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國產射頻前端芯片格局

jf_tyXxp1YG ? 來源:中科聚智 ? 2023-10-29 09:25 ? 次閱讀

2023年,國產射頻領域的各個細分賽道都將迎來上市公司,也都會有自己的標桿和龍頭企業,可以說這將是國產射頻前端芯片格局初定的一年。在這種格局下,國產射頻前端領域的初創公司若想要在行業內站穩腳跟,尋求進一步發展,則需要努力對標相應賽道的標桿企業,發展至賽道前三水平。

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射頻(Radio Frenquency)一詞由英文直譯而來,起初最早應用于無線廣播(FM/AM)中,而現在射頻相關模塊仍然搭載在一切需要無線及通訊的設備中,負責2G/3G/4G/5GWi-Fi藍牙、GPS、UWB、LoRaNB-IoT通信協議的接收、轉換與呈現。沒有射頻模塊,手機就不能再稱之為手機。

射頻芯片是射頻模塊的核心,指的是能接收或發射射頻信號并對其進行處理的集成電路,處理指的是將基帶信號進行上變頻和濾波的射頻信號發射出去,或把接收到的射頻信號通過下變頻和濾波得到基帶信號。

射頻芯片對工藝制程要求并不高,可不受摩爾定律影響[2],但不代表它很簡單。與CPUGPU或是電源管理芯片不同,射頻芯片設計復雜,且一般以工作頻段和增益為主要衡量標準,因此市場整體較為穩定,更新較慢,不像前者那般時常有新品發布。[3]

主流射頻廠商主要采用自主生產的方式運營,即IDM(Integrated Design and Manufacture,垂直整合制造),Fabless(無制造半導體)模式的公司難以與IDM公司形成優勢,此外,射頻芯片門檻非常高,并不是說做就能做。

一方面,移動終端設備功能快速增加,5G、Wi-Fi 6技術成為主流,射頻芯片數量急劇增加,然而留給射頻芯片的空間卻沒有同步增加,高度集成化將進一步增大其設計難度,加之不同類型芯片結合方式、干擾和共存等問題,設計難度指數化提升。舉個例子來說,4G 時代,僅頭部手機廠商旗艦機會采用高度集成的PAMiD射頻前端方案,而5G時代,L-PAMiD和L-PAMiF等已成為中高端手機標配,提供不了相關技術的射頻芯片公司只會被淘汰。[4]

另一方面,從商用角度來看,設計一款射頻芯片不僅需要大量理論知識,也非常考驗設計者的經驗,不依賴制程的集成電路大多依靠更換材料提升性能,GaAs(砷化鎵)、SiGe(硅鍺)、GaN(氮化鎵),每一代材料,都擁有其工藝、器件和電路,加上很多射頻芯片的指標要求都是在挑戰工藝極限,這就要器件結構擁有諸多創新。[5]

射頻芯片是一個非常泛的詞,雖然很多情況下,大家口中的射頻芯片多指代射頻前端芯片,但實際上嵌入在手機中的射頻芯片不止一種,每一種都具有廣闊的市場前景。

普遍來說,手機無線通信模塊分為射頻前端、基帶、收發器天線四大部分,每個部分又是由大量分立的芯片組成,市場非常復雜。

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智能手機通信系統結構示意圖[6]

射頻前端——國產的最愛

射頻前端RFFE(RF Front End)是天線與射頻收發芯片的必經之路,它負責無線電磁波信號的發送和接收,是移動終端設備實現蜂窩網絡連接、Wi-Fi、藍牙、GPS等無線通信功能所必需的核心模塊。

射頻前端芯片通常集成多種不同器件,不同終端中所集成的器件的種類和數量也不同。大多情況下,射頻前端芯片包含功率放大器(PA)、濾波器(Filter)、雙工器或多工器(Duplexer或Multiplexer)、低噪聲放大器(LNA)、開關(Switch)、天線調諧模塊(ASM)等器件,而在部分終端的射頻前端架構中,還會在天線開關后增設雙通器(Diplexer)、連接器 (Coupler)。[7]

不同器件并非各做各的任務,而是彼此協調聯動:射頻功率放大器(PA)用于放大發射通道的射頻信號;射頻低噪聲放大器(LNA)用于放大接收通路的射頻信號;雙工器用于隔離發射信號和接收信號;濾波器用于保留特定頻段的信號,濾除特定頻段外的信號;射頻開關用于實現射頻信號收發轉換,并將不同頻段射頻信號集中在同一通路。[6]

此外,不同器件也影響著整機的通信質量:如整個前端的鏈路插損影響著射頻信號功率和靈敏度,PA放大性能會影響發射信號的功率,LNA放大性能會影響接收信號的靈敏度,濾波器會影響射頻信號的帶外雜散指標等。[8]

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終端部分射頻前端器件介紹[7]

從2G到5G,射頻前端設計已大有不同:

一方面,移動終端設備內芯片數量急劇增加,整體價值不斷攀升,比如說,高端4G手機中射頻前端的價值達到2G制式手機的17倍,而在5G時代射頻前端價值則達到4G制式下的兩倍以上;[9]

另一方面,移動終端設備留給射頻前端芯片的空間并沒有增加,以往,射頻前端模塊電路設計著重于功率放大器(PA)設計,追求低電壓操作、高功率輸出、高功率,以符合使用低電壓電池,藉以縮小體積,同時達到省電的目的[10],但在功能愈加豐富的現今,廠商只能不能提升射頻前端的集成度,來滿足現有設計需求,這必然會增加中高端市場準入門檻。

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2G~5G射頻前端構成數量變化及價值量[11]

在過去多年的發展中,射頻前端不同器件工藝和材料經歷多次迭代,目前2GHz以下頻段,射頻前端模塊以金屬氧化物半導體(CMOS)、雙極結型 (BJT) 、硅鍺 (SiGe)或Bipolar CMOS等硅集成電路制程設計為主,而5GHz以上頻段,砷化鎵場效應晶體管在電性功能表現優強勢。縱觀整個市場,現在射頻前端各器件趨勢如下——

濾波器:可分為射頻濾波器與基站濾波器,SAW(聲表面波)、BAW(體聲波)是目前主流技術,相比SAW,BAW的的頻段更高、損耗更小、頻率范圍更廣[12]。目前,SAW偏向中低頻率數據處理,以日系廠商為主,市場應用空間更大,BAW偏向高頻率數據處理,以美系廠商為主,應用空間更窄,但價值量高[2]。從產業鏈端來看,上游關鍵原料包括壓電晶片(SAW常用鉭酸鋰、鈮酸鋰等,FBAR常用氮化鋁等)和陶瓷基板,主要集中在日本;中游器件制造集中在日本和美國;下游需求端包括手機、車載終端、VR設備等。4G時代,一款手機僅需30多個濾波器,而5G時期通常要使用上百個濾波器,此外單價也從7.5美金提升至8~12美元,市場空間正逐步攀升[13]。市場方面,濾波器將從2022年的121億美元提升至2030年的346.1億美元,年復合增長率16.2%;[14]

放大器:分為射頻低噪聲放大器和射頻功率放大器兩類,主要采用PHEMT和HBT兩類晶體管實現,X波段及以上頻段主要采用頻率高、噪聲低、輸出功率大的PHEMT工藝,HBT工藝則在高速、大動態范圍、低諧波失真、低相位噪聲等應用占據獨特地位[15],只有滿足一定技術指標的放大器才具備實用性,包括功率輸出、系統效率、頻率范圍和失真等,國內玩家包括慧智微、紫光展銳、飛驤科技、昂瑞微等。市場方面,PA將從2022年的50.3億美元增長至2032年的210.4億美元,年復合增長率15%[16],LNA將從2020年的20.5億美元增長至2027年的32.9億美元,年復合增長率6.97%;[17]

射頻開關:主要包括傳導開關和天線開關兩類,主要采用RF-SOI工藝,廣泛應用于智能手機等移動智能終端[11]。市場方面,射頻開關將從2020年的40.2億美元增長至2027年的85.6億美元,年復合增長率11.4%;[18]

雙工器:又稱天線共用器,由兩組不同頻率的帶阻濾波器組成,避免本機發射信號傳輸到接收機,技術指標主要包括工作頻率范圍、隔離度、插入損耗、穩定度、電壓駐波比(VSWR),市場方面,雙工器將從2022年的78.5億美元增長至2023年的216.2億美元,年復合增長率,10.7%。[19]

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不同射頻前端器件的材料、特殊制造工藝都在不斷發展[20]

射頻前端全球市場增長穩定,且集中度極高。Yole數據顯示,美國的思佳訊(Skyworks)、博通(Broadcom)、威訊聯合半導體(Qorvo)、高通(Qualcomm)和日本的村田(Murata)五家廠商的產品在2021年和2022年占據了超過80%的市場份額,國內廠商銳迪科、國民飛驤、唯捷創芯、韋爾股份等則只能分食僅剩的20%市場份額。

需指出的是,雖然本土廠商已不斷在射頻開關、低噪聲放大器等細分領域實現突破,但依然缺乏中高端產品,高度依賴進口。[40]

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國產射頻芯片關鍵事件,制表丨果殼硬科技

參考資料丨半導體行業觀察[41][42],集微網[43]《軍民兩用技術與產品》[44]

當國產射頻芯片賽道擠滿玩家之后,內卷開始,曾經的香餑餑開始出現異樣。

國產射頻前端芯片五個賽道與五個標桿

國頻前端芯片企業的成功基本是基于單點突破的,最終形成了五個賽道和五個標桿。個人看來,濾波器是一個很大的市場,但分立濾波器很難形成一個賽道和龍頭企業。射頻前端芯片的末端是模組,接收濾波器的盡頭是DiFEM和LFEM,而發射濾波器的盡頭則是PAMiD。

1

賽道一:射頻開關/LNA,

標桿企業:卓勝微

江蘇卓勝微電子股份有限公司成立于2012年8月10日,于2019年6月18日在深圳證券交易所創業板上市,是一家專注于射頻集成電路領域的研究、開發、生產與銷售的高新技術企業。公司通過多年的技術經驗積累,持續完善公司產品矩陣,主要向市場提供射頻開關、射頻低噪聲放大器、射頻濾波器、射頻功率放大器等射頻前端分立器件及各類模組產品,同時公司還對外提供低功耗藍牙微控制器芯片。目前公司已初步完成射頻前端全品類的縱深布局,形成資源和技術平臺的競爭優勢,成為國內領先覆蓋從研發設計、晶圓制造封裝測試到銷售等完整產業鏈的射頻前端供應商。

卓勝微自成立以來經營業績和利潤保持平穩增長,營業收入從2014年的4400萬人民幣增長至2018年的5.6億人民幣。2018年分立射頻開關營業收入4.6億人民幣,占比82%;LNA營業收入8500萬人民幣,占比15%。而在上市后,2019年的營業收入更是達到了15.12億人民幣,增長超過3倍。2022前三季度,實現營業收入30.17億人民幣,2022年營收預計為41.67億元。

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卓勝微在上市后,進入所有手機品牌客戶,鎖定第一供應商的位置,助力業績快速增長。與此同時,卓勝微從分立開關轉向DiFEM和LFEM,其業績再次得到快速增長。2021年,卓盛微推出了PAMiF,標志著正式進軍手機PA,未來也必然會向PAMiD邁進。

國產射頻前端芯片的第一個賽道,將在卓勝微的主導和射頻行業的推動作用下,從從分立開關/LNA賽道逐漸轉變為DiFEM和LFEM賽道。

2

賽道二:Phase2和Phase5N PA,

標桿企業:唯捷創芯

中國于2008年4月1日開始普及3G網絡,目前有三種3G標準:WCDMA、CDMA 2000、TD-SCDMA

作為國內PA行業的領先力量的唯捷創芯成立于2010年6月,為3G PA而生,一直專注于射頻前端及高端模擬芯片的研發與銷售,產品主要應用于智能手機等移動終端,是手機中的核心芯片之一。2012 年公司獨立研發的射頻功率放大器芯片開始量產,2013 年公司即進入全國集成電路設計企業前 30 強。到2014年,唯捷創芯果斷放棄3G PA,進入了4G Phase2 PA,并于2016年開始將產品投放市場,到2018年,其銷售額達到了2.83億元。此后,唯捷創芯營收進入快車道,2019年,2020年,2021年,營業收入分別達到5.58億,17.86億和35.09億人民幣。此外,除了在現有產品上取得突破性進展,公司還大力投入到下一代產品中,目前5G產品已在預研階段。

2022年手機出貨量大幅下滑,唯捷創芯前三季度營業收入約17.77億元,預計全年應收將達到25億元左右,較2021年下降30%。盡管如此,Phase2和Phase5N PA產品,唯捷創芯仍然是國內手機品牌客戶的第一供應商。

與此同時,唯捷創芯也正在全力布局PAMiD和PAMiF產品,在分立開關領域加大技術、資金和人力投入。

3

賽道三:PAMiD和PAMiF,

標桿企業:慧智微

慧智微成立于2011年11月,是一家為智能手機、物聯網等領域提供射頻前端的芯片設計公司,在PA模組產品上進入較早,并取得了一系列成果和優勢。前端PA/LNA模塊采用了可重構架構,集成度更高,而使用晶圓更少,有助于兼容更大尺寸的濾波器;由于其具有軟件調優特性,因此便于集成后的二次適配;同時通過產品迭代和不斷積累,具備了PAMiD封裝控制能力。

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公司具備全套射頻前端芯片設計能力和集成化模組研發能力,技術體系以功率放大器(PA)的設計能力為核心,兼具低噪聲放大器(LNA)、射頻開關(Switch)、集成無源器件濾波器(IPD Filter)等射頻器件的設計能力,產品系列覆蓋的通信頻段需求包括 2G、3G、4G、3GHz以下的5G重耕頻段、3GHz~6GHz的5G新頻段等,可為客戶提供無線通信射頻前端發射模組、接收模組等,其產品應用于三星、OPPO、vivo、榮耀等國內外智能手機品牌機型,并進入聞泰科技、華勤通訊等一線移動終端設備ODM廠商和移遠通信、廣和通、日海智能等頭部無線通信模組廠商。慧智微專注于可重構射頻前端架構,采用基于“絕緣硅(SOI)+砷化鎵(GaAs)”兩種材料體系的混合架構射頻前端技術路線,并實現技術突破及規模商用,使射頻前端器件可以通過軟件配置實現不同頻段、模式、制式和場景下的復用,取得性能、成本、尺寸多方面優化。

4

賽道四:WiFi FEM,

標桿企業:康希通信

康希通信科技(上海)有限公司成立于2014年9月26日,由國際上在射頻半導體設計、應用、生產和銷售領域經驗豐富的專業人才歸國組建而成,憑借在射頻前端領域深厚的技術積累與研發實力,為業界帶來了康希通信特有的小尺寸、高線性和高效率 GaAs + CMOS 射頻前端解決方案。康希通信專注于WiFiFEM研發,2020年,康希通信抓住WiFi6FEM的機會,實現了8111萬銷售額,并在此后用技術和產品證明自己,在2021年和2022年上半年,銷售額分別達到3.42億元和2.03億元,相比于2019年的2857萬銷售額,保持了穩定且快速的增長。此外,隨著新技術標準——WiFi7的快速崛起,康希通信憑借其技術突破,在WiFi7 FEM方面得到了全球主流廠商的認可,未來可期。

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5

賽道五:基站PA,

標桿企業:某上市企業

基站PA領域,國內已有兩家上市公司和一家準上市公司。兩家上市公司為IDM公司,而準上市公司是fabless設計公司。

基站PA分GaN PA、LDMOS PA、GaAs PA,這些產品長期被國外廠家所壟斷,近些年國內公司也開始研發,真正做到批量出貨的公司較少,目前,基站PA主要采用LDMOS PA,但是LDMOS技術適用于低頻段,在高頻段領域存在局限性。行業人指出,5G基站GaN PA將成為主流技術,GaN PA能較好的適用于大規模MIMO技術。2021年和2022年兩年期間,國內基站PA市場規模約50億元,預測2023年將下降至30億元左右。

目前,在基站PA領域,宏基站PA領域的企業有日本住友和美國Cree,微基站PA領域的企業有Skyworks和Qorvo等。

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原文標題:國產射頻前端芯片格局

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