅在不超過 約 3.5GHz 的頻率范圍內有效,而 GaAs 功率放大器雖然能滿足高頻通信 的需求,但其輸出功率比 GaN 器件遜色很多。在 5G 高集成的 Massive MIMO 應用中,它可實現高集成化的解決方案,如模塊化射頻前端器件。 在毫米波應用上,GaN 的高功率密度特性在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤 功能下,可有效減少收發通道數及整體方案的尺寸。實現性能成本的*優 化組合。隨著 5G 時代的到來,小基站及 Massive MIMO 的飛速發展,會 對集成度要求越來越高,GaN 自有的先天優勢會加速功率器件集成化的進 程。5G 會帶動 GaN 這一產業的飛速發展。然而,在移動終端領域 GaN 射頻器件尚未開始規模應用,原因在于較高的生產成本和供電電壓。GaN 將在高功率,高頻率射頻市場發揮重要作用。


      ?2.2 GaN射頻 PA 有望成為5G基站主流技術


      預測未來大部分 6GHz 以下宏網絡單元應用都將采用 GaN 器件,小 基站 GaAs 優勢更明顯。就電信市場而言,得益于 5G 網絡應用的日 益臨近,將從 2019 年開始為 GaN器件帶來巨大的市場機遇。相比現 有的硅 LDMOS(橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術)和 GaAs(砷化 鎵)解決方案,GaN 器件能夠提供下一代高頻電信網絡所需要的功率 和效能。而且,GaN 的寬帶性能也是實現多頻帶載波聚合等重要新技 術的關鍵因素之一。GaN HEMT(高電子遷移率場效晶體管)已經成 為未來宏基站功率放大器的候選技術。由于 LDMOS 無法再支持更高的頻率,GaAs 也不再是高功率應用的*優方案,預計未來大部分 6GHz 以下宏網絡單元應用都將采用 GaN 器件。5G 網絡采用的頻段 更高,穿透力與覆蓋范圍將比 4G 更差,因此小基站(small cell)將 在 5G 網絡建設中扮演很重要的角色。不過,由于小基站不需要如此 高的功率,GaAs 等現有技術仍有其優勢。與此同時,由于更高的頻率降低了每個基站的覆蓋率,因此需要應用更多的晶體管,預計市場 出貨量增長速度將加快。



      預計到 2025 年 GaN將主導 RF 功率器件市場,搶占基于硅 LDMOS技術 的基站 PA 市場。根據 yole 的數據,2014 年基站 RF 功率器件市場規模為 11 億美元,其中 GaN 占比 11%,而橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術 (LDMOS)占比 88%。2017 年,GaN 市場份額預估增長到了 25%,并 且預計將繼續保持增長。預計到 2025 年 GaN 將主導 RF 功率器件市場, 搶占基于硅 LDMOS技術的基站 PA 市場。?



      對于既定功率水平,GaN 具有體積小的優勢。有了更小的器件,則可以減 小器件電容,從而使得較高帶寬系統的設計變得更加輕松。?



      氮化鎵基 MIMO天線功耗可降低 40%。下圖展示的是鍺化硅和氮化鎵的毫 米波 5G 基站 MIMO 天線方案,左側展示的是鍺化硅基 MIMO 天線,它有 1024 個元件,裸片面積是 4096 平方毫米,輻射功率是 65dbm,與之形成 鮮明對比的,是右側氮化鎵基 MIMO 天線,盡管價格較高,但功耗降低了 40%,裸片面積減少 94%。?



      GaN 適用于大規模 MIMO


      GaN 芯片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍,能比較好的適用于大 規模 MIMO 技術。當前的基站技術涉及具有多達 8 個天線的 MIMO 配置, 以通過簡單的波束形成算法來控制信號,但是大規模 MIMO 可能需要利用 數百個天線來實現 5G所需要的數據速率和頻譜效率。?


      大規模 MIMO 中使 用的耗電量大的有源電子掃描陣列(AESA),需要單獨的 PA 來驅動每個 天線元件,這將帶來顯著的尺寸、重量、功率密度和成本(SWaP-C)挑 戰。這將始終涉及能夠滿足 64 個元件和超出 MIMO 陣列的功率、線性、 熱管理和尺寸要求,且在每個發射/接收(T/R)模塊上偏差*小的射頻 PA。?


      MIMO PA年復合增長率將達到 135%。預計 2022 年,4G/ 5G 基礎設施用 RF 半導體的市場規模將達到 16 億美元,其中,MIMO PA 年復合增長率 將達到 135%,射頻前端模塊的年復合增長率將達到 119%。?



      預計未來 5~10 年, GaN 將成為 3W 及以上 RF 功率應用的主流技術。 根據 Yole 預測,2017 年,全球 GaN射頻市場規模約為 3.84 億美元,在 3W 以上(不含手機 PA)的 RF 射頻市場的滲透率超過 20%。GaN 在基 站、雷達和航空應用中,正逐步取代 LDMOS。隨著數據通訊、更高運行 頻率和帶寬的要求日益增長,GaN 在基站和無線回程中的應用持續攀升。 在未來的網絡設計中,針對載波聚合和大規模輸入輸出(MIMO)等新技 術,GaN 將憑借其**率和高寬帶性能,相比現有的 LDMOS 處于更有利 的位置。未來 5~10 年內,預計 GaN 將逐步取代 LDMOS,并逐漸成為 3W 及以上 RF 功率應用的主流技術。而 GaAs 將憑借其得到市場驗證的可 靠性和性價比,將確保其穩定的市場份額。LDMOS 的市場份額則會逐步下降,預測期內將降至整體市場規模的 15%左右。?


      到 2023 年,GaN RF 器件市場規模達到 13 億美元,約占 3W以上的 RF 功率市場的 45%。截止 2018 年底,整個 RF GaN市場規模接近 4.85 億美 元。未來大多數低于 6GHz 的宏網絡單元實施將使用 GaN 器件,無線基 礎設施應用占比將進一步提高至近 43%。?



      2.3 RF GaN市場的發展方向?


      GaN 技術主要以 IDM 為主。經過數十年的發展,GaN 技術在全球各大洲 已經普及。市場**的廠商主要包括 Sumitomo Electric、Wolfspeed (Cree 科銳旗下)、Qorvo,以及美國、歐洲和亞洲的許多其它廠商?;?合物半導體市場和傳統的硅基半導體產業不同。相比傳統硅工藝,GaN 技 術的外延工藝要重要的多,會影響其作用區域的品質,對器件的可靠性產生巨大影響。這也是為什么目前市場**的廠商都具備很強的外延工藝能 力,并且為了維護技術秘密,都傾向于將這些工藝放在自己內部生產。?


      GaN-on-SiC 更具有優勢。盡管如此,Fabless 設計廠商通過和代工合作 伙伴的合作,發展速度也很快。憑借與代工廠緊密的合作關系以及銷售渠 道,NXP 和 Ampleon 等**廠商或將改變市場競爭格局。同時,目前市 場上還存在兩種技術的競爭:GaN-on-SiC(碳化硅上氮化鎵)和 GaN-onsilicon(硅上氮化鎵)。它們采用了不同材料的襯底,但是具有相似的特性。 理論上,GaN-on-SiC 具有更好的性能,而且目前大多數廠商都采用了該 技術方案。不過,M/A-COM 等廠商則在極力推動 GaN-on-Silicon 技術的 廣泛應用。未來誰將主導還言之過早,目前來看,GaN-on-silicon 仍是 GaN-on-SiC解決方案的有力挑戰者。


      ?2.4 全球 GaN射頻器件產業鏈競爭格局?


      境外 GaN射頻器件產業鏈重點公司及產品進展?


      GaN 微波射頻器件產品推出速度明顯加快。目前微波射頻領域雖然備受關 注,但是由于技術水平較高,**壁壘過大,因此這個領域的公司相比較 電力電子領域和光電子領域并不算很多,但多數都具有較強的科研實力和 市場運作能力。GaN 微波射頻器件的商業化供應發展迅速。據材料深一度 對 Mouser 數據統計分析顯示,截至 2018 年 4 月,共有 4 家廠商推出了 150 個品類的 GaN HEMT, 占整個射頻晶體管供應品類的 9.9%,較 1 月增 長了 0.6%。?


      Qorvo 產品工作頻率范圍*大,Skyworks 產品工作頻率較小。Qorvo、 CREE、MACOM 73%的產品輸出功率集中在 10W~100W之間,*大功率 達到 1500W(工作頻率在 1.0-1.1GHz, 由 Qorvo 生產),采用的技術主要 是 GaN/SiC GaN 路線。此外,部分企業提供 GaN射頻模組產品,目前有 4 家企業對外提供 GaN射頻放大器的銷售,其中 Qorvo 產品工作頻率范圍* 大,*大工作頻率可達到 31GHz。Skyworks 產品工作頻率較小,主要集中 在 0.05-1.218GHz之間。


      Qorvo 射頻放大器的產品類別*多。在我國工信部公布的 2 個 5G 工作頻 段(3.3-3.6GHz、4.8-5GHz,)內,Qorvo 公司推出的射頻放大器的產品類 別*多,*高功率分別高達 100W和 80W(1 月份 Qorvo 在 4.8-5GHz的產 品*高功率為 60W), ADI 在 4.8-5GHz的產品*高功率提高到 50W(之前 產品的*高功率不到 40W), 其他產品的功率大部分在 50W 以下。



      大陸 GaN射頻器件產業鏈重點公司及產品進展:歐美國家出于對我國技術 發展速度的擔憂及遏制我國新材料技術的發展想法,在第三代半導體材料 方面,對我國進行幾乎全面技術封鎖和材料封鎖。在此情況下,我國科研 機構和企業單位立足自主創新,目前在 GaN 微波射頻領域已取得顯著成效, 在軍事國防領域和民用通信領域兩個領域進行突破,打造了中電科 13 所、 中電科 55 所、中興通信、大唐移動等重點企業以及中國移動、中國聯通等大客戶。?


      蘇州能訊推出了頻率高達 6GHz、工作電壓 48V、設計功率從 10W-320W 的射頻功率晶體管。在移動通信方面,蘇州能訊已經可以提供適合 LTE、 4G、5G 等移動通信應用的**率和高增益的射頻功放管,工作頻率涵蓋 1.8-3.8GHz,工作電壓 48V,設計功率從 130W-390W,平均功率為 16W-55W。



      3、5G時代,窄帶物聯網設備射頻前端迎來發展新機遇?


      伴隨著 5G 大幕拉開,特別是對于智能手機來說,新的應用和新需求,刺 激著射頻前端市場涌現出很多新名詞,比如,MIMO,HPUE,NSA,SA, PAMiD 等等。射頻前端需要更高整合度,從而支持更加復雜的頻段和通信 標準。


      ?IOT 設備射頻前端要求更低功耗,更長待機時間和更低的成本。在手機市 場追求更快更強的同時,有另外一個市場就是窄帶物聯網 (Cat-M /NB-IoT), 它在另外一個維度滿足市場需求,比如更低功耗,更長待機時間和更低的 成本。新的 Cat-M 和 NB-IoT 網絡中,對于終端的要求在發生變化,應用 于該設備的射頻前端器件也有新的發展要求。新的射頻前端需要在支持超 寬帶工作,并且保證低成本的情況下,滿足更大范圍的工作電壓和工作溫 度,同時達到 3GPP規定的射頻性能標準。?



      NB-IoT主要應用場景:?


      智能安全;


      智能基礎設施:智能路燈,智能井蓋,智能充電,智能停車;


      智能表計;?


      智能監控。?


      在有些領域,出現了迅速的增長:?


      電動自行車監控和管理?


      智能煙霧傳感器?


      智能表計(水表/氣表/電表)?


      另外,目前有一些基于 NB-IoT 的新的應用,也引起市場極大的興趣。 ? 智能停車服務:集成了云服務大數據平臺,現場交通和停車位信息搜集, 通過手機的電子支付,能實現方便的無人值守停車。?


      智能穿戴市場:得益于低功耗,NB-IoT 終端能夠實現超長待機。通過運營 商的廣域網連接,定位數據和健康數據能自動上傳到企業云的個人帳號中, 擺脫了傳統局域網或者需要連接手機同步數據的束縛。這一點非常適合給 老人和小孩的無人看護或者出門定位服務。管理員通過劃定電子安全區域, 智能穿戴設備出了安全區后,報警信息會自動傳到云端和管理員。?


      NB-IoT PA需要低成本和低功耗?


      基于蜂窩網的萬物互聯是一項有前景的新技術,從射頻前端供應商的角度, 我們看到了一些新的市場需求。新的垂直市場。在已有的蜂窩網需求的基 礎上,新的低成本和低功耗的解決方案,將會用到新的市場應用當中。


      多種連接標準會同時共存。產品形態會表現為從簡單的低功耗和單頻段無 線單元,一直到復雜的 LTE和 5G New Radio 的全球蜂窩網解決方案。多 樣的應用場景和需求。復雜多樣的*終用戶市場還有應用,會帶來需求和 產品的多樣化,其中包括室內的應用和戶外的一些極端溫度和高可靠性要求的場景。?



      NB-IoT 的 PA 要求低成本和**。NB-IoT 雖然有要求和 LTE 相同的 上行功率(power class3),但是信號的峰均比較低。另外,NB-IoT 采 用半雙工方式工作,避免使用 FDD 雙工器,PA 后端的插入損耗小。 這些因素可以讓 NB-IoT 的 PA 更加偏向于非線性的設計,同時采用更 小的 Die 設計,從而達到節省成本和提**率的目的。?



      對于 NB-IoT PA 來講,超寬帶、低電壓、極端溫度和低成本是重點要考慮 的方向。?


      超寬帶:以低頻為例,NB-IoT PA 需要工作在 663MHz~915MHz,可用帶 寬是 252MHz。?


      低電壓:需要支持 1.8V 到 4.3V 工作電壓,以便滿足不同的電池環境需求。?


      **率:具備不同的功率模式,從而優化不同功率和電壓下面的效率。同時在 headroom設計方面,考慮到 Cat-M/NB的*高輸出功率需求。


      極端溫度:滿足-30/-40~+85 degree C 工作溫度范圍。


      小尺寸:典型的 NB 模塊大小為 26.5mm x 22.5mm x 2.3mm。這個大約相 當于一張名片的七分之一。射頻前端的尺寸會是很重要的考慮因素。


      低成本:NB 模塊會逐步取代市場上的 2G模塊,銷售價格日趨向 2G模塊 靠攏。射頻前端的價格競爭和成本考量無法避免。



      4、5G漸行漸近,國際巨頭紛紛布局射頻產業?


      當前射頻前端市場產業鏈已經非常成熟,歐美 IDM 大廠技術**,規模優 勢明顯。例如其中在 SAW 濾波器中,全球 80%的市場份額被 Murata、 TDK、TAIYO YUDEN 所瓜分,而在 4G、5G 中應用的 BAW 濾波器則被Avago(Broadcomm)和 Qorvo 占據 95%的市場空間,PA 全球93%的市場集中在Skyworks、Qorvo 和 Avago(Broadcomm)手中。?



      高通**布局 5G,競爭者紛紛跟進。隨著 5G手機和無線基礎設施技術的 成熟,相關應用將會出現。這需要一定的時間,許多廠商已經在為自己的 “市場蛋糕”做好了準備。新的商業模式將會浮現:例如一些電信運營商 正在部署 pre-5G 網絡(自己的標準),作為光纖替代品應用于住宅寬帶。 高通(Qualcomm)在 5G布局快人一步,已推出多款 5G產品,其它廠商 也都在探索之中。此外,英特爾(Intel)、三星(Samsung),以及**的 RF CMOS/SOI 代工廠(GLOBALFOUNDRIES、TOWERJAZZ、臺聯電、 臺積電等)都在布局 5G射頻產業。?


      博通(Broadcom)、 Skyworks 在高頻優勢明顯。在 6 GHz 以下頻段方 面,目前的射頻前端***,如博通(Broadcom)、 Qorvo、Skyworks、 村田(Murata),已經開始適應這些變化。Broadcom 通過將中高頻融合在 一起,為 5G 超高頻段的到來做好了準備。憑借其 FBAR 體聲波(BAW) 濾波器技術,Broadcom 還掌握了高頻和超高頻的主要關鍵模塊。 Skyworks 定位于 5G 超高頻市場,新推出了 Sky5 平臺。這些先進的無線 引擎包括高度集成的高性能發送/接收前端方案,以及分集接收(DRx)模 塊。此外,憑借其 SkyOne LiTE 平臺,Skyworks 已在高端市場獲得了一 些設計大獎;在低端市場方面,贏得中國 OEM 廠商(華為、OPPO、vivo、 小米)的青睞。


      Qorvo 組合拳產品多元化。采用類似的方法,分別通過 RF Fusion 和 RF Flex 平臺提供涵蓋高端和低端市場的廣泛產品組合。Qorvo 的另一個優勢 在于其內部測試和封裝能力,可以縮短響應時間并持續改進。值得注意的 是,Qorvo 是第一家推出用于超高頻段覆蓋的射頻前端模組廠商。Murata 主要涉足低頻段,但非常適合不斷增長的多樣化射頻模組市場。高通 (Qualcomm)是新進入者,帶來了從調制解調器到天線的端到端解決方 案。此外,對 TDK Epcos 濾波技術的戰略投資已經初見成效。


      毫米波有機會破壞競爭格局。5G 將重新定義射頻前端如何在網絡和調制 解調器之間“交互”。實際上,新的射頻頻段,6 GHz 以下頻段(Sub-6 GHz)和毫米波,對該行業產生了巨大挑戰,并有機會破壞市場競爭格局。 除了 6 GHz 以下頻段之外,毫米波頻段將完全“破壞”射頻前端產業,代 表一種完全不同的技術思維,可以為高速傳輸數據創造新的途徑。雖然 Qualcomm 是明確的毫米波技術新進入者,但還有英特爾(Intel)、三星 (Samsung)、海思(HiSilicon)、聯發科(Mediatek)等企業也在探索這一新商機!?



      5、看好細分行業龍頭?


      產業鏈重點受益公司:?


      基站射頻 PA:Qorvo、CREE、穩懋、旋極信息(擬收購安譜?。?、三安光 電、海特高新(海威華芯) ;?


      移動終端及 IOT 射頻 PA:Skyworks、Qorvo、高通、臺灣穩懋、三安光 電、環旭電子、卓勝微電子、信維通信。?


      我們認為,隨著 5G進程的加快,5G基站、智能移動終端及 IOT 終端 射頻 PA 將迎來發展良機,使用量大幅增加,看好細分行業龍頭,推 薦:CREE 、Skyworks、穩懋、三安光電、環旭電子,建議關注: 海特高新(海威華芯)、旋極信息(擬收購安譜?。?。?


      6、風險提示?


      智能手機及基站射頻 PA 被國際巨頭壟斷,技術難度較大,國內進展緩慢, 合格率較低,成本居高不下,射頻 PA需要持續性投入。xinshiye

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