智芯研报 | 5G 手机给射频前端带来巨大产业机遇

射频前端，作为设备于外界通信的重要节点，在整个通信系统中产生的作用不言而喻。砷化镓器件应用于消费电子射频功放，是 3G/4G 通讯应用的主力，物联网将是其未来应用的蓝海；氮化镓器件则以高性能特点目前广泛应用于基站、雷达、电子战等军工领域，利润率高且战略位置显著，由于更加适用于 5G，氮化镓有望在 5G 市场迎来爆发，而砷化镓则是 5G 功放的另一种备选。

行业知名机构 Yole Développement (Yole)的射频设备与技术部技术与市场分析师 Cédric Malaquin 在早前的一份报告中表示，移动设备正在加速向 5G 过渡。

他进一步指出，与 2020 年相比，2021 年 5G 手机的数量将增加一倍以上。这个普及速度比 10 年前的 LTE 标准要快得多。伴随着 5G 的爆发，射频设备的需求空前增加。与此同时，手机厂商还需要对以前的无线电标准提供支持。

“因此，我们必须将数百个射频组件安装到手持式设备中。这现在正在影响中端和入门级手机，而不仅仅是旗舰。”Cédric Malaquin 强调。

在 Cédric Malaquin 看来，在手机中实施的 5G 功能侧重于提高下载速度并使上行链路更加稳健。此外，尽管这目前仅适用于旗舰产品，然而在毫米波频率上创建了一条全新的无线电路径，这也是射频前端厂商的机会。

Yole 同时在报告中强调，5G 的引入增加了手机以及 RF 的复杂性。在保持可接受的外形尺寸的同时使用分立元件构建 5G 手机是一项挑战，为此需要推动更多的集成。  

“在这种需求下，射频前端市场领导者都推出了适应多种市场需求的灵活模块产品。除此之外，有些厂商还为旗舰产品定制了模块”，Yole 射频技术和相关市场分析师 Mohammed Tmimi 博士肯定地说。

根据 Yole 射频团队预估，与 4G 版本相比，5G 手机中的射频含量高出 5 至 8 美元，而毫米波版本则多出 10 美元。 因此，射频前端市场正在蓬勃发展。

为此 Yole 表示，到 2021 年底，射频前端市场规模应该达到 170 亿美元，高于 2020 年的 140 亿美元。但他们也表示，自此之后，RF 前端市场的增长应该会放缓。而后随着 5G 成为主流且竞争进一步加剧时，射频前端的 ASP 将受到影响。根据分析师预计，射频前端市场在 2019 年（5G 推出之年）和 2026 年之间的复合年增长率为 8.3%，届时射频前端市场规模将达到 210 亿美元。

射频性能优异的

化合物半导体

化合物半导体射频性能优异。硅单晶材料是制作普通集成电路芯片的主要原料，但受限于材料特性，很难适用于高频/高压/大电流芯片应用。

化合物半导体材料因其优良的器件特性广泛适用于射频器件。常见的化合物半导体包括三五族化合物半导体和四族化合物半导体。

其中，砷化镓（ GaAs）和氮化镓（ GaN）作为其中应用领域最广、产业化程度最高的三五族化合物材料，具有优良的射频性能，天然具备禁带宽度宽、截止频率高、功率密度大等特点， 作为射频功率器件的基础材料分别主宰主流民用和军用/高性能射频集成电路市场。

化合物半导体与普通 Si CMOS 半导体器性能比较

化合物半导体细分应用及说明

化合物射频器件应用器件工艺分布图

化合物射频器件应用相关信息

▌ 氮化镓：性能优异的第三代半导体材料

半导体材料共经历了三个发展阶段：

1. 第一阶段是以Si、Ge为代表的第一代半导体材料

2. 第二阶段是以GaAs、InP等化合物为代表的第二代半导体材料

3. 第三阶段是以GaN、Sic、ZnSe等宽禁带半导体材料为主的第三代半导体材料

其中，第三代半导体材料具有很多优异于第一和第二代半导体材料的性能特点：第一，具有较大的禁带宽度，较高的击穿电压，耐压性能较好，更适合应用大功率领域；第二电子饱和速率较高，弥补了电子迁移率的缺陷；第三高温性能良好，减少了附加散热系统的设计成本；第四，发展前景广阔，在高频、高温、大功率等领域有很大发展潜力。因此氮化镓（GaN）凭借其优异的性能而成为目前研究的热点内容。

正是由于氮化镓优异的性能，目前氮化镓已经成为射频器件（RF）、LED和功率器件等的应用热点 ，尤其是氮化镓同时可以满足高功率和高频率的特点，并且在高频下拥有更高的功率输出和更小的占位面积，目前已经成为射频器件应用的热点和最优选择之一。

当前基站与无线回传系统中使用的大功率射频器件（功率大于3瓦），主要有基于三种材料生产的器件，即传统的LDMOS（横向扩散MOS）、砷化镓（GaAs），以及新兴的氮化镓（GaN）。

氮化镓是拥有宽禁带的材料，其禁带宽度（3.4eV）是普通硅（1.1eV）的3倍，击穿电场是硅材料的10倍，功率密度高，可以提供更高的工作频率、更大的带宽、更高的效率，可工作环境温度也更高。由于成本优势，LDMOS在低频仍有生存空间，但氮化镓已经在向低频渗透，例如在2.6GHz频段，也开始出现氮化镓方案。

由于工艺输出功率特性限制，LDMOS在3.5GHz及以上频率不能提供足够大的功率，所以从3.5GHz到未来的毫米波，高频应用中氮化镓不是去替代LDMOS，而是开辟全新的市场空间。氮化镓拥有全面的优势，无论是带宽、线性度、增益还是效率，硅器件都无法与氮化镓竞争。

随着通信技术不断向高频演进，氮化镓是必然的选择。因为需要更大的带宽，更好的线性度，5G和高频化应用，让氮化镓大有用武之地。在5G时代，未来一台基站里面就要用几百个PA（功率放大器），而5G的基站部署数量将呈指数形式增长，所以在5G时代，射频器件产业将比以往大得多。

▌ 硅基氮化镓（GaN-on-Si）：最有前景的衬底技术

目前来看，GaN主要有三种类型的衬底，分别是硅基、碳化硅（SiC）衬底和金刚石衬底。

金刚石衬底氮化镓（GaN-on-Diamond） ： 制造较为困难，但是优势明显：在世界上所有材料中金刚石的热导率最高（因此最好能够用来散热）。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来，可以实现非常接近芯片的有效导热面。

碳化硅衬底氮化镓（GaN-on-SiC）： 这是射频氮化镓的“高端”版本，SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品，可提供其他出色特性，可确保其在最苛刻的环境下使用，但是成本相对较高。

硅基氮化镓（GaN-on-Si）： 这种方法比另外两种良率都低，不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此，它可以以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术，从而实现对现有市场份额的替代。

GaN-on-SiC目前主导了RF GaN行业，已渗透到4G LTE无线基础设施市场，预计将部署在5G sub-6Ghz的RRH架构中。 与此同时，经济高效的LDMOS技术也取得了显著进步，可能会对5G sub-6Ghz有源天线和大规模多输入多输出（MIMO）应用中的GaN解决方案发起挑战。不过，这可能需要以降低效率为代价，从而带来功耗的增加，对于5G的大规模部署来说是不可持续的。

GaN-on-SiC是以性能为导向的，而GaN-on-Si作为潜在的挑战者是以成本为导向的，并且可以满足更大的出货量需求。根据YOLE的报告预计，GaN-on-Si可以基于全球现有的低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂实现更快的大规模量产，硅基氮化镓器件工艺能量密度高、可靠性高，晶圆可以做得很大，目前在8英寸，未来可以做到10英寸、12英寸，晶圆的长度可以拉长至2米。

硅基氮化镓器件具有击穿电压高、导通电阻低、开关速度快、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势。针对RF产品更易于扩展，未来GaN-on-Si将广泛应用于手机、射频器件、VSAT等领域。随着5G技术的不断推进和渗透率的不断提升，YOLE预计未来GaN-on-Si的市场份额将超过GaN-on-SiC。

射频前端产业链

日趋成熟

目前射频前端半导体产业由IDM模式主导。射频前端主要产品的市场均被几大国际巨头垄断。

随着5G到来，以高通为代表的Fabless厂商试图凭借基带技术切入射频前端领域；同时以华为为代表的设备商对于上游供应链的把控和“国产替代”需求也将重塑产业链格局，国内设计厂商有望迎来替代机遇。

射频前端产业链根据分工的不同可以分为芯片设计、晶圆制造和封装测试三个环节。而IDM（IntegratedDeviceManufacturing，垂直整合制造）模式是指垂直整合制造商独自完成集成电路设计、晶圆制造、封测的所有环节，因此该模式对技术和资金实力均有很高的要求，所以目前只有国际上成功的大型企业采纳IDM模式，如Skyworks、Qorvo、Murata、Broadcom等。

1987年台湾积体电路公司（TSMC）成立以前，集成电路产业只有IDM一种模式，此后，半导体产业的专业化分工成为一种趋势。

出现垂直分工模式的根本原因是半导体制造业的规模经济性。但是现今IDM厂商仍然占据主要地位，主要是因为IDM企业具有资源的内部整合优势、技术优势以及较高的利润率：

1.资源的内部整合优势

在IDM企业内部，从IC设计到完成IC制造所需的时间较短，主要的原因是不需要进行硅验证（SiliconProven），不存在工艺流程对接问题，所以新产品从开发到面市的时间较短。

而在垂直分工模式中，由于Fabless在开发新产品时，难以及时与Foundry的工艺流程对接，造成一个芯片从设计公司到代工企业的流片（晶圆光刻的工艺过程）完成往往需要6-9个月，延缓了产品的上市时间。

2.技术优势

大多数IDM都有自己的IP（IntellectualProperty，知识产权）开发部门，经过长期的研发与积累，企业技术储备比较充足，技术开发能力很强，具有技术领先优势。

3.较高的利润率

根据“微笑曲线”原理，最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率，中间的制造、封装测试环节利润率较低。

▼行业模式示意图

目前射频前端行业仍然以IDM模式为主导。射频与功率器件集成度不高，设计变化不多，设计环节附加值较低，而且材料结构与工艺密切相关，而工艺又决定了产品最终的电学性能，材料、设计、制造与封测一体相关，这几个因素是射频器件竞争的主导性因素。所以全球成功的射频或功率器件公司，多数都采用IDM模式。

随着通信技术的不断发展，手机等移动终端对于射频前端的要求也越来越高。一方面，手机等终端需要的射频前端的数量在上升，射频前端在手机成本的比重也越加上升；另一方面，随着对便携性和轻薄化的要求越来越高，而需求的射频前端数量也在不断增长，这时射频前端厂商只能增加集成度以把整个射频系统的实际尺寸控制在合适的范围内。

目前，已经有一些厂商在研发把低噪声放大器和开关模组集成在一起的方案，例如Skyworks的SkyOne模组（集成了PA，开关，多路器在同一模组上）。未来随着通信技术和生产工艺的不断发展，我们可望看到集成度更高的射频前端。

▼集成了PA，开关，多路器在同一模组上的Skyworks的SkyOne射频前端模组

射频前端行业兼并收购不断，巨头不断扩大业务版图。越来越多的厂商也在纷纷加大在射频前端方面的投入，希望在未来的5G浪潮中分一杯羹。

例如联发科计划收购络达科技布局射频PA，紫光展讯整合锐迪科买入射频PA行业，而国际巨头Skyworks联手松下组建合资公司开发SAW滤波器，而巨头Qorvo则由主营滤波器的RFMD和主营射频PA的Triquint合并而成。

有很多特殊的半导体产品适用IDM而不是代工模式，例如模拟器件。模拟器件和数字器件不一样。数字器件的敏感度一般来说不那么高，它追求摩尔定律，要求线宽越来越小、功耗越来越少、成本越来越低，而单位面积上晶体管的数目要越来越多，它需要最先进的工艺和技术。

模拟器件则非常敏感，只要一个参数有变化，整体功能就会改变很多。譬如模拟器件里面的一个电容或电感的尺寸，稍微大一点或者小一点效果就会差很多。所以模拟器件更需要有一条专门为它服务的生产线。

混合信号、模拟和功率半导体器件都不需要使用7纳米、14纳米的工艺，它需要的是稳定性和可靠性，需要对它的工艺流程进行量身定做，因此很多模拟器件是没有代工工厂（Foundry）的，譬如5G通讯中用到的氮化镓（GaN），目前这种高功率芯片的大企业有Skyworks（思佳讯）、Qorvo、Sumitomo（住友）、Murata（村田）、NXP（恩智浦）、AVAGO（安华高）等，都是IDM公司。

射频前端产业目前是IDM模式最成功的领域。就在其它半导体芯片市场（如处理器、SoC等）Fabless模式占据大半江山的时候，在射频前端市场仍然是IDM独大，这是因为射频前端设计需要仔细结合器件制造工艺，有时候甚至会为了设计而调整工艺。

目前射频前端领域的巨头Skyworks，Qorvo等都有自己的生产线，随着未来5G时代对射频前端器件的要求越来越高，制造工艺越来越复杂，预计IDM模式仍然将在未来的射频前端行业占据主导地位。

“基带供应商切入射频前端市场+整机商把控供应链国产替代”，Fabless迎来发展机遇

IDM模式虽然有这么多的好处，但是IDM模式最大的局限就在于对市场的反应不够迅速。由于IDM企业的“质量”较大，所以“惯性”也大，因此对市场的反应速度会比较慢。

其次，半导体产业所需的投资十分巨大，沉没成本高。晶圆生产线投资较大，而且每年的运行保养、设备更新与新技术开发等成本占总投资的比例较高。这意味着除了少数实力强大的IDM厂商有能力扩张外，其他的厂商根本无力扩张，因此便催生出了Fabless模式。

在Fabless模式下，集成电路设计、晶圆制造、封测分别由专业化的公司分工完成，此模式中主要参与的企业类型有芯片设计厂商、晶圆制造商、外包封测企业。采用Fabless模式的公司处于产业链上游，技术密集程度高，芯片设计厂商在该种模式下起到龙头作用，统一协调芯片设计后的生产、封测与销售。

▼Fabless模式下产业链分工

同时，以华为为代表的设备商对于上游供应链的把控和“国产替代”需求也将重塑产业链格局，国内设计厂商有望迎来替代机遇，我们看好未来射频前端的国产替代逻辑。国内 射频器件的生产厂商以Fabless为主，在代工厂工艺的挹注下，产业链将迎来加速国产替代的机遇。目前国内代表公司有海思半导体，卓胜微，VanChip，Ampleon，慧智微等。

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