KA_IX

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射频芯片的基本技术点有哪些?有哪些主流公司?

2020-7-8 15:43:29 显示全部楼层
本文来自华西证券

凡是接入移动互联网的设备均需要射频前端芯片,随着联网设备数量持续增加,射频芯片市场持续增长。据Yole 数据,2018年全球移动终端射频前端市场规模为150亿美元,预计2025 年有望达到258亿美元,7年CAGR达到8%。
什么是射频芯片?
射频( RF ,Radio Frequency),表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围从300kHz~ 300GHz之间。射频是一种高频交流变化电磁波的简称。
射频芯片,是能够将射频信号和数字信号进行转化的芯片,具体而言,包括RF收发机、功 率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、滤波器、射频开关(Switch)、天线调谐开关 (Tuner)等。
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射频前端芯片怎么实现的?
射频前端器件均有由半导体工艺制备,用于手机端的功率放大器和低噪声放大器 主要基于GaN、GaAs、SOI、SiGe、Si(用于基站端的大功率功率放大器主要采用 GaAs和GaN)。滤波器主要品类有SAW和BAW两种,均采用压电材料做基底。RF开 关主要基于CMOS、Si、GaAs和GaN材料。

4G时代1T2R,每个频段都是1路发射, 2路接收
典型的4G手机需要支持约40个频段,如B1、B3、B5、B8、B38、B41等,每个频段都需要有1路发射和2路 接收。发射通路上需要滤波器、功率放大器、开关等,接收通路需要开关、低噪放、滤波器等器件。

部分频段的射频前端可以共用,形成低频、中频、高频分类
在4G LTE频段划分中,有部分频率相近或重合的频段,可以形成射频前端器件共 用,业界通常将4G频段划分为低频(698~960Mhz)、中频(1710~2200MHz)和高 频(2400~3800MHz),相应的,对应射频前端器件可以形成低频模组、中频模组 和高频模组。

5G新增频段,且SA模式要求2T4R
由于5G增加了新频段,支持新频段就需要增加配套的射频前端芯片。
简化来看,射频发射通路主要是PA和滤波器,接收通路主要是LNA和滤波器,其 他如射频开关、RFIC、电阻、电容、电感均为核心芯片的配套。


市场空间有多大?
据Yole Development数据,2018年全球移动终端射频前端市场规模为150亿美元,预计2025 年有望达到258亿美元,7年CAGR达到8%。

市场空间扩大来自于单机价值量提升

射频开关(Switch)
射频开关的作用是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通,以实现不同信号路径的切换,包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等,以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。射频开关 的主要产品种类有移动通信传导开关、WiFi开关、天线调谐开关等,广泛应用于智能手机等移动智能终端。
以智能手机为例,由于移动通信技术的变革,智能手机需要接收更多频段的射频信号。2011年及之前智 能手机支持的频段数不超过10个,而随着4G通信技术的普及,至2016年智能手机支持的频段数已经接近 40个。5G应用支持的频段数量将新增50个以上,全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段将超过91个。因此,移动智能终端中需要不断增加射频开关的数量以满足对不同频段信号接收、发射的需求。
据Yole Development预测,分立射频开关开关的市场规模将从2018年的6亿美元增长至2025年的9亿美元,年均复合增长率为5%。


天线调谐开关(Tuner)
Tuner主要给天线做配套。全面屏的普及,紧凑的机身设计,智能手机留给天线的空间尺寸不断 受到限制,这导致天线系统的整体效率降低,需要天线调谐开关提高天线对不同频段信号的接收 能力,天线调谐开关的重要性和需求也日益增长。相较普通开关,天线调谐开关有着极高的耐压 要求,同时导通电阻和关断电容对性能影响极大,由此对产品提出了极高的设计和工艺要求。
4G手机一般需要4~6个天线,而5G手机至少需要6~10个天线,对应的天线Tuner需求适配性增长。
据Yole Development预测,天线调谐开关的市场规模将从2018年的5亿美元增长至2025年的12亿 美元,年均复合增长率为13%。


滤波器(Filter)
射频滤波器的作用是保留特定频段内的信号,将特定频段外的信号滤除,从而提高信号的抗干扰性及信 噪比。以声表面波滤波器为例,其工作原理:输入电信号被输入叉指换能器转换成同频率声波,经过输 出叉指能换器转换成电信号,实现频率选择。
滤波器的市场驱动主要源于新通信制式对额外滤波的需求。在4G以及5G频段的逐步实现,MIMO和载波聚 合的应用支持,Wi-Fi、蓝牙、GPS等无线技术的普及等,导致射频滤波器的需求增长迅速。
据Yole Development预测,从2018年至2025年,分立射频滤波器及双工器等市场规模将从约31亿美元增 长至51亿美元,其中滤波器从约17亿美元增长至27亿美元,年均复合增长率为7%;双工器从约10亿美元 增长至16亿美元,年均复合增长率为7%;多工器的市场增长最快,将从约1亿美元增长至5亿美元,年均 复合增长率为20%。


低噪声放大器(LNA)
低噪声放大器的功能是把天线接收到的微弱射频信号放大,尽量减少噪声的引入,在移动智能终端上实 现信号更好、通话质量和数据传输率更高的效果。根据适用频率的不同,分为全球卫星定位系统射频低 噪声放大器、移动通信信号射频低噪声放大器、电视信号射频低噪声放大器、调频信号射频低噪声放大 器。
低噪声放大器的工作原理:输入的射频信号被输入匹配网络转化为电压,经过放大器对电压进行放大, 同时在放大过程中最大程度降低自身噪声的引入,最后经过输出匹配网络转化为放大后功率信号输出。
随着5G逐渐普及,智能手机中天线和射频通路的数量增多,对射频低噪声放大器的数量需求迅速增加, 据Yole Development预测,分立射频低噪声放大器市场规模将从2018年的约3亿美元增长至2025年的8亿 美元,年均复合增长率将达到16%。


功率放大器(PA)
功率放大器( PA,Power Amplifier),是各种无线发射机的重要组成部分,将调制振荡 电路所产生的射频信号功率放大,以输出到天线上辐射出去。PA的性能直接决定了无线终 端的通讯距离、信号质量和待机时间,也是射频前端功耗最大的器件。
根据QYR Electronics Research 数据,2011-2018 年,全球射频功率放大器的市场规模从 25.33亿美元增长至31.05亿美元,年均复合增长率2.95%;预计至2023年,市场规模将达 35.71亿美元。PA市场整体增速较其他射频前端芯片增速低,主要是因为高端4G和5G PA市 场将保持增长,但是2G/3G PA市场将会逐步衰退。


射频芯片:分立式和模组
射频前端模组是将射频开关、低噪声放大器、滤波器、双工器、功率放大器等两种或者两种以上的分立 器件集成为一个模组,从而提高集成度与性能并使体积小型化。根据集成方式的不同可分为DiFEM(集 成射频开关和滤波器)、LFEM(集成射频开关、低噪声放大器和滤波器)、FEMiD(集成射频开关、滤波 器和双工器)、PAMiD(集成多模式多频带PA和FEMiD)等模组组合。
持续增加的射频前端器件数量和PCB板可用面积趋紧之间的矛盾促进射频前端模组化发展,越来越多的 分立式射频前端芯片通过SiP技术封装在同一颗大芯片里面。从Broadcom的发展来看,2007~2010年主要 是分立的射频前端器件,2011~2013年是单颗PA模组,2014年以来持续升级,已经实现多频段PA模组整 合。与此同时,Skyworks、Qorvo、村田、高通等射频前端芯片大厂均已推出多品类射频前端模组产品。

据Yole Development的统计与预测,分立器件与射频模组共享整个射频前端市场。2018年 射频模组市场规模达到105亿美元,约占射频前端市场总容量的70%。到2025年,射频模组 市场将达到177亿美元,年均复合增长率为8%;2018年分立器件市场规模达到45亿美元,约 占射频前端市场总容量的30%。到2025年,分立器件仍将保留81亿美元的市场规模。

接收模组(FEM)
接收模组主要指承担下载功能的射频模组,不含PA。以手机为例,与基站通信的过程中, 分为上行(上传)和下行(下载),手机上传数据需要手机PA将信号放大,基站处于接收 状态;下载数据需要基站方面的PA将信号放大,手机处于接收状态。接收模组主要是射频 开关、滤波器、LNA等芯片产品的排列组合。
据Yole Development数据,预计射频前端接收模组市场空间将从2018年的25亿美元增长到 2025年的29亿美元,年均复合增长率为2%。


功率放大器模组(PAM)
功率放大器模组主要指承担上传信号功能的射频模组,包含PA。以手机为例,与基站通信 的过程中,分为上行(上传)和下行(下载),手机上传数据需要手机PA将信号放大,基 站处于接收状态;下载数据需要基站方面的PA将信号放大,手机处于接收状态。功率放大 器模组主要是射频开关、滤波器、PA等芯片产品的排列组合。以Qorvo某款M/HB PA模组为 例,在一颗大SiP封装内,包含有12个滤波器、3个PA、1个控制芯片、1个天线开关和3个射 频开关。
据Yole Development数据,预计功率放大器模组模组市场空间将从2018年的60亿美元增长 到2025年的104亿美元,年均复合增长率为8%。


AiP模组(毫米波天线模组)
由于毫米波频率高,传输损耗大,因此天线和射频前端集成化,典型设计上,将毫米波天 线与毫米波芯片封装在一起,业内称之为AiP(antenna-in-package)。
现阶段美国5G网络主推毫米波建设,三星美国版搭载AiP模组支持美国5G频段。预计2020年 iPhone新品美国版本同样需要配置AiP模组。
据Yole Development数据,AiP模组于2019年开始产生销售,主要是美国市场,预计到2025 年市场空间将达到13亿美元,年均复合增长率为68%。

WiFi模组
WiFi功能是智能手机的必备,最新一代标准为WiFi 6,小米10、华为P40、iPhone SE 2代 等2020年新上市手机全面支持。
每一次标准升级都会带动相关芯片创新和价值量提升,随着WiFi 6新标准的普及渗透,据 Yole Development数据,预计WiFi模组市场规模将从2018年的20亿美元增长到2025年的31 亿美元,年均复合增长率为6%。

新一代化合物材料特性:用于光电/通信/功 率器件的升级

第三代半导体材料:氮化镓(GaN)、碳化 硅(SiC)

半导体材料发展趋势:硅依然为主流半导体材料

硅片成品:SOI硅片、结隔离硅片为其他高 规格加工硅片

竞争格局怎么样?
行业整合持续,重点公司寻求全品类供应
射频器件本质上是半导体器件,4G普及高峰过后,射频器件厂商成长性衰退,2014年 以来,射频器件厂商收购兼并持续进行。2014年TriQuint与RFMD合并成为Qorvo, 2016年高通与TDK共同出资建立RF360,Avago收购Broadcom,传统半导体芯片大厂持 续整合,通过收购或者共同投资将各自优势产品结合,寻求产业链更有力地位,争取 做到多品类器件供应。

总体而言,海外寡头占据绝对份额
全球射频前端芯片市场主要被Murata、Skyworks、Broadcom、Qorvo、Qualcomm等国外领先 企业长期占据。根据Yole Development数据,2018年,前五大射频器件提供商占据了射频 前端市场份额的八成,其中包括Murata 26%,Skyworks 21%,Broadcom 14%,Qorvo 13%, Qualcomm 7%。
国际领先企业起步较早,底蕴深厚,在技术、专利、工艺等方面具有较强的领先性,同时 通过一系列产业整合拥有完善齐全的产品线,并在高端产品的研发实力雄厚。另一方面, 大部分企业以IDM模式经营,拥有设计、制造和封测的全产业链能力,综合实力强劲。

从旗舰机型拆解看,Tuner用量最多
参考iPhone Xs、三星S20、华为P30、小米8、OPPO Find X等各品牌旗舰手机拆解信息,除 Murata、Skyworks、Broadcom、Qorvo、Qualcomm五大厂商之外,主流供应商还有英飞凌、 华为海思、索尼、安森美、STM、NXP等。
而在射频产品细分品类中,天线调谐开关(Antenna Tuner)数量占比最多,达到33%,其 他为发射模组(包含HB PAMiD、MB PAMiD、HB/MB PAMiD、PAM)、接收模组(包含FEM、开 关低噪放模组)、射频开关和LNA。

重点射频芯片,供应商和客户对照

国内厂商起步晚,从分立式起步
相比之下,国内射频芯片公司由于起步较晚,基础薄弱,并且主要集中在无晶圆设计领域。 较之国际领先企业在技术积累、产业环境、人才培养、创新能力等方面仍有明显滞后,与 美国、日本、欧洲等厂商仍存在较大差距。
国内射频芯片厂商从相对成熟的分立射频芯片起步,在5G手机广泛普及前的窗口期,逐步实现中低端机型射频前端进口替代,同时积累模组能力,逐步走向全品类供应。

从分立,到模组,循序渐进
以iPhone X为例,用到了一颗Broadcom的发射模组芯片,内部包含多个分立的芯片,通过 SiP封装为一颗大芯片。在这颗大芯片之中,具体包含2颗PA,12颗BAW滤波器,2颗射频开 关,一颗控制IC。除此之外,还有10颗电感和30颗电容。
目前本土射频厂商提供的产品主要集中于分立器件,抢占中低端市场份额,且所提供的产品趋于同质化,从而导致市场价格下降、行业利润缩减等状况。结合芯片设计行业的特点,唯有在新技术、新产品等方面持续投入,构建具有自主发展能力和核心竞争力的产业链,才能逐步缩减与国际领先企业的距离。

从华为射频芯片供应商变迁看自主可控
2018年之前,华为P系列和Mate系列的旗舰机型,射频芯片的主要供应商是Murata、 Skyworks、Qorvo和Epcos。2018年美国制裁之后,华为供应链逐步放弃美国供应商,采用 海思自研和加快引入国内供应商,在2019Q4的Mate 30手机中,射频芯片主要来自于Murata、 海思和卓胜微。

2015年以来华为旗舰机射频芯片供应商

行业内有哪些主流公司?
卓胜微
积跬步成千里,射频前端模组实现从无到有的突破。公司以射频开关、LNA芯片起家,实现 全球领先手机品牌如三星、小米、华为、vivo、OPPO等重点客户覆盖,并在2019年实现射 频模组产品从无到有的突破。在细分产品中,比较优势明显,射频开关已通过高通的小批 量试产验证,正式进入量产。公司在2019年顺利完成DiFEM产品的开发设计,在知名移动智 能终端客户完成小批量试产,进入正式量产。DiFEM的成功研制是公司技术创新的又一里程 碑,打破了海外寡头在射频模组领域的垄断局势。站在当前时点,公司营收体量小,所处 赛道面向250亿美元市场,具备5G换机潮和射频芯片国产替代的双重弹性。


韦尔股份
除去被市场广泛认知的CIS图像传感器业务,韦尔股份也有射频芯片业务。近年来,公司不 断投资丰富自研产品类型,通过内部研发产品线的整合与协助,持续加大了在射频及微传 感器领域的产品研发投入,在 RF Switch、Tuner、LNA 等产品领域研发出了具有市场竞争 优势的成果。公司射频产品采用 CMOS 工艺设计,依靠新设计、新工艺和新材料的结合, 突破了传统的保守的设计思路。多款 RF Switch、LTE LNA 已实现量产销售,2020年进一步升 级既有产品。Tuner高频调谐器目前研发进展顺利,适应智能穿戴产品的发展需求。此外,公司 针对5G应用需求进行研发立项,以确保在5G商用时代到来之际把握住机会,迅速推出应用于5G 移动通讯的产品。

信维通信
公司以终端天线业务起家,在收购莱尔德切入苹果供应链后,逐步实现手机天线份额提升,并延 伸到PC天线、Macbook天线,稳定的供货能力和配套服务能力保障公司进一步的扩展供应金属小 件、射频连接器、金属弹片等多种产品。在新产品拓展方面,公司继续围绕射频主业丰富新产品 线,已研发量产滤波器等射频前端器件,积极开发射频前端模组、5G毫米波LCP射频传输线、多 种型号的5G基站天线振子等。公司增资德清华莹扩产滤波器,控股瑞强通信拓展射频PA等设计、 分销业务,公告拟定增30亿元投入射频芯片等项目,将有利于公司结合现有的全球大客户平台优 势,加速完善射频前端产业布局,快速提高公司射频前端产品的市场占有率,迎接5G射频前端市 场爆发。

顺络电子
公司电感产品广泛应用于电子设备,而以智能手机为主,重点客户包括华为、OPPO、vivo、 小米等。智能手机电感行业升级的方向是小型化、精密化,0805、0603、0402、0201、 01005,尺寸越来越小,精度越来越高,难度越来越大,全球有能力的厂商越来越少。公司 已经形成叠层、绕线两大工艺平台,产品具备国际竞争力,高端01005已经开始量产,主要 竞争对手日本村田,手机用电感正处于行业小型化升级叠加5G需求释放的红利初期。我们 测算,5G手机电感用量比4G手机提升50%以上,价值量提升比例高于数量提升比例,看好顺 络电子的长期发展。

三安光电
公司是全球LED芯片龙头,重点投资III-V族化合物半导体,子公司三安集成2019年实现销售收入 2.41 亿元,同比增长 40.67%。砷化镓射频出货客户累计超过 90 家,客户地区涵盖国内外;氮 化镓射频产品重要客户已实现批量生产,产能正逐步爬坡;电力电子产品推出的高功率密度碳化 硅功率二极管及 MOSFET 及硅基氮化镓功率器件主要应用于新能源汽车、充电桩、光伏逆变器等 电源市场,客户累计超过 60 家,27种产品已进入批量量产阶段;光通讯业务产品主要应用于光 纤到户,5G 通信基站传输及消费类终端的3D感知探测等应用市场,光通讯在保持及扩大现有中 低速 PD/MPD 产品的市场领先份额外,在附加值高的高端产品如 10G APD/25G PD、以及发射端 10G/25G VCSEL 和 10G DFB 均已在行业重要客户处实现验证通过,进入实质性批量试产阶段; 滤波器产品开发性能优越,生产线持续扩充及备货中,预计 2020 年会实现销售。

昂瑞微
公司创办于2012年7月,是中国领先的射频前端芯片和射频SoC芯片的供应商,每年芯片的 出货量达7亿颗。研发、运营、财务总部位于北京,在海外、中国香港和广州设有研发中心, 在韩国和中国台湾设有办事处,在上海和深圳设有销售和技术支持中心。公司专注于射频/ 模拟集成电路和SoC系统集成电路的开发,以及应用解决方案的研发和推广。主要产品:面 向手机终端的2G/3G/4G全系列射频前端芯片、面向物联网的无线连接芯片,支持高通、联 发科、展讯、英特尔等基带平台。产品应用于功能手机、智能手机、平板电脑、智能手表、 智能家居、蓝牙音箱等消费类产品。

唯捷创芯
2010年公司成立于天津滨海新区,在上海、北京、深圳、苏州设有研发中心及办事处。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。公司总计申请国内专利48项,其中45项发明专利,6项已授权;3项实用新型授权。国际PCT 申请25项,其中15件PCT申请欧美授权。美国授权5项其中1项同时在欧洲授权。集成电路布 图登记授权62项。软件著作权登记1项。

紫光展锐
作为紫光集成电路产业链中的核心企业,紫光展锐致力于移动通信和物联网领域核心芯片 的自主研发及设计,产品涵盖2G/3G/4G/5G移动通信基带芯片、物联网芯片、射频芯片、无 线连接芯片、安全芯片、电视芯片。目前,紫光展锐的员工数量超过4500人,在全球拥有 14个技术研发中心,8个客户支持中心,致力成为全球前三的手机基带芯片设计公司、中国 领先的泛芯片供应商和中国领先的5G通信芯片企业,并通过自主创新和国际合作的双轮驱 动,稳步成为世界数一数二的芯片设计企业。2020年4月20日,海信发布首款5G智能手机 F50,搭载了紫光展锐虎贲T7510。

安谱隆(Ampleon)
Ampleon集团原为全球著名半导体企业NXP的射频功率部门,在射频功率芯片行业拥有超过 50年的运营经验,后经剥离成立公司并由建广资产成功竞标。根据研究机构ABI Research 的统计,2016年Ampleon集团在射频功率半导体行业的市场占有率为19.6%,全球排名第二。公司的射频功率芯片主要供应各大通讯基站设备制造商。Ampleon的经营模式介于IDM模式 与Fabless模式之间,其业务涵盖射频功率芯片的设计、封装测试以及最终的销售环节,但 不包括晶圆采购、芯片制造及测试等中间环节。公司拥有Si LDMOS技术以及最新一代高端 半导体射频氮化镓技术,GaN业务主要通过由晶圆厂商(UMS)代工的方式实现产品出货。公司基站芯片业务占业务总收入的88%。

海外公司:Skyworks
Skyworks Solutions, Inc. 成立于1962年,是高性能模拟半导体的创新者。Skyworks支持 汽车、宽带、蜂窝基础设施、能源管理、全球定位系统、工业、医疗、军事、无线网络、 智能手机和平板电脑的应用程序。公司的产品组合包括放大器、衰减器、环形器、解调器、 检测器、二极管、定向耦合器、前端模块、混合动力汽车、基础设施射频子系统、隔离器、 照明和显示解决方案、混频器、调制器、光耦合器、光隔离器、移相器、 锁相环/合成器/ 压控振荡器 、功率分配器/合成器、电源管理器件、接收器、开关和工业陶瓷。主要客户 包括苹果、思科、爱立信、富士康、通用电气、谷歌、霍尼韦尔、宏达电、华为、 LG、诺 基亚、诺斯罗普·格鲁门公司、飞利浦、三星、胜赛斯、西门子、东芝和中兴通讯。

海外公司:Qorvo
Qorvo, Inc.由RFMD和TriQuint合并而来,是一家设计、开发及生产“射频”集成电路产品 的美国独资企业,公司为移动产品、基础设施和国防航天市场提供标准型和定制型产品解 决方案以及战略制造服务。目前Qorvo是全球主要的功频放大器供货商,为客户涉及的所有 射频产品提供核心技术。公司的客户为华为、苹果、三星、联想、小米、OPPO、Vivo、高 通等众多国内外知名通讯行业先锋。

海外公司:Broadcom
博通公司前身为安华高科技,安华高科技(Avago Technologies)收购芯片制造商博通公司 (Broadcom),新公司为Broadcom Limited。安华高科技(Avago Technologies,Nasdaq:AVGO) 为聚焦III-V族复合半导体设计和工艺技术,各种广泛模拟、混和信号以及光电零组件产品 和次系统的领先设计、开发和全球供应商,通过广泛丰富的知识产权,为无线通信、有线 基础设施以及工业和其他等三个主要目标市场提供产品,产品应用包括移动电话和基站、 数据网络、存储和电信设备、工厂自动化、发电和替代能源系统以及显示器等。Avago拥有 源自于惠普(Hewlett-Packard)公司长达50年的技术创新传统以及遍布全球的公司团队。
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