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5G推动射频革命,中国厂商需奋起直追

http://www.c114.com.cn ( 2017/8/1 17:16 )
随着齐乐娱乐屏幕、电池容量的增大,加上智能手机内部功能组件的增多,PCB区域已成为移动终端内部寸土寸金的竞争地带,他们都在挤压着射频前端的物理空间,加上移动通信技术的发展,对于射频前端的设计复杂程度和技术难度带来了极大的挑战。 研究机构Yole Developpement最新的报告指出,随着5G技术日益成熟,未来射频功率放大器(RF PA)市场将出现显著成长,但传统的LDMOS制程将逐渐被新兴的氮化镓(GaN)取代,砷化镓(GaAs)的市场占比则相对稳定。 image.png Yole预计,电信基地台设备升级与小型基地台的广泛布建,将是推动RF PA市场规模成长最主要的动力来源。 2016年全球RF PA市场规模约为15亿美元,到2022年时,市场规模将达到25亿美元,复合年增率(CAGR)为9.8%。 不过,由于导入新的射频技术,并且使用更高的通讯频段,因此RF PA必须使用新的制程技术来实现。 展望未来,采用GaN制程的RF PA将成为输出功率3W以上的RF PA所采用的主流制程技术,LDMOS制程的市场份额则会明显萎缩。 5G下的射频前端 无线移动通信在20多年里得到了飞速的发展,给人们的生活、学习和工作方式以及政治、经济、社会等各方面都带来了巨大的影响。 自2012年初WRC-12上ITU通过了4G标准之后,通信业界开始研究5G。各国成立了专门组织推进5G研究,争抢新一轮技术和标准的影响力和制高点。例如,欧盟启动了METIS、5GNOW等多个5G预研项目,并成立了5GPPP;韩国成立了5G Forum等;美国和日本也启动了5G研究。《IEEE Communications Magazine》在2014年2月和5月出版了两期关于5G的技术专题。 image.png 从技术层面看,5G移动网络是继目前4G LTE部署后移动电信标准的下一个主要阶段。从4G到4G+再到5G,意味着射频系统的复杂度大大增加,需覆盖的频段大大增多。据了解,目前全球典型的4G频段已经有近30个。   导读:随着5G技术日益成熟,未来射频功率放大器(RF PA)市场将出现显著成长,但传统的LDMOS制程将逐渐被新兴的氮化镓(GaN)取代…… 在谈5G给RF的挑战之前,我们先来了解一下什么是射频前端。 image.png 从定义上来看,RF FEM是指从天线Modem之间的整个系统。在这一部分,包含了滤波器、LNA、PA、开关和双工器等等。 回顾1G到4G的发展历程,无线网络的上下行速度在不断加快,设备的射频也在逐步演进。到了4G时代,由于多模多频的需求,射频前端的复杂度已经大幅增加,面对即将到来的5G,这个挑战更是空前的。因为从4G到5G,无线传输速度跨越式提升。 根据无线通讯的相关理论,这样的速度提升可以通过增加频谱利用率或者频谱带宽来实现。但从目前的无线应用现状看来,由于常用的5Ghz以下频段已经非常拥挤。为了获取频谱资源,业界只有将目光投向了更高频率的毫米波。在解决了频段问题,射频也要齐头并进。 在手机中,2G和3G无线网络的RF功能简单。2G有四个频段,3G有五个频段。 但对4G来说,有40多个频段。4G不仅融合了2G和3G频段,而且还搭载了4G频段。 除此之外,移动运营商已经部署了一种称为载波聚合的技术。载波聚合将多个信道或分量载波组合到一个大数据管道中,可以在无线网络中实现更大的带宽和更快的数据速率。 为了处理频段和载波聚合,OEM厂商需要复杂的RF前端模块。 image.png 5G为RF提出了难题 如今的齐乐娱乐,特别是高端旗舰手机,打电话不仅要全网通,还要支持更多的频段,例如全球全网通,除了打电话,还要上网浏览网页、上传下载网速也要快,这些需求的扩大,越来越考验射频前端技术的复杂程度,RF在当下和未来也面临着诸多新的技术挑战。 我们可以通过对以上技术要求进行拆分,了解5G时代射频面临的挑战。 首先谈一下载波聚合。 由于ITU为5G制定了最高50Gbps的下行速率标准,那么相较于4G中最高支持5个20Mhz的载波聚合,进入5G时代,载波聚合的数量可能会高达32或者64。对于射频厂商来说,就是需要解决串扰的问题。这就给滤波器带来新的需求。除了滤波器外,这种多载波聚合还会对PA和开关器件的线性度提出更高的需求。 更重要的是,全网通手机需要支持的频段越来越多、同时多载波聚合组合数也在增加,对于射频前端的技术挑战性更大。 其次高频率对滤波器的转变也是一个挑战。 在4G以前,由于频率相对较低,SAW滤波器已经能够满足设备的需求。但跨入了5G高频时代,SAW的局限性就凸显。在高频仍然保持较高Q值的BAW滤波器就成为了业界的新宠。 image.png 第三,5G引致PA的转变。 在5G毫米波时代,高频段让传统PA的LDMOS工艺捉襟见肘,但天生的性能缺陷让其在未来的高频应用中优势尽失,基站亟需高功率密度、高运行电压、高频率和高带宽的新工艺产品,于是拥有材料性能优势的氮化镓就成为业界追逐的新爆发点。而5G的高频特性,使得信号很容易被阻碍,因此使用微基站来进行信号覆盖,就成为了业界的共识。氮化镓PA恰好也能完美契合微基站的需求。 GaN将取代LDMOS制程 目前针对3G/HSPA和LTE基站市场的PA(功放)主要有LDMOS和砷化镓两种类型。 其中,LDMOS制造工艺结合了BPT和砷化镓工艺。与标准MOS工艺不同的是,在器件封装上,LDMOS没有采用BeO氧化铍隔离层,而是直接硬接在衬底上,导热性能得到改善,提高了器件的耐高温性,大大延长了器件寿命。 众所周知,基站使用的射频功率管一般采用 LDMOS 工艺,但现在 LDMOS 工艺正在被氮化镓( GaN )工艺取代。这是给半导体产业带来的第一个挑战,也是机遇。 image.png 目前,射频器件中的功率放大器主要采用基于硅的横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 技术。但是硅基技术在高频应用领域存在局限性: LDMOS 功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少, LDMOS 仅在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效。随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的功率放大器。 如今, GaN 是有可能满足这些要求的唯一普及的技术: GaN 功率放大器已经能处理 50GHz 或以上的毫米波频率。另外, GaN 功率放大器支持更高的带宽,即使在较高的频率也是如此。虽然目前从性价比考虑, LDMOS 将仍然会是中低端频率的主流,但是在在 10GHz 以上的频段, GaN的优势非常大。我们认为 5G 时代 GaN 功率放大器将成为超高频通信领域的首选。 另一方面,砷化镓PA 芯片是目前市场主流,出货占比占9 成以上。在2G 时代,PA 芯片主要采用CMOS工艺,而进入3G 时代,生产工艺转向电子迁移率更高、截止频率更高的砷化镓制程技术。国内厂商在砷化镓晶圆制造领域已有不少投资项目,随着三安光电及海特高新的砷化镓产线投产,国内PA 芯片厂商的研发及生产环境将得到大幅改善。 市场被欧美厂商把持 通常情况下,一部手机主板使用的射频芯片占整个线路面板的30%-40%。据悉,一部iPhone 7仅射频芯片的成本就高达24美元,有消息称苹果今年每部手机在射频芯片上的投入将历史性地超过30美元。随着齐乐娱乐迭代加快,射频芯片也将迎来一波高峰。 目前,手机中的核心器件大多已实现了国产化,唯独射频器件仍在艰难前行。据悉,全球约95%的市场被控制在欧美厂商手中,甚至没有一家亚洲厂商进入顶尖行列。 image.png Skyworks(思佳讯) 射频元件龙头,苹果射频供应商,主营方向为射频前端产品,包括射频功率放大器即RF PA、各种滤波器、混频器、衰减器等。 手机中用到的射频器件: iPhone SE:射频芯片 SKY77611、 电源放大模块SKY77827 iPhone SE: SKY77802-23、SKY77803-20 iPhone 6S:电源放大模块SKY77812(x2) iPhone6 Plus:SKY77802-23 iPhone7 Plus:SKY78100-20 image.png Qorvo 作为全球知名的射频方案提供商, Qorvo 在 5G方面的布局是非常领先的。这首先体现在 GaAs 器件的布局上。 Qorvo 表示,由于毫米波的应用。对新型器件就有了强烈的需求,与砷化镓和硅等材料相比, GaN 在有高频率需求小型基站需求的 5G 中优势是非常明显,而 5G 也会驱动很多技术的进步。 除了基站外, Qorvo 也推动 GaN 器件在手持设备上的普及。 Qorvo 目前也推出了一些 GaN 器件,以满足 5G 的应用。当中包括了一些高压低频率和高频率的器件。 英飞凌 目前英飞凌提供世界一流的 SiGe:C 技术,可使 LNA 具有最低噪声系数、最高线性度和最低功耗; 130 nm RFCMOS技术使射频开关尺寸小巧且插入损耗低; 2 层导线架封装适用于复杂系统,可提供设计灵活性;致力于投资创新技术,已经在毫米波应用取得领先。 村田 村田总部位于日本,公司于1944年10月创业,1950年12月正式改名为村田制作所。创业者是村田昭主力商品是陶瓷电容器,高居世界首位。其他具领导地位的零件产品计有陶瓷滤波器,高频零件,感应器等。不仅是手机、家电,汽车相关的应用、能源管理系统、医疗保健器材等,都有村田公司的身影。 手机中用到的射频器件: iPhone6S:村田240前端模块 iPhoneSE:村田240前端模块 NXP NXP 认为,在向 5G 演变过程中,需要更高的频率带宽, Si LDMOS 在目前的网络中还处于主力位置,但在大雨 3.5GHZ 之后, GaN 和 GaAs 会成为主力,更大的寄生效应就会引致更高的集成化需求;而 MIMO 和小型蜂窝则会带来更低发射功率的需求,这就要求更低的供电电压;更小尺寸的 PA 封装需求和高集成度;在这过程中也会产生信号带宽的持续增长。 国产射频器件上市公司 随着5G的加速推进,国内一大波从事射频器件制造的公司也迎来新的发展机遇。目前,国产射频器件上市公司主要有: 信维通信,产品线已从天线向射频隔离、射频连接器、射频材料扩展; 硕贝德,在5G天线及射频前端模组上的开发处于国内领先水平; 惠州硕贝德无线科技股份有限公司成立于2004年2月,2012年在深圳证券交易所创业板挂牌上市。业务方向涉及移动智能终端天线、精密模具设计制造、塑胶及金属结构件、无线充电产品、指纹及传感器模组、半导体先进封装测试、智能检测治具及装备等领域。产品主要应用于手机、平板、可穿戴设备、笔记本电脑、汽车、无人机、安防监控等领域。 image.png 麦捷微电子,片式电感及LTCC射频元器件的龙头厂商。 创建于2001年的民营高科技企业,致力于成为泛亚洲地区顶尖的被动电子元器件制造商。主要研发和生产各类陶瓷射频元器件,包括蓝牙WIFI)天线、滤波器和GPS天线等;以及叠层式贴片电感和磁珠、贴片式绕线电感、功率电感、共模滤波器等系列产品。 长盈精密,成立于2001年7月,是一家专业从事移动通信终端、数码及光电产品等配套精密手机金属外观件、手机金属边框、精密电磁屏蔽件、微型精密连接器等产品研发、生产、经营的高成长型股份制企业,也是国家、深圳市认定的“高新技术企业”。 长盈精密拥有两大核心技术,分别为基于GaAs pHEMT工艺的功率放大器与包络跟踪电源系统。这两个核心技术均可以有效提高射频前端的平均效率,面对市场具有极高的成品优势和性价比。 武汉凡谷,国内主要的移动通信射频器件供应商,为各大移动通信系统集成商提供射频器件配套服务,是华为中兴普天诺西全球通信设备商的射频器件供应商。主要产品有双工器、滤波器、塔顶放大器、数字微波等。 大富科技,成立于2001年,是全球领先的移动通信基站射频器件、结构件生产服务商,产品主要被应用于通信基站设备,大富科技去年营收24.07亿,与武汉凡谷、春兴精工等是竞争对手。 顺络电子,国内电感和射频元件龙头。 顺络电子成立于2000年,是一家专业从事各类片式电子元件研发、生产和销售的高新技术企业,主要产品包括叠层片式电感器、绕线片式电感器、共模扼流器、压敏电阻器、NTC热敏电阻器、LC滤波器、各类天线、NFC磁片、无线充电线圈组件、电容、电子变压器等电子元件。产品广泛应用于通讯、消费类电子、计算机、LED照明、安防、智能电网、医疗设备以及汽车电子等领域。 唯捷创芯,国内最大射频IC设计公司。该公司致力于射频与高端模拟集成电路的研发,是集设计、测试、销售一体化的集成电路设计公司。公司目前的主要产品是射频功率放大器,广泛应用于2G/3G/4G手机及其它智能移动终端。 国民飞骧(Lansus) 2015年从国民技术分离出来。2010年开始依托国内市场开发国产射频功率放大器和射频开关。2011年,其NZ5081应用于宇龙酷派8180 TD-SCDMA手机,是第一个应用于齐乐娱乐的国产PA(RDA是第一个应用于国产功能机的PA)。 2015年,phase 1射频功放做进红米2A手机。现在的客户包括小米,酷派,中兴,魅族等等。国民飞骧已经拥有了国内同行业内最完整、最齐全的4G射频解决方案,覆盖包括MTK、高通展讯、联芯、Marvell等各种平台。 中科汉天下(Huntersun) 国内领先的 2G、3G 和 4G 射频前端芯片供应商,产品主要有手机射频前端/功放芯片,物联网核心芯片等,RF-PA每月出货量超过7000万颗,其中2G PA超过4000万/月,3G PA超过1100万套/月,4G PA导入数家知名IDH方案商和品牌客户的BOM列表。 2015年芯片的总出货量近6亿颗,射频前端芯片出货量在华人公司排名第一,远超国内同行出货量之和。2016年,中科汉天下大规模量产4G三模八频和五模十七频的射频前端套片,2G CMOS射频前端芯片,3G CMOS TxM射频前端模块,以及蓝牙低功耗SOC芯片,高品质蓝牙音频SOC芯片等。 image.png 技术工艺不达预期,中国厂商任重而道远 在射频前端这个市场,高端领域基本被外国厂商垄断这是毫无疑问的,但近几年中国厂商的进步也是有目共睹的。 伴随着移动通信的跨越式发展,中国已经形成了全球规模最大、最有活力的消费电子市场,在这片沃土不仅孕育出了华为海思、紫光展锐等优秀的手机处理器平台方案厂商,也涌现出一批优秀的射频前端芯片企业,他们在“依靠成本优势从低端产品切入,迅速拓展高端产品线”的策略下不断发展壮大,在残酷的市场寻找自己的竞争优势。 在SAW 器件领域,国内主要厂商包括以中电26 所、中电德清华莹为代表的科研院所、无锡好达电子等厂商。国内厂商整体实力较薄弱,科研院所的产品主要面向军用通信终端设备。无锡好达电子的saw 滤波器产品在手机中实现了销售,客户包括中兴、宇龙、金立、三星、蓝宝、富士康、魅族等。 但是,目前国内厂商大部分 SAW 滤波器厂商仍停留在公频波段(较低频率,低于 1GHz)的产品生产中。而对于更高的射频工作频率(如目前 LTE波段覆盖的高于 2GHz 频段),对工艺有着更高的技术要求,国内暂时无法追赶。 在BAW领域国内更是几近一片空白,所以在未来的5G时代,将长时间保持对国外的依赖是一个必然的现象。 在PA产业,则进展较为顺利。涌现出、汉天下、国民飞骧、中科汉天下、唯捷创芯和苏州宜确等一批厂商,但和滤波器面临同样的问题,那就是高端依然是心头之痛。 射频领域,中国依然还有很长的一段路要走!
   来源:半导体行业观察   免责声明:本文仅代表作者个人观点,与C114齐乐娱乐网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。
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