無線通信芯片概要

未來五年增速放緩，射頻前端成為主要驅(qū)動力

在智能手機(jī)普及的帶動下，2012-2017五年無線通信芯片實現(xiàn)9.7%的復(fù)合增長率，根據(jù)iHS的數(shù)據(jù)，2017年市場規(guī)模達(dá)到1,322億美金，占全球半導(dǎo)體市場的31%。

展望未來，隨著手機(jī)出貨量及硬件規(guī)格升級的放緩，預(yù)計行業(yè)總體增速下降至2.9%左右。但由于5G需要支持新的頻段和通信制式，包括濾波器，功率放大器，開關(guān)等射頻前端存在結(jié)構(gòu)性增長機(jī)會。

5G對無線通訊芯片產(chǎn)業(yè)鏈的影響

5G技術(shù)將推動手機(jī)終端射頻系統(tǒng)的全面升級。

為了獲得手機(jī)通信速率的大幅提升，5G將引入Sub-6GHz和6GHz以上頻段通信，同時需要利用MIMO技術(shù)由現(xiàn)有的2通道通信向4~8通道通信演進(jìn)。

濾波器

為添加新頻段通信功能，需要提升濾波器數(shù)量。

4G到5G，Skyworks預(yù)計濾波器數(shù)量平均將由40只提升至50只。

且高頻通信場景中，現(xiàn)有SAW/TC-SAW濾波器將替換為BAW/FBAR?，F(xiàn)有濾波器頭部廠商因為市場規(guī)模提升直接受益，相關(guān)標(biāo)的如Murata、Avago。

國內(nèi)有BAW/SAW濾波器制造能力的廠商可能享受國產(chǎn)替代紅利，相關(guān)標(biāo)的包括麥捷科技等。

PA

為實現(xiàn)從2通道向4通道通信，PA數(shù)量預(yù)計將可能翻倍提升。

長期看，為支持更高頻率信號的輸出，現(xiàn)有GaAs材料也可能向GaN材料功放升級。

現(xiàn)有GaAs功放廠商直接受益于功放數(shù)量提升帶來的市場機(jī)會，相關(guān)標(biāo)的包括全球GaAsPA代工龍頭穩(wěn)懋等，國內(nèi)國產(chǎn)替代邏輯標(biāo)的包括三安光電等。

Switch&Tuner

射頻開關(guān)和調(diào)節(jié)器同天線通道數(shù)相關(guān)，4G到5G終端開關(guān)數(shù)量可由10只升至30只，因此市場規(guī)模不斷提升。

4G時代Switch&Tuner基于SOI工藝制造，5G時代SOI工藝將提升至45nm。SOI開關(guān)市場競爭激烈，價格便宜(0.10~0.20美元)。

由于目前RFSOI產(chǎn)能供不應(yīng)求，有利于SOI代工廠，標(biāo)的包括TowerJazz等。

天線

通過MassiveMIMO技術(shù)提升通信速率，終端由2通道向4通道通信發(fā)展，導(dǎo)致天線數(shù)量由現(xiàn)有2天線向4~8天線提升。

為了減小尺寸、可有若干解決方案，包括PI基材向LCP基材或LDS方向演進(jìn)。蘋果在新iPhone中選擇LCP軟板方案。天線數(shù)量提升和新工藝的加入有利于天線提供商信維通信等。

集成化趨勢明顯。射頻大廠通過模塊化產(chǎn)品提供一攬子解決方案，降低手機(jī)大廠采購成本，推動自有全線產(chǎn)品的同時，提升了毛利率水平。趨勢有利于全面布局的龍頭射頻公司，如Skyworks、Murata、Qorvo、Avago、Qualcomm等。

5G將帶動射頻系統(tǒng)的升級。相比4G，5G將在理論上帶給手機(jī)空口速率10倍以上的提升以支持更大帶寬的通信;同時5G要求空口時延從10ms下降至1ms量級，以支持車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場景。

高頻率引入。5G將使用Sub-6GHz和6G以上頻譜。2.5GHz以上濾波器的選型將由SAW/TC-SAW轉(zhuǎn)為BAW/FBAR。高頻率功放材料可以選擇GaN、SiGe等。天線開關(guān)等SOI組件的工藝也將提升至45nm。

多通道通信。頻段變高的同時，現(xiàn)有手機(jī)雙天線的模式可能升級為4~8天線，以實現(xiàn)MIMO通信。

多個可選通道可以組合實現(xiàn)更寬頻段(載波聚合技術(shù))通信。在3GPP的R15中定義了600多個新的載波聚合組合。組合過程中對開關(guān)的工藝精度要求提升。

大帶寬通信。相比4G的20MHz，5G單通道理論值為100MHz，大帶寬的濾波器、功放、天線的設(shè)計難度均有提升。

復(fù)雜編解碼。5G通過更復(fù)雜的編碼實現(xiàn)頻譜利用率的提升和更強(qiáng)的多址。基帶芯片的處理能力進(jìn)一步提升。同時多通道、高頻率和大帶寬，也在推動基帶芯片的數(shù)據(jù)吞吐量提升。

低時延通信。5G對系統(tǒng)端到端的時延要求苛刻，空口時延更限制在1ms量級，這對天線開關(guān)等元器件的敏捷性提出了挑戰(zhàn)。

新材料。半導(dǎo)體襯底如SiGe、GaAs具有電子遷移率高，噪聲性能好的特點，在微波和毫米波頻段內(nèi)這些器件的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硅器件。

GaAs工藝已成為微波毫米波集成電路的主流工藝。

GaN作為寬帶半導(dǎo)體材料，有高電子遷移率、高的載流子飽和漂移速度和高擊穿場強(qiáng)等，成為未來的射頻主流材料代表。

另外，在制備中，微波毫米波集成電路一般在介質(zhì)基片材料(如氧化鋁、石英、藍(lán)寶石等)上，采用厚膜工藝(如低溫/高溫?zé)Y(jié)工藝、印刷工藝等)或者薄膜工藝(如濺射工藝、電鍍工藝等)制備。

根據(jù)Skyworks的測算，從4G到5G，終端射頻系統(tǒng)單價幾乎呈現(xiàn)翻倍式增長，推動射頻前端芯片市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。

按器件種類來看，射頻前端模組可以分為放大器、濾波器、天線開關(guān)/調(diào)諧器及天線四部分。

根據(jù)YOLE的預(yù)計，射頻系統(tǒng)市場未來五年市場規(guī)模將迅速增長，其中濾波器市場的規(guī)模則占比市場的50%以上，濾波器產(chǎn)品和功放產(chǎn)品市場規(guī)?？偤瓦_(dá)到整體市場容量的80%~90%。射頻開關(guān)市場排名第三，2020年之后毫米波元器件市場開啟。

濾波器:SAW、BAW、LTCC迎來發(fā)展機(jī)會

濾波器的主要作用是在雜亂的空間將目標(biāo)信號過濾出。隨著手機(jī)支持頻率的增加和MIMO技術(shù)的引入，濾波器需求指數(shù)上升。

Skyworks測算，3G時代終端約覆蓋5個頻段，4G時代上升為20個頻段，5G時代可能超過40個頻段。

疊加WIFI、藍(lán)牙和導(dǎo)航系統(tǒng)，中期濾波器的用量在50只水平。以單只濾波器價格0.2美元估算，單個手機(jī)中濾波器的成本將達(dá)10美元。

根據(jù)Yole統(tǒng)計，2017年全球手機(jī)濾波器市場規(guī)模80億美金，預(yù)測隨著5G的成功部署，2023年可達(dá)225億美金，復(fù)合增速接近20%。

按產(chǎn)品種類來分，濾波器主要包括SAW(聲表面波濾波器)和BAW(聲體波濾波器)。兩者均基于壓電效應(yīng)通過電-聲-電的轉(zhuǎn)換達(dá)到濾波效果。

SAW濾波器2G、3G、4G已廣泛應(yīng)用，一般工作在1.9GHz以下頻段，最新的研究將應(yīng)用上限推廣到了2.5GHz左右。

而BAW濾波器一般工作在1.5GHz~6.0GHz，最高可以工作在10GHz以上，在高頻通信中應(yīng)用更為適合，另外相比SAW溫漂較低。

濾波器的設(shè)計: SAW和BAW濾波器不同頻段的濾波器設(shè)計難度不同，部分頻段由于相鄰頻段相對潔凈，設(shè)計更加簡單，提供全頻段的設(shè)計能力公司寥寥無幾。

濾波器的制造: 最關(guān)鍵的工序是高品質(zhì)的壓電層均勻一致淀積。我國企業(yè)在工藝層面相比海外企業(yè)有明顯差距。因此產(chǎn)品的可靠性較低。Murata、Qorvo、Avago等濾波器廠商目前仍以IDM模式為主，而且一體化的設(shè)計制造能力幫助產(chǎn)品提升了穩(wěn)定性。

濾波器市場: SAW多年來Murata、TDK和TaiyoYuden占據(jù)80%以上份額，TDK和高通合資成立了RF360后成為挑戰(zhàn)者。BAW/FBAR市場基本被Avago、Qorvo壟斷。

國內(nèi)情況:上述濾波器廠家技術(shù)不斷創(chuàng)新，競爭力不斷提升。

國內(nèi)SAW濾波器的廠商有麥捷科技、德清華瑩(信維通信持股19.5%子公司)和好達(dá)電子等。

目前麥捷科技同26所合作生產(chǎn)SAW濾波器，產(chǎn)品進(jìn)入了華為、TCL、聞泰等公司的產(chǎn)品線。

德清華瑩同55所合作，提供SAW生產(chǎn)能力，濾波器月產(chǎn)能8000萬顆。好達(dá)電子的SAW濾波器進(jìn)入了中興、魅族等手機(jī)的供應(yīng)鏈。

另外目前我國的FBAR在中電科13所、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、天津諾斯微電子均有樣品或小規(guī)模出貨。

另外，在高頻超寬帶場景(如3.3-4.2GHz;3.3~3.8GHz;4.4~5.0GHz)通信中，終端如果采用CPE，單通道可達(dá)500MHz，以低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝制作的濾波器的應(yīng)用將更加普遍。

相比SAW或BAW濾波器，LTCC雖然可處理高頻信號，但選頻能力較差。但LTCC對高功率場景的處理能力優(yōu)于SAW或BAW濾波器。

功率放大器(PA):GaAs產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展，GaN&CMOS作為補(bǔ)充

PA用于將信號功率放大輸出至天線以發(fā)射信號。手機(jī)PA隨著天線的數(shù)量增多而增多。

根據(jù)YOLE統(tǒng)計，PA市場將由2017年的50億美元增長至2023年的70億美元，復(fù)合增速為6%。市場容量在4G時代被濾波器超過，排名第二。

從3G時代起由于擊穿電壓、輸出功率等優(yōu)勢，GaAs材料代替CMOS材料成為PA市場主流材料。

5G時代，預(yù)計GaAs依然是手機(jī)功放的主流方案。

全球GaAs市場被Skyworks、Qorvo和Avago等壟斷，三家合計份額接近70%。目前GaAs射頻已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

GaAs晶圓:日本、美國和德國壟斷，住友電工(SumitomoElectric)、弗萊貝格化合物材料(FreibergerCompoundMaterials)、晶體技術(shù)(AXT)三家公司占據(jù)約95%市場份額。國內(nèi)廠商呈現(xiàn)追趕趨勢，包括光導(dǎo)稀材、三安集成線路等。

GaAs外延片:生產(chǎn)主要采取外包模式，四大外包領(lǐng)導(dǎo)廠商:IQE、全新光電(VPEC)、住友化學(xué)(包括住友化學(xué)先進(jìn)技術(shù)和SCIOCS)、英特磊(IntelliEPI)。其中IQE為全球最大的外延片生產(chǎn)商，市場份額超過50%。我國三安集成電路也有生產(chǎn)能力。

GaAs功放設(shè)計:生產(chǎn)以“IDM”大廠和“設(shè)計+代工”大廠模式并存，其中Skyworks、Qorvo和Avago均為IDM模式，高通曾于2014年采用CMOS制程的PA，后2017年與TDK成立合資公司“RF360”，生產(chǎn)GaAsPA產(chǎn)品。另一大廠Avago2017年末以1.85億美元入股穩(wěn)懋成為第三大股東，未來在擴(kuò)產(chǎn)中可能會選擇Fabless路線。

代工:穩(wěn)懋作為全球第一GaAs代工龍頭，主要客戶為高通、Avago、Murata、Skyworks、RDA、Anadgics等。

隨著更多廠商的加入，PA市場的競爭進(jìn)一步加劇。因此頭部廠商將PA同基帶、開關(guān)等芯片綁定銷售，以提升競爭力。

中國廠商在設(shè)計、代工等領(lǐng)域也有一定競爭力。

國內(nèi)公司漸漸掌握了GaAsPA技術(shù)，出現(xiàn)了近20家設(shè)計公司，如漢天下、唯捷創(chuàng)芯等，其中紫光展銳的4GPA已于2016年12月通過高通公司的平臺認(rèn)證，漢天下PA也已進(jìn)入三星產(chǎn)業(yè)鏈。

后續(xù)國內(nèi)的PA設(shè)計廠商有可能帶動本土代工業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)代工相對領(lǐng)先的廠商包括三安光電、海特高新等。

為了實現(xiàn)進(jìn)一步集成，仍有部分公司基于CMOS研發(fā)高頻功放。

射頻CMOS由于集成度提升，成本更底，但是性能與GaAs或GaN相比有差距。目前主要用于藍(lán)牙、Zigbee等應(yīng)用。

高通曾收購子公司BlackSand劍指CMOSPA但最終成果寥寥無幾，可見短期硅基材料的PA仍需要大量的研發(fā)投入。

開關(guān)、LNA&天線調(diào)節(jié)器:SOI技術(shù)向300mm升級，MEMS技術(shù)成為補(bǔ)充射頻開關(guān)是指可對射頻信號通路進(jìn)行導(dǎo)通和截止的射頻控制元件。

其性能指標(biāo)主要是隔離度、工作帶寬、插入損耗、開關(guān)時間、功率容量、使用壽命等。

類似于濾波器的需求提升，5G因為頻段的增加將帶來通道數(shù)的提升，進(jìn)而推動開關(guān)市場的容量增長。

根據(jù)YOLE預(yù)測，終端射頻開關(guān)市場規(guī)模將由2017年的10億美元增至2023年的30億美元，復(fù)合增速約為20%。

天線調(diào)節(jié)器Tuner市場也將迎來增長，從2017年的4.63億美元向10.00億美元發(fā)展，復(fù)合增速約為14%;LNA從2017年的2.46億美元增長至2023年的6.02億美元，復(fù)合增速約為16%。

SOI技術(shù)指在絕緣襯底上生長半導(dǎo)體層的技術(shù)，通過絕緣襯底實現(xiàn)有源層和襯底層的電氣連接隔斷。

SOI器件擁有尺寸小、寄生電容小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點，特別適合開關(guān)和轉(zhuǎn)換器低插損、高線性、高速的要求。

目前95%以上射頻開關(guān)基于RF-SOI(絕緣體上硅)工藝制造。LNA和Tuner目前也有向SOI技術(shù)轉(zhuǎn)向的趨勢。

5G時代LNA需要盡可能靠近天線放置，從現(xiàn)有130nm工藝向45nm工藝節(jié)點能力發(fā)展可以幫助實現(xiàn)開關(guān)、LNA、Tuner的集成。需要300mm晶圓的支撐。

SOI的產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底供應(yīng)商、晶圓廠、設(shè)計廠商三個環(huán)節(jié)。

襯底。全球襯底生產(chǎn)商僅為Soitec、Shin-Etsu、GlobalWafers和中國廠商上海新傲Simgui，其中Soitec擁有70%的市場份額。

根據(jù)Soitec預(yù)測，由于頻譜的迅速增加，預(yù)計2018年將出貨150萬至160萬只RFSOI晶圓，同比增長15%~20%，2020年晶圓出貨量將超過200萬片。

加工。2018年全球95%的RFSOI芯片均基于200mm晶圓制造，隨著SOI器件的廣泛應(yīng)用，目前200mmRFSOI產(chǎn)能存在瓶頸。而GlobalFoundries、TowerJazz、臺積電等也在擴(kuò)產(chǎn)300mmRFSOI產(chǎn)能。

中國廠商在SOI襯底、設(shè)計和加工領(lǐng)域都有涉及。我國襯底廠商新傲科技(Simgui)作為SOI材料的主要供應(yīng)商，通過自主研發(fā)和同F(xiàn)orrotec、Gritek等海外公司的合作，已具備提供5GSOI材料的能力，計劃到2019年下半年完成年產(chǎn)40萬片的產(chǎn)能擴(kuò)展。

加工方面，中芯國際正在推進(jìn)0.13umRF-SOI平臺的升級，部分廠商如GlobalFoundry在中國也有設(shè)廠。

國內(nèi)的RF-SOI發(fā)展受制于硅片進(jìn)口制約，200mm~300mm的硅片供應(yīng)能力較差。

另外，天線調(diào)諧器和射頻開關(guān)目前也可以選擇RFMEMS技術(shù)路徑，天線調(diào)節(jié)器中已經(jīng)有應(yīng)用。

Cavendish、MenloMicro和AAC子公司W(wǎng)iSpry正在面向移動通信開發(fā)RFMEMS器件。據(jù)Cavendish介紹，RFMEMS開關(guān)插損可以做到RFSOI的1/5。

2018年三星GalaxyA8已經(jīng)采用了Cavendish的技術(shù)，期望降低射頻系統(tǒng)的耗電等。然而RFMEMS的應(yīng)用需要價格、封裝和可靠性的進(jìn)一步優(yōu)化。

天線:MIMO應(yīng)用確定，LDS和LCP天線成為趨勢天線系統(tǒng)是射頻系統(tǒng)中關(guān)鍵的組成部分，目前有被集成至射頻模組中的案例，但未被集成至芯片級，是射頻半導(dǎo)體領(lǐng)域的補(bǔ)充。

5G將推動天線數(shù)量從現(xiàn)有的2天線擴(kuò)展至4~8天線以最終支持4×4MIMO。但由于尺寸原因，相當(dāng)長的時間內(nèi)不會再進(jìn)一步提升。

另外，由于全面屏等新趨勢出現(xiàn)，手機(jī)內(nèi)部空間受到進(jìn)一步限制，天線的制作工藝也在發(fā)生變化。目前主流的手機(jī)天線制作工藝包括LDS、FPC等。

目前FPC軟板的供應(yīng)商包括:Murata、嘉聯(lián)益、臻鼎、臺郡科技等。

LCP天線生產(chǎn)商包括:Murata、嘉聯(lián)益、安費諾、立訊精密、信維通信、Career等。

基站用射頻器件:處理器自研為主，功放選擇GaN基站處理器以自研為主

5G基站市場整體規(guī)模相對終端較小。根據(jù)DGTimes預(yù)計，2020年5G基站整體市場規(guī)模為11.43億美元，到2026年增長至342.86億美元，2012~2026年的復(fù)合增速在50%以上。到2026年市場規(guī)模約為手機(jī)的1/16。

然而5G基站相比手機(jī)功能僅為連接。因此5G基站射頻市場基本等同于整體市場規(guī)模，同手機(jī)射頻市場規(guī)模處在同一量級。

基站射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似手機(jī)，但由于強(qiáng)調(diào)覆蓋性，不強(qiáng)調(diào)尺寸、耗電量等指標(biāo)，相比手機(jī)射頻系統(tǒng)存在不同。

由于以上不同，基站市場的半導(dǎo)體選型存在差異。

基站基帶半導(dǎo)體芯片一般選擇自主研發(fā)或合作開發(fā)，Intel、中興、華為、Nokia、Ericsson、三星等公司均設(shè)有自己的研發(fā)團(tuán)隊。

早期開發(fā)以DSP和FPGA作為主要控制芯片，一旦技術(shù)成熟，即設(shè)計為成熟半導(dǎo)體芯片，部分選擇FPGA以增加靈活性。

2017年全球電信設(shè)備市場規(guī)模372億美元，由于基帶ASIC均為自制，沒有明確比例顯示市場規(guī)模。

ASIC處理芯片目前一般采用10/7nm技術(shù)研發(fā)。一般為Fabless模式，選擇臺積電等Foundry代工生產(chǎn)。FPGA全球市場規(guī)模約為40億美元，其中Xilinx占比超過50%。

功放發(fā)展趨勢:關(guān)注GaN市場龍頭企業(yè)成長

GaN已經(jīng)取代LDMOS成為下一代功放的重要材料。

預(yù)計毫米波頻率功放將采用GaN材料制作，一大好處是提升功放的空間利用率。

GaN功放已經(jīng)在雷達(dá)等軍用市場有了一系列應(yīng)用，2017年市場規(guī)模約為3.84億美元，YOLE預(yù)測2022年市場規(guī)模因為通信業(yè)的加入將達(dá)到11億美元。

通信市場需求將首先來自于基站射頻市場，用于替代3.5GHz以上高頻通信中LDMOS器件的問題。但GaN工作在高電壓(10V以上)，在手機(jī)終端(3~5V)如何支持其正常工作還有待研究。

氮化鎵器件的制造有兩種襯底方式，一種是GaN-on-SiC工藝，由Qorvo和其他大多數(shù)廠商采用，占比95%以上;另一種是GaN-on-Si，由Macom(子公司Nitronex)采用。在LED產(chǎn)業(yè)鏈中，GaN也有選擇藍(lán)寶石襯底路線。

科銳(Cree)旗下的Wolfspeed是純GaN生產(chǎn)商，不生產(chǎn)其他材料器件;還同時是SiC襯底供應(yīng)商龍頭，市場占比超三分之一，同德國SiCrystal、美國II-VI、美國DowCorning合計占比該市場超90%份額。

國內(nèi)廠商在電力電子行業(yè)積累更為深入，在射頻領(lǐng)域蘇州能訊布局相對領(lǐng)先，有望進(jìn)入基站GaN產(chǎn)業(yè)鏈。

射頻集成化帶動產(chǎn)業(yè)鏈向頭部廠商集中

隨著4G時代的到來，全網(wǎng)通需求逐步推廣，射頻器件的難度和價值不斷提升，但手機(jī)空間有限，射頻前端出現(xiàn)了整合趨勢。

另外頭部廠商也通過集成在向射頻各個產(chǎn)品線延伸。

4G時代手機(jī)射頻呈現(xiàn)三種主要模塊化集成方式:PAMiD體系結(jié)構(gòu)、MMMBPA+ASM體系結(jié)構(gòu)和MMPA+TXFEM體系結(jié)構(gòu)。

由于模塊化的集成方式的商業(yè)考慮和LTE全網(wǎng)通的技術(shù)趨勢，射頻行業(yè)的生態(tài)出現(xiàn)了較大變化，歷史上以PA為核心的射頻行業(yè)的價值量漸漸向Filter+PA的雙重點方向演進(jìn)，有源和無源器件供應(yīng)商開始通過并購等模式互相滲透。

目前全球形成了Skyworks、Qorvo、Avago、MuRata、TaiyoYuden、TDK等射頻龍頭。幾家都具有了全面的射頻能力，既可以提供單一產(chǎn)品，也可以提供打包模組。

另外，各家還在積極布局電源、RFID、WIFI、GNSS、天線等業(yè)務(wù)，力爭做到射頻解決方案的全面支持。

另外，以高通為代表的基帶廠商進(jìn)入前端市場，成為射頻市場的新常態(tài)。

基帶芯片作為手機(jī)核心芯片之一，相對粘性大于射頻廠商。2018年7月高通繼發(fā)布5G基帶X50后，又發(fā)布了模組QTM052和QTM56XX系列，將MIMO天線都集成在了模組中，減小了射頻電路的尺寸，擁有很大吸引力。

在幾家的布局沒有完成前，模組整合中還存在合作情況。如Skyworks為華為供應(yīng)的SkyOne?PAMiD中集成了TaiyoYuden的雙工器、SAW和FBAR器件。在射頻廠商完成全面的布局之前，通過補(bǔ)齊短板提供更完整的模塊產(chǎn)品成為射頻供應(yīng)商的選擇之一。