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射频PA国产化走到哪一步了?(附盘点)

为了摆脱“缺芯少魂”困境,自2014年以来中国集成电路制造业正全面加速“国产替代”的进程,如今不少细分领域已小有成绩。就拿射频前端(RFFE)主要器件之一的功率放大器(Power Amplifier,PA)来看,其主要用于实现发射通道的射频信号放大,近年来经历了三次发展提速。

最先是2017年的政策提速,国家发改委公布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录(2016版)》,将移动通信用宽频带功率放大器、滤波器等列为新型元器件。接着2018下半年起“中美贸易摩擦”打响,国产替代需求猛增,叠加5G通讯市场需求井喷,导致不少本土PA厂家走向台前。2020年全球疫情大爆发,海外PA工厂复产有限,最先复工的国产PA厂家拥有先发优势,在全球供应链上的影响力逐渐增强……Mjiesmc

工艺选择:GaAs必死、GaN逆袭?

射频PA可以将微弱信号放大为功率较高的信号,其性能直接决定信号的强弱、稳定性等重要因素,直接影响终端的用户体验。Mjiesmc

目前PA市场主要由国外厂商主导,市场份额集中在Skyworks、Qorvo和博通等国际厂商;国内PA厂商基本是Fabless设计公司,在技术/产品成熟度、解决方案以及市场推广能力、稳定供货等多方面存在一定程度的短板。Mjiesmc

事实上,PA发展的第一个争论点,在于工艺技术。根据所用半导体材料不同,射频PA可以分为CMOS、GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)三大技术路线(表1)。如今性能更优异的GaN如期而至,SOI和SiGe的射频前端芯片应用也越发普遍,主流工艺GaAs的未来会像“老前辈”CMOS一样骤然沉寂吗?国内射频PA公司该选择什么工艺更有前景?Mjiesmc

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1.CMOS PAMjiesmc

CMOS是使用廉价的沙子作为原材料制备硅的第一代半导体材料。CMOS PA于2000年前后问世,于2G时代正式进入手机市场。虽然CMOS PA发展成熟且成本优势相对较大,但由于其线性度、输出功率、效率等性能比较差,无法满足3G、4G终端的应用需求,市场份额逐渐被新兴工艺瓜分。Mjiesmc

如今,CMOS PA已经逐渐成为前人走过的一条“老路”。不是不能走,而是要走出花样、走出成效。例如在GSM通信中,国内的锐迪科(现紫光展锐)和汉天下(现昂瑞微)等芯片设计企业曾凭借RF CMOS制程的高集成度和低本优势,打破了采用国际龙头厂商传统的GaAs制程完全主导射频功放的格局,在2G PA市场一举取得半壁江山。(如今这两家的工艺已经升级迭代到GaAs、GaN技术。)Mjiesmc

可见,没有落伍的技术,只有局限的思维。集成CMOS PA在WIFI、蓝牙、NB-IoT、LoRa等主芯片应用上还是有潜在的市场空间的。Mjiesmc

2.GaAs PAMjiesmc

随着手机信号从3G、4G进化到5G,虽然电子设备中的其他原件仍然可以使用硅,但硅已经难以满足射频器件的技术要求。CMOS击穿电压弱、电子迁移率低、饱和电子速率低,特别是带宽会随着频率增加迅速减少,仅在3.5GHz频率内有效;而GaAs电子迁移率比硅高6倍,有较高的击穿电压,更适合使用在超高速、超高频器件应用上。Mjiesmc

GaAs作为最成熟的化合物半导体材料之一,已经是射频PA的重要基石。GaAs在全球半导体市场占比较小,市场份额由几家射频IDM厂商瓜分:Skyworks、Qorvo和博通等(图1)。而全球76%的GaAs晶圆片代工由稳懋完成,另外两家也是来自中国台湾的制造商宏捷科技和环宇。可以说,GaAs器件市场被美国产业垄断,而GaAs代工市场被台系厂商承包。Mjiesmc

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来到2020年,由于贸易战、疫情、需求下滑的叠加影响,GaAs射频前端市场出现萎缩,导致相关射频前端器件IDM大厂与制造代工厂营收受到影响,GaAs产业格局或将重新洗牌。(图2)Mjiesmc

集邦咨询披露,虽然美系IDM厂因贸易战导致中国区域营收下降,但中国手机品牌厂仍不得不采用美系PA产品,使其营收维持一定水平。不过,随着国产PA产业的蓬勃发展,这一发展格局或将改变,国内PA厂家有望在5G赛道上大步快跑,从而翻转“卡脖子”局面。Mjiesmc

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3.GaN  PAMjiesmc

第三代半导体材料GaN在性能上显著强于前两者。GaN的禁带宽度更宽、击穿电压更强、饱和电子速率更快,能承受更高的工作温度(热导率高)。业界普遍共识,随着技术攻关进程加快,GaN将成为高射频、大功耗应用的主要方案。(图3)Mjiesmc

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不过,目前GaN PA仍在导入阶段,成本较高,主要在部分5G基站端应用率先实现替代GaAs。数据显示,5G基站对射频PA需求大幅增长,从4G基站的12个到5G基站的192个,所需PA数量有望增长16倍以上。Mjiesmc

而在GaN供应链上,海外和国内的玩家势均力敌。境外厂家在制造端有明显优势,而国内厂商在末端的封测和应用上后来居上。(图4)Mjiesmc

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设计赛道:竞争激烈,需求鲜明

国内射频PA有手机、基站、Wi­-Fi、NB-IoT四大市场。根据调研机构Yole统计,手机PA市场约占65%,Wi­-Fi PA市场约占20%,基站市场约占10%,其他为5%。Mjiesmc

1.手机PAMjiesmc

得益于5G换机周期和5G手机内PA所需量增加,2020年手机PA市场有望持续增长。据稳懋预计,5G手机所需PA数量将至少比4G手机多2-5颗。若4G LTE高端手机中PA价值量计算为3.3美元,那5G高端手机中PA价值量已经达到8.3美元以上。Mjiesmc

如今的手机PA主要采用GaAs工艺。因为射频PA在5G面临新挑战有线性度失真、互调、功率要求提升、降低功耗等,这导致射频PA设计呈模组化趋势,以便缩小RF元件体积,加快手机产品上市时间等。Mjiesmc

根据晋江三伍微电子有限公司的钟林在业内观察到:在这一赛道里,国外公司2G PA基本不再供货;而国内本土的2G PA在各方面性能都不输国外产品,成本更低、优势更大。而本土的3G PA整体性能已媲美国外产品,具有成本优势;国外主要是Qorvo CMOS 3G PA。至于4G PA要分成两档:在中功率4G PA,国产产品与国外基本已不相上下,能替换的都已经替换了;在高功率4G PA,国产PA整体性能上还是有点差距的,但也能满足手机客户的需求,最终取决手机客户的选择,是否对性能有极致追求。最后5G PA,国内产品差距还是很明显的,Skyworks和Qorvo在去年已经量产交货,国内公司今年才开始有样品。Mjiesmc

尽管如此,国内手机PA厂商由于在2G、3G手机PA里沉淀了不少优势,同时还靠近需求市场,有望在5G和国产替代的红利下加速发展。(表2)Mjiesmc

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2.基站PAMjiesmc

5G基站建设需求旺盛,国内商用速度超过美国、韩国。工信部数据显示,国内三大运营商将在2020年新建超过60万个5G基站,相当于每周新增1.5万座基站。Mjiesmc

据悉,5G基站区域的天线将以10个以下骤增到百个以上,对PA的需求提升了15倍以上。同时,天线的数量上升意味着需要尺寸更小的元器件,因此GaN工艺的PA在5G基站的建设中具有很高的地位。Mjiesmc

基站PA的GaN、LDMOS、GaAs三种工艺的技术含量高,被国外厂家垄断。国内市场主要仍从恩智浦、日本住友、Amploen、Qorvo等公司进口。近些年国内公司也开始研发,真正批量出货的很少,国内PA厂商基本是Fabless设计公司和代工厂。(表3)Mjiesmc

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3.Wi-Fi PAMjiesmc

Wi-Fi PA是除手机PA外的第二大增长点。随着IEEE协议从802.11n演进到802.11ac,双频路由器(2.4GHz+5GHz)得到普遍使用,同时传统的两条2.4G天线逐渐转发为两条2.4G和两条5G天线配置,每条天线均需要对应一颗PA芯片。如今802.11acx被定义为Wi-Fi 6,更是对Wi-Fi PA的性能要求和数量需求提出更高的标准。Mjiesmc

同样是来自三伍微电子的钟林行业观察:国产Wi-Fi PA与国际相比,Wi-Fi 4 PA/FEM的中功率产品性能不差于国际产品,完全可以替代,成本优势明显;但高功率产品还有少许差距。Wi-Fi 5的竞争赛道最拥挤,很多本土公司都在抢市场,各显神通但脱颖而出的不多;高功率差距更为明显。至于行业大热的Wi-Fi 6,中功率的国内厂家已经初露锋芒;国产高功率Wi-Fi FEM估计要到明年,预估与国外厂家的差距至少有3年。发展相对滞后的是Wi-Fi 7 FEM,Skyworks在客户端已经可以提供样品,但国内厂家仍在布局之中。(表4)Mjiesmc

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4.NB-IoT PAMjiesmc

由于2G、3G退网已定,5G建设进程加速,NB-IoT作为物联网的一个重要分支也将迎来产业化发展的新阶段。NB-IoT PA主要覆盖市场为智能燃气表、智能水表、智能烟感器、智能锁等细分行业。Mjiesmc

在NB-IoT应用中,往往将PA集成进SoC中,从而提高集成度,大幅降低了模块的成本和开发复杂度,同时缩小了模组体积,降低了功耗。(表5)Mjiesmc

不难发现,对于国产NB-IoT PA来讲,超宽带、低电压、极端温度和低成本是重点要考虑的方向。Mjiesmc

最后来看国产PA的封测端。从工艺来分,CMOS工艺的代表企业有台积电、中芯国际、联电;GaAs工艺有台湾稳懋、台湾宏捷科、三安集成、海威华芯;SOI工艺有格罗方德、TowerJazz、中芯国际、华虹宏力;SiGe工艺有格罗方德、TowerJazz。封测端主要有大陆的长电科技、华天科技以及台湾地区的矽格半导体、同欣、菱生、日月光、京元电等。Mjiesmc

总的来说,目前国内PA产品大多停留在中低端应用,布局高端应用的PA厂商暂且不够突出,需要玩家们持续性投入。不过,华为自行设计PA、5G应用带给更多替代的机会,必定会给国内PA厂商打上一剂强心针,使得PA产业再度加速发展。Mjiesmc

原创
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Momo Zhong
国际电子商情(Electronics Supply and Manufacturing-China)助理产业分析师,专注于PCB、电子工程、移动终端、智能家居等上下游垂直领域。
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