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5G赋能,射频前端产业深度解析

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核心观点

科技进步永不停止,基于满足人类交互沟通需求的通信技术迭代在迎来5G 之际,基础通 信设施的建设无疑是未来几年拉动相关半导体行业成长的动能之一。射频前端是无线连接 的核心,随着5G 支持的频段数量的增多,单个移动终端射频前端的数量和价值量也会迎 来显著增长,未来射频前端市场增长 空间广 阔。

本文试图阐述射频前端半导体相关产业链的投资机遇,从逻辑和数据上阐述清楚以下几个 重要问题:

1 射频前端半导体产业链生态将迎来新的变化,推动产业链公司迎新机遇。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,我们看好未来射频前端的国产替代逻辑。

2 制造技术是射频前端半导体的关键,涉及到的工艺和材料都不同于以往硅基半导体的制 造。射频电路的技术升级主要依靠新设计、新工艺和新材料的结合。从手机端的GaAs 二 代化合物制造技术到基站端GaN 三代化合物技术的演进,是我们关注的产业方向重点; 同时,在封装端的高度整合以SiP 形式展现,值得重点关注微缩化诉求下的产业机遇。

3 我们详细拆解手机端和基站端射频前端器件的价值量增长。根据我们的测算,我们得出2019 年智能手机射频前端市场将达到184.7 亿美元,2020 年将达到242.6 亿美元,相比2018 年CAGR 达18.79%。2021 年全球5G 宏基站PA 和滤波器市场将达到243.1 亿元人 民币,相比2019 年CAGR 为162.31%,2021 年全球4G 和5G 小基站射频器件市场将达 到21.54 亿元人民币,相比2019 年CAGR 为140.61%。

报告摘要:

1. 射频半导体行业现状

1.1. 射频前端芯片市场竞争格局有望改变

1.1.1. 射频前端:无线连接的核心

终端设备的无线通信模块主要分为天线、射频前端模块(RF FEM)、射频收发模块、以及 基带信号处理器四部分。其中射频前端是无线连接的核心,是在天线和射频收发模块间实 现信号发送和接收的基础零件。

射频前端芯片主要是实现信号在不同频率下的收发,包括射频功率放大器(PA)、射频低 噪声放大 器(L NA )、射频开 关、滤 波器 、双工 器等。目前射 频前端 芯片主 要应用 于手机 和 通讯模块市场、WiFi 路由器市场和通讯基站市场等。

射频前端芯片市场规模主要受移动终端需求的驱动。近年来,随着移动终端功能的逐渐完 善,手机、平板电脑等移动终端的出货量持续上升,而射频前端的市场规模也随之上升。 根据Gartner 统计,包含手机、平板电脑、超极本等在内的移动终端的出货量从2012 年 的22 亿台增长至2017 年的23 亿台,预计未来保持稳定。

终端消费者对移动智能终端需求大幅上升的原因,主要是移动智能终端已经成为集丰富功 能于一体 的便携 设备,通 过操作 系统以 及各种 应用 软件满 足终端 用户网 络视频 通信、微 博 社交、新闻资讯、生活服务、线上游 戏、线 上视频 、线上 购物 等绝大 多数需 求。

随着5G 商业化的逐步临近,5G 标准下现有的移动通信、物联网通信标准将进行统一, 因此未来在统一标准下射频前端芯片产品的应用领域会被进一步放大。同时,5G 下单个智 能手机的射频前端芯片价值亦将继续上升,预计未来射频前端市场也会继续保持增长。

根据QYR Electronics Research Center 的统计,从2010 年至2018 年全球射频前端市场规 模以每年约13%的速度增长,2018 年达149.10 亿美元,未来将以13%以上的增长率持续 高速增长,2020 年接近190 亿美元。

目前正是4G 网络向5G 网络转型升级的阶段,未来全球射频前端市场规模将迎来大规模扩 张。预计2023 年全球射频前端市场规模将增长至313.10 亿美元。

5G赋能,射频前端产业深度解析

根据YOLE 的统计数据,2018 年全球RF FEM(射频前端模块)消费量为96 亿个,预计未来随着5G的不断发展,2023年全球RF FEM消费量将增长至135亿个。

射频器件主要包括射频开关和LNA,射频PA,滤波器,射频天线调谐器和毫米波FEM 等。 根据YOLE 的统计数据,2017 年全球射频器件市场中,滤波器市场占比约53.3%,射频PA 市场占比约为33.3%,而射频开关约为6.7%,射频天线调谐器约为3.1%,LNA 约为1.6%。

1.1.2. 滤波器:射频器件最大的细分市场

射频滤波 器包括 声表面 滤波器(SAW ,SurfaceAcoustic Wave)、体声波 滤波器(BAW ,Bul k Acoustic Wave)、MEMS 滤波器、IPD(Integrated Passive Devices)等。SAW 和BAW 滤 波器是目前手机应用的主流滤波器。

SAW 滤波器的基本结构由压电材料衬底和2 个IDT(Interdigital Transducer)组成。IDT 是叉指换能器——交叉排列的金属电极。下图中左边的IDT 把电信号转成声波,右边IDT 把声波转成电信号。

SAW 滤波器频率上限为2.5~3GHz。频率高于1.5GHz 时,其选择性降低。在约2.5GHz 处,其仅限于对性能要求不高的应用,而且SAW 滤波器易受温度变化的影响。未来SAW 滤波器的发展趋势是小型片式化、高 频宽带 化、降 低插入 损耗 以及降 低成本 。

BAW 滤波器更适合于高频,同时对温度变化不敏感,具有插入损耗小、带外衰减大等优 点。BAW 是3D 腔体结构,能量损失小,Q 值高,滤波效果更好,尤其适用于2GHz 以上 之频段,对于5G sub-6G U 有明显优势。

BAW 滤波器制造工艺步骤是SAW 的10 倍,但因其在更大晶圆上制造的,每片晶圆产出 的BAW 器件也多了约4 倍。尽管如此,BAW 的成本仍高于SAW。

BAW 滤波器一般工作在1.5~6.0GHz,因此在3G/4G 智能手机内所占的份额迅速增长。但 并不意味着SAW 滤波器完全失去市场。二者会分别在中高频和低频发挥各自优势并在一 段时间并存。2GHz 以下SAW 的市场占有率仍比较大,2GHz 以上BAW 的市场占有率会 比较高。

5G赋能,射频前端产业深度解析

5G赋能,射频前端产业深度解析

5G赋能,射频前端产业深度解析

滤波器是射频前端市场中最大的业务板块。根据YOLE 的报告显示,滤波器全球市场规模 将从2017 年的约80 亿美元增长至2023 年的225 亿美元,CAGR达19%,市场空间广阔。

滤波器是射频器件潜力最大的市场之一,滤波器的市场的驱动力来自于新型天线对额外滤 波的需求,以及多载波聚合(CA)对更多的体声波(BAW)滤波器的需求。根据观研天 下的预测,在3G 向5G 演进的过程中,滤波器的单机价值量将成倍增长。3G 设备的滤波 器单机价值为1.25 美元,4G 设备为4 美元,而到了5G 时代预计将达到10 美元以上。

随着手机的频段不断增加,所需滤波器的需求量也成正比上升。Skyworks 预计2020 年5G 应用支持的频段数量将翻番,新增50 个以上通信频段,全球2G/3G/4G/5G 网络合计 支持的频段将达到91 个以上。频段数上升将带来射频滤波器使用数量增多。理论上每增 加一个频段需增加2个滤波器。由于滤波器集成于模组,二者并不是简单的线性增加的关 系。

在5G 时代为了实现高带宽,载波聚合技术的路数必须上升。载波聚合技术是指使用多个 不相邻的载波频段,每个频段各承载一部分的带宽,这样总带宽就是多个载波带宽之和。 目前载波聚合技术在4G 已经得到了广泛应用。载波聚合路数的上升也意味着频带数量的 上升,从而催生出对更多滤波器的需 求。

目前全球SAW 和BAW 滤波器市场均被国际巨头垄断。在SAW 滤波器市场,前五大厂商(Murata、TDK、TAIYO YUDEN、Skyworks、Qorvo)占据了95%的全球市场;而在BAW 滤波器市场中,仅Broadcom-Avago 一家就占据了87%的全球市场份额,而且全球市场均 被国外大厂垄断。目前国内尚无大批量生产和出货的射频滤波器的企业。

SAW 滤波器可满足约1.5GHz 以内的频率使用,BAW 滤波器则可应用于更高频率。SAW 滤波器无法满足高频段的使用条件,因此BAW 滤波器成为市场新焦点,是未来5G 时代发 展的主要方向,但是技术难度也较大,因此国内厂商目前主要布局还是在SAW 滤波器,BAW 滤波器还处于研发阶段。

目前国内布局SAW 滤波器的企业有麦捷科技、瑞宏科技、信维通信、中电德清华莹、华 远微电、无 锡好 达电子 等,虽取 得一定 进展, 但在大 批量生 产和出 货能力 方面仍 有追赶 空 间。但是由于射频芯片市场的投入相对较小,因此是一个很好的尝试点和突破口,国产滤波器有望实现突破。

1.1.3. 射频PA:国外巨头占据主导地位

射频功率放大器(PA)是射频系统的关键模块,它需要把发射机的低功率信号放大到足够 大,才能满足通讯协议的要求。PA 直接决定了手机无线通信的距离、信号质量,甚至待机 时间,是射频系统中的重要部分。

随着无线 通讯协 议的发 展,数 据率越 来越高, 同时无 线调制 方式也 越来越 复杂, 手机频 段 持续增加,PA 的数量也随之增加。根据StrategyAnalytics 的数据,4G 多模多频手机所需PA 芯片5~7 颗,预计5G 时代手机内的PA 或多达16 颗。而根据YOLE 的报告显示,2017 年全球射频PA 市场为50 亿美元,预计随着5G 的推广,2023年射频PA 全球市场将达 到70 亿美元,CAGR 为7%。

全球PA 市场绝大部分份额被Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata 占据,合计市场份 额为96%。

国内的射频PA 厂商也正在兴起。国内的射频PA 设计公司(Fabless)有近20 家,主要有 汉天下、 唯捷创 芯、紫光 展锐等 。国内 晶圆代 工厂商 主要有 三安光 电、海 特高新 等,国 产 射频PA 有望实现突破。

1.1.4. 射频开关和LNA:未来市场空间广阔

由于移动通讯技术的变革,智能手机需要接收更多频段的射频信号,对于射频开关的需求 也随之提升。根据Yole Development 的总结,2011 年及之前智能手机支持的频段数不 超过10 个,而随着4G 通讯技术的普及,至2016 年智能手机支持的频段数已经接近40 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。

根据QYR Electronics Research Center 的统计,2010 年以来全球射频开关市场经历了持续 的快速增长,2018年全球市场规模达到16.54亿美元,随着5G 商业化的推进,预计2020 年市场规模将达到22.90亿美元。2018-2023年间,全球射频开关市场规模的年复合增长 率预计达16.55%。

随着移动 通讯技 术的变 革,移动 智能终 端对信 号接 收质量 提出更 高要求, 需要对 天线接 收 的信号放 大以进 行后续 处理。一 般的放 大器在 放大 信号的 同时会 引入噪 声,而射 频低噪 声 放大器能最大限度地抑制噪声,因此 得到广 泛的应 用。

根据QYR Electronics Research Center 的统计,2018 年,全球射频低噪声放大器(LNA) 市场规模已达14.21 亿美元。随着4G 的普及,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,因此预计在未来几年将持续增长,到2020 年, 其市场规模将在5G 商业化建设迎来发展高峰,在2023 年达17.94 亿美元。

1.1.5. 射频前端市场:国外大厂垄断,国内厂商突围

现阶段,全球射频前端芯片市场主要被国外大厂占据。射频前端芯片的主要欧美日传统大 厂包括Broadcom、Skyworks、Qorvo、Murate 等。全球射频前端市场集中度较高,前四 大厂商合计占据全球85%的市场。

从国际竞争力来讲,国内的射频设计水平还处在中低端。例如国内的PA 和射频开关相关 厂商,射频芯片厂商销售额大约3 亿美金。全球PA 和开关射频产品需求金额大约60 亿美 金。可见, 国内厂 商依然 在起 步阶段, 市场话 语权有 限;滤 波器方 面,国 内厂商 销售总 额 不到1 亿美金,全球市场需求在90 亿美金。

国内射频 芯片产 业链已 经基本 成熟, 从设计 到晶圆 代工,再 到封测 ,已经 形成完 整的产 业 链。而行 业内也 涌现出 了一批 射频前 端新兴 企业, 例如锐 迪科、国 民飞 骧、唯捷 创芯、 韦 尔股份、卓胜微等。

1.2. 射频前端产业链日趋成熟

射频前端半导体产业链生态将迎来新的变化,推动产业链公司迎新机遇。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,我们看好未来射频前端的国产替代逻辑。

1.2.1. IDM 模式仍为行业主流

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(Integrated Device Manufacturing,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(Intellectual Property,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 。

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 。

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Skywork s(思 佳讯)、Q orv o、Su mit omo(住友)、Mu rata(村田)、NXP( 恩智浦)、AV AGO (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。

1.2.2. “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。

高通借助基带技术优势,涉足5G 射频模组,产业秩序面临改变。RFIC 巨头高通和射频前 端大厂TDK 合资成立了RF 360,使得高通拥有了提供从基带Modem SoC,RFIC 到射频 前端完整解决方案的能力。

高通于2018 年推出全球首款5G 毫米波天线模组QTM052,该模组包含毫米波IC、1x4 天线阵列、射频收发器(transceiver)、电源管理IC、射频前端元件(放大器、滤波器、低杂 讯放大器.等),并采用AiP(Antenna in Package)封装技术,使得模组宽度仅约1 美分硬币的1/3 宽,其搭配高通5G Modem(X50)晶片,获得优异的射频性能表现,可大幅简化手机系 统厂商需面对的复杂射频通讯设计问题,预计此模组将用在三星(S10)、Sony、LG、小米、OPPO、Google 等2019 年的5G 手机上。

目前Qorvo、Broadcom、Skyworks 主要占据4G LTE/Sub-6G 领域,而高通则选择深耕5G 毫米波市场,并不断拉大与竞争对手的差距。预计高通的进入将深刻地改变射频前端产业 秩序。

5G赋能,射频前端产业深度解析

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。

2. 5G 赋能射频前端产业

射频前端 芯片是 移动智 能终端 产品的 核心组 成部分 ,追求 低功耗、 高性能 、低成 本是其 技 术升级的主要驱动力,也是芯片设计 研发的 主要方 向。

射频前端 芯片与 处理器 芯片不 同,后者 依靠不 断缩 小制程 实现技 术升级, 而作为 模拟电 路 中应用于高频领域的一个重要分支,射频电路的技术升级主要依靠新设计、新工艺和新材 料的结合。

由于5G 时代对用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和峰值速率 等提出了 更高的 要求,所 以对射 频前端 芯片也 提出 了更高 的要求, 只有抓 住了新 工艺和 新 材料等关键升级路线,才能享受5G 时代带来的高速增长红利。因此我们应该重点关注射 频前端的新材料氮化镓(GaN)和前沿的封装技术SiP/AiP。

2.1. 氮化镓:未来5G 射频前端新秀

2.1.1. 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)。

根据Yole 的预测,未来5 到10 年,砷化镓在大功率射频器件市场上所占比例基本维持稳 定,但LDMOS 与氮化镓将呈现出此消彼长的关系。2025 年,LDMOS 占比将由现在的40% 左右下降到15%,而氮化镓将超越LDMOS 和砷化镓,成为大功率射频器件的主导工艺, 占比到2025 年可达45%左右。

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。

根据Compound Semiconductor 的预测,预计2018 年开始GaN 的出货量将超过LDMOS, 通信市场氮化镓的应用前景广阔。

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。

5G赋能,射频前端产业深度解析

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2.1.2. 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。

2.1.3. 氮化镓:未来市场空间广阔

根据YOLE 的统计数据显示,2015 年氮化镓射频器件的市场规模为2.98 亿美元,主要应用 领域为无线终端,占比为54.6%,YOLE 预计,随着5G的不断发展,氮化镓射频器件的市 场规模也会随之增长,预计在2022 年氮化镓射频器件的全球市场规模为7.55 亿美元,年 复合增长率CAGR 为14%,其中无线终端的占比将进一步上升至59.6%。

根据ABI research 的数据,2012 年射频功率放大器市场中,LDMOS市场有率为第一,占 比为71%,而GaN 为13.2%,到了2018 年,LDMOS市场占有率下降为57.6%,GaN 上升 至第二名,占比为34.2%,GaN 发展势头良好,我们预计在5G 时代GaN 的市场占比将进 一步上升。

未来射频前端市场,尤其是GaN 射频前端市场的应用主要是无线终端,包括5G 智能手机 和基站。而根据过去30 年从2G 到5G 的发展历程来看,一般一代通信技术需要10 年的 时间来演进,这包括了两代通信技术之间较长的转换期,而目前正处于Pre-5G 的阶段, 预计5G 时代的真正到来将在2020 年之后,那个时候将迎来市场的高峰。

5G赋能,射频前端产业深度解析

根据Business Wire的预测,2019 年将会有第一批5G 智能手机上市,随后5G 智能手机市 场出货量将迅速上升,预计将在2025 年达到15 亿台,而射频前端市场尤其是GaN 射频 前端市场也会随之迅速增长。

基站市场方面,根据ABI research 和YOLE 的数据,2018 年全球GaN 基站市场为34 亿元 人民币,而中国GaN 基站市场为17 亿元人民币;预计到2024 年,全球GaN 基站市场将 增长至98 亿元人民币,而中国GaN 基站市场将达到59 亿元人民币。

2.2. SiP+Antenna 封装:未来5G 新趋势

2.2.1. SiP 是超越摩尔定律的必然选择路径

根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义:SiP 为将多个具有不同功能的有源电子元件与可 选无源器件,以及诸如MEMS 或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的 单个标准封装件,形成一个系统或者 子系统 。

从架构上来讲,SiP 是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封 装内,从而实现一个基本完整的功能。与SOC(片上系统)相对应。不同的是系统级封装 是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而SOC 则是高度集成的芯片产品。

摩尔定律确保了芯片性能的不断提升。众所周知,摩尔定律是半导体行业发展的“圣 经”。在硅基半导体上,每18 个月实现晶体管的特征尺寸缩小一半,性能提升一倍。在性 能提升的 同时,带 来成本 的下降, 这使 得半导 体厂商 有足够 的动力 去实现 半导体 特征尺 寸 的缩小。这其中,处理器芯片和存储芯片是最遵从摩尔定律的两类芯片。以Intel 为例,每 一代的产品完美地遵循摩尔定律。在芯片层面上,摩尔定律促进了性能的不断往前 推进 。

PCB 板并不遵从摩尔定律,是整个系统性能提升的瓶颈。与芯片规模不断缩小相对应 的是,PCB 板这些年并没有发生太大变化。因为PCB 的限制,使得整个系统的性能提升遇 到了瓶颈。例如内存输出位宽等于处理器和内存之间的连线数量,在十年间受到PCB 板工 艺的限制一直是64bit 没有发生变化。所以想提升内存带宽只有提高内存接口操作频率。 这就限制了整个系统的性能提升。

SIP 是解决系统桎梏的胜负手。把多个半导体芯片和无源器件封装在同一个芯片内,组成 一个系统级的芯片,而不再用PCB 板来作为承载芯片连接之间的载体,可以解决因为PCB 自身的先天不足带来系统性能遇到瓶 颈的问 题。

我们认为,SiP 不仅是简单地将芯片集成在一起。SiP 还具有开发周期短;功能更多;功耗更 低,性 能更 优良、成本价 格更低 ,体积 更小,质量 更轻等 优点,代表 了未来 的发展 方向。

2.2.2. SiP——为智能手机量身定制,已获广泛应用

SiP的应用非常广泛,主要包括:无线通讯、汽车电子、医疗电子、计算机、军用电子等。 应用最为广泛是无线通讯领域。

手机轻薄化带来SiP需求增长。手机是SiP 封装最大的市场。随着智能手机越做越轻薄, 对于SiP 的需求自然水涨船高。因为SiP 技术本身并不会造成成本的上升,反而可使PCB 组装更简单,降低封装成本,进而降低整体手机BOM 成本,所以不管是高端的iPhone X/8、Huawei Mate10,还是低端的小米5、华为荣耀系列手机都采用了SiP 系统级封装。

目前SiP 应用比较普遍的是在CPU 处理器和DDR 存储器集成上,例如苹果A11 处理器+ 海力士LPDDR4内存,华为麒麟950 处理器+美光LPDDR4 内存等,其它诸如触控芯片、 指纹识别芯片、射频前端芯片等也开始采用SiP 技术。根据天水华天技术总监于大全的数 据,在iPhone8 中,SiP 系统级封装已经占所有封装比例的40%以上,主要用于PA 和射 频模块。

而根据YOLE 发布的研究报告中智能手机组件的拆解图可以看到,目前射频前端器件包括PA、天线开关、滤波器、WiFi FEM 等均已经使用了SiP 封装,SiP 封装在射频模块的应用 广泛。

5G 使用的芯片和元器件数量增加,通过集成可降低成本、提升性能、缩小体积。SiP 技术(FEMiD、PAMiD 等)可以将10~15 个器件(开关、滤波器、PA、LNA 等)封装在一起,连接 可能采用引线(Wirebond)、倒装(FlipChip)、Cu 柱(Cupillar)等。

射频前端的集成度越来越高。4G 射频模组是由SiP 方式整合不同制程技术来制作功率放大 器(PA)、低杂讯放大器(LNA)、滤波器(Filter)、开关(Switch)和被动元件(Passive)等,5GmmWave 射频模组将走向高度整合趋势。射频前端模块的发展趋势将逐渐由离散型的RF 元件,朝向整合型模组的FEMiD 与PAMiD 形式。

例如iPhone XS 中采用的Broadcom 8092 模块便采用了PAMiD 封装技术,整个模块集成 了多达29 个器件,包括18 个BAW 滤波器、5 个射频开关、4 个射频PA 等。PAMiD 整合 了Tx 和Rx 模组,能够同时满足信号质量的改善和模块体积的小型化。

5G赋能,射频前端产业深度解析

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在4G 时代,智能手机射频前端SiP 封装供应链由Qorvo、博通、Skyworks、Murata、TDK-Epcos 等IDM 厂商领导。同时他们也会把部分生产外包至部分国际封测大厂厂商,例 如日月光、安靠、长电科技等。而这几家IDM 厂商主要集中于Sub6GHz 解决方案。

而根据YOLE 的数据,2017 年全球射频前端SiP 封装市场规模为25 亿美元,预计将在2023 年达到49 亿美元,CAGR 为11%,SiP 封装市场将在5G 时代快速增长。

2.2.3. SiP+Antenna:5G 应用广泛

SiP+Antenna,由SiP 进阶到AiP

封装天线(Antenna in Package,简称AIP)是基于封装材料与工艺,将天线与芯片集成在 封装内,实现系统级无线功能的一门技术。AiP 技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的 潮流,为系统级无线芯片提供了良好 的天线 与封装 解决方 案。

片上天线和封装天线,AIP技术广受青睐。AoC 和AiP 分别属于SoC 和SiP 概念的范 畴,分别了它们独有的辐射特性。AoC 技术更适用于太赫兹频段,而AiP 技术很好地兼顾 了天线性能、成本及体积,几乎所有的60GHz 无线通信和手势雷达芯片都采用了AiP 技术。 除此之外,在79GHz 汽车雷达94GHz 相控阵天线,122GHz、145GHz和160GHz 传感器 以及300GHz 无线连接芯片中都可以找到AiP 技术的身影。

5G 在毫米波频段的应用,由于毫米波本身频率较高,天线通过馈线相连的损耗会非常 大,为了减少互联的损耗,必须要把前端做成模组化,减少在毫米波频段的损耗。催生出 毫米波天线和射频前端封装在一起的“SiP+Antenna”的形式,由SiP进阶到AiP。

AIP 核心应用,5G 毫米波天线封装

5G 时代频段资源有限,毫米波频段备受关注。常用的6GHz 以下的频段已经基本没有 更多的资源可利用了(4G 时代已经非常拥挤)。5G 时代毫米波频段高安全性、高速率引起 众多厂商注。

封装天线(AIP),5G 天线封装主流形式。5G IoT 和5G Sub-6GHz 预计将继续维持3G 和4G 时代结构模组,也就是分为天线、射频前端、收发器和数据机等四个主要的系统级 封装(SiP)和模组,而更高频段的5G 毫米波,则采用将天线、射频前端和收发器整合成单 一系统级封装。在天线的整合封装方面,由于频段越高、天线越小,5G 时代的天线或将以AiP(Antenna in Package)技术将其与其他零件共同整合到单一封装内。

5G 毫米波射频前端模块将走向高度整合的趋势,天线模组也将走向微缩化的趋势,预 计未来将由Antenna on PCB 转向Antenna in Module 及“SiP+Antenna”的封装天线(AIP) 形式。 随着5G 时代的即将到来,预计未来AiP 技术的应用及市场空间广阔。

5G赋能,射频前端产业深度解析

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2.3. 5G 时代下射频前端市场空间广阔

2.3.1. 手机射频前端市场潜力巨大

5G 时代对于设备的性能提出了更高的要求,因此射频器件的成本和所需数量都会得到提升。 根据Skyworks 的数据显示,5G 时代单部手机的射频器件成本将由4G 时期的18 美元上升 至25美元;而射频器件的数量方面都有较大提高,例如单部手机滤波器数量从4G 时代的40 个上升至5G 时代的70 个左右,频带从15 个增加至30 个,接收机发射机滤波器从30 个增加至75 个,射频开关从10 个增加至30 个,载波聚合从5 个增加至200 个等等。

根据YOLE 的报告显示,2017 年手机射频器件全球总市场为150 亿美元,随着5G 的发展, 将在2023 年达到350 亿美元,年复合增长率CAGR 预计为14%。

其中射频滤波器(Filters)全球市场将在2023 年达到225 亿美元,CAGR为19%;射频天 线调谐器(Antenna tuners)将达到10 亿美元,CAGR 为15%;射频开关(Switches)将达 到30 亿美元,CAGR 为15%;射频功率放大器(PA)将达到70 亿美元,CAGR 为7%;射 频低噪声放大器(LNAs)将达到6.02 亿美元,CAGR 为16%;而随着5G 时代的到来,5G 毫米波射频前端(mmW FEM)将从0增长至4.23亿美元。

而按照不同网络制式拆分来看,根据Qorvo 的数据显示,5G 射频前端全球市场规模将会 从2018 年的0 增长至2022 年的55 亿美元,而LTE Advanced 射频前端市场规模将会从2018 年的25 亿美元增长至至2022 年的70 亿美元,2G/3G/4G 的射频前端市场规模将会 从2018 年的110 亿美元下降至2022 年的85 亿美元。

2.3.2. 基站射频前端增长空间巨大

从5G 的建设需求来看,5G 将会采取“宏站+小站”组网覆盖的模式,历次基站的升级, 都会带来一轮原有基站改造和新基站建设潮。2017 年我国4G 广覆盖阶段基本结束,4G 基站达到328 万个。

5G 基站将包括中低频段(6GHz 以下)的宏站和高频段(6GHz 以上)的小站:

1. 宏站数量方面,中低频段的宏站可实现与4G 基站相当的覆盖范围,到2017 年4G 基站 约为328万个(覆盖99%人口),如实现相同的覆盖,预计5G 宏站将达475 万个。

2. 小站数量方面,毫米波高频段的小站覆盖范围是10~20m,应用于热点区域或更高容量

业务场景,其数量保守估计将是宏站的2 倍,由此预计5G 小站将达到950 万个。

因此在基站数量方面,5G 基站的数量将大幅超过4G 时代基站数量,因此基站的射频器件 需求量也会大幅增长。由于单个5G 基站对于滤波器、PA 等射频器件需求数量的提升,再 加上更高的性能要求导致其他射频器件成本的上涨,我们预计单个5G 基站的BoM(物料 成本)也将相较4G 基站有所增加。

因此,5G 时代将会迎来基站数量和单个基站成本的双双上涨,叠加起来5G 时代基站市场 空间将会有巨大的增幅。根据Qorvo 的报告显示,预计2022 年基站射频前端全球市场将 由2018 年的约5 亿美元增长至2022 年的16亿美元,增幅达220%,基站射频前端市场增 长空间巨大。

3. 射频前端市场空间测算

5G时代射频前端市场主要分为两部分:智能手机和基站。我们将分别测算两个部分的射频器件市场空间。

根据IHS、Gartner、相关公司信息等的综合数据我们估计,单部5G 手机的PA 价值为9 美元、滤波器价值为15 美元,其他器件价值为10 美元,我们预计单部5G 智能手机的射 频前端成本为34 美元,单部旗舰4G LTE 智能手机的射频前端成本为19 美元。其他智能 手机方面,我们估计射频前端成本平均约为8.7 美元/部。

出货量方面,我们预计2019 年将有第一批5G 智能手机出货,而2020 年将达到2.13 亿部, 综合单机射频前端成本我们计算得出2019 年智能手机射频前端市场将达到184.7 亿美元,2020 年将达到242.6 亿美元,CAGR 达18.79%。

根据工信部数据,截至2017 年12 月底,中国4G 宏基站数量为328 万座,依据蜂窝通信 理论计算,要达到相同的覆盖率,我们估计中国5G 宏基站数量约为500 万座,达4G 基 站数量的1.5倍。

根据三大运营商的资本支出计划,预计中国5G 宏基站建设计划将于2019 年正式开始,约 为10 万站,2023 年预计将达到建设顶峰,年建设数量达115.2 万座。

射频PA 方面,参考目前设备商展开试验5G 基站的上游采购价格,目前用于3.5GHz 频段 的5G 基站,采用LDMOS 工艺的功率放大器单扇区的价格超过了400 美元,采用GaN 工 艺的功率放大器价格超过了700 美元,假设LDMOS 和GaN 射频价格均以5%的比例递减。

5G 基站数量方面,中国移动占比超过50%,前期建设情况下,LDMOS 放大器拥有一定比 例的市场,推测GaN 射频器件约占50%,预计到2025 年,GaN 射频器件占比85%以上。

5G 宏基站天线采用Massive MIMO 技术,天线和RRU(射频拉远单元)合设,组成AAU。Massive MIMO 天线假设为64T64R,则单个宏基站天线数量为192 个,放大器数量为192 个。

滤波器方面,我们假设同样5G 宏基站采用64 通道,则一个基站需要64 个滤波器,我们 估计目前单个5G 滤波器价格为100 元左右,且随着技术成熟和出货量上升,价格逐渐下 降。

5G 小基站方面,我们估计单个5G 小基站的射频PA 成本为约4 美元。而4G 基站方面, 包括LDMOS 和GaN 综合测算在内,我们预计4G 基站的射频PA 成本是2.4美元。

基于以上关键假设,我们可以计算得出2021 年全球5G 宏基站PA 和滤波器市场将达到243.1 亿元人民币,CAGR 为162.31%,2021 年全球4G 和5G 小基站射频器件市场将达到21.54 亿元人民币,CAGR 为140.61%。

4. 行业公司推荐:略

……

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(报告来源:天风证券)


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