新冠疫情后，射频前端发展现状及趋势有何变化？
来源:国际电子商情发布时间:2022-08-19553浏览
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新冠疫情已经进入到第三年，目前消费电子产品需求趋于低迷，供应链已经出现库存积压的情况。即便如此，市场依然看好射频前端的发展。
我们曾在2019年报道过射频前端的现状和替代情况，当时的结论是：射频前端的需求将呈暴发式增长，毫米波频段将给射频器件/方案平台商带来机遇；围绕射频前端模块集成发展更快的厂商有望成为行业主导者，SiP集成是重点着力方向。
如今，5G技术商用已经三年整，智能手机年出货量破13亿，智能家电、穿戴产品年出货量均破5亿，5G基站累计建成数百万台，这些设备的无线联网功能的实现都离不开射频前端。现在，射频前端发展状况及趋势如何？走向AiP天线封装，射频前端进一步集成近十余年来，智能手机功能越来越强大，其内部元件也越来越集成。虽然手机尺寸也在逐渐变大，但作为便携移动通信设备，它有着非常严格的尺寸限制。随着手机功能的完善，电路板空间无法再设计更多元件和电路，分散安装形式变得非常困难，于是供应商开始聚焦“集成化”和“模块化”。从2G到5G，最明显的特点是移动网络速度加快，这需要各类射频器件的支持。以4G手机的通讯模组为例，它可分为天线、射频前端、收发器和数据机等主要的SiP(System in Package，系统级封装)模组，目前SiP大致可分为晶圆级封装技术(WLCSP)和基板级封装技术。SiP将多种功能芯片(包括CMOS、BiCMOS、GaAs等工艺的芯片)集成在一个封装内，可以实现一个基本完整的功能，带来尺寸小、时间快、成本低、生产效率高、系统设计简单等优势。这类封装涉及到Wi-Fi模组、UWB模组、AiP模组、指纹辨识模组、智能穿戴用手表和耳机模组等。到5G时代，射频前端从分立器件，转向FeMid(集成开关、滤波器和双工器)和PaMid(集成多模式多频带PA和FeMid)形式。另外，5G毫米的短波长特点让天线尺寸更短，AiP(天线封装)把天线集成到射频开关、滤波器和放大器的SiP中，极大简化了毫米波应用面临的挑战、加快了系统设计。全球供应商已有针对SiP和AiP封装来布局。SiP系统封装在智能手表、TWS耳机等产品上有很好的应用，苹果的AirPods、Apple Watch都采用了SiP封装，歌尔股份和立讯精密为苹提供SiP服务，Tier 1德赛西威的车规SiP预计今年下半年上线投产，美的、TCL、海信等终端生产商也布局SiP。SiP系统封装参与者中中国企业较多，包括了日月光、长电科技、通富微电、华天科技、甬矽电子、晶方科技、华进半导体等封测厂，还有发力基板级SiP封装的环旭电子、深南电路、歌尔股份、欧菲光、丘钛科技、立讯精密、富士康、闻泰科技等。全球AiP的专利格局主要由IDM、Foundry、Fabless和外包封测厂(OSAT)、手机厂主导，相关技术主要掌握在台系、日系及美系厂商手中。据知识产权研究公司Knowmade资料显示：中芯长电/中芯国际、台积电、三星电机、日月光、矽品精密、安靠等(Foundry、OSAT)，联发科、高通、村田、德州仪器、思佳讯等(Fabless、IDM)和华为、vivo、OPPO(手机厂)等均有相关专利。可以肯定的是，无论是SiP还是AiP，这些封装方式都有同样的目标——让模块的尺寸更小、降低电路复杂度且保证性能和更好的性价比。未来，5G射频前端将以SiP、AiP的形式进一步走向高度集成。移动设备和基站带来更多射频前端需求
图1：射频前端主要器件构成 制图/来源：国际电子商情
射频前端包括功率放大器(PA，Power Amplifier)、滤波器(Filter)、开关(Switch)、低噪音放大器(LNA，Low Noise Amplifier)、调谐器(Tuner)、双/多工器(Du/Multiplexer)等器件，可为移动终端(以智能手机、智能家电、可穿戴设备为代笔)和通信基础设施(以基站为代表)提升无线连接性能。由于大量频段被集成到5G手机里，其射频器件的使用量也随之大增。在4G手机商用之前，一部手机只需消耗少量的射频器件。5G时代，每部手机所消耗的射频器件数量增多，集成度高的射频前端更受市场关注。
图2：2G-5G手机中单机射频芯片价值含量 制图：国际电子商情 数据来源: Yole Dédeveloppement
图3:我国5G智能手机出货量数据 制图:国际电子商情 数据来源:中国信通院
图4：2019-2025年射频前端和连接市场各类器件市场规模 制图：国际电子商情 数据来源：Yole Dédeveloppement
- AiP模组从0.6亿美元增长到14.3亿美元，CAGR高达53%；
- 射频IC从3.85亿美元增长到12.16亿美元，CAGR为15%；
- FEM模组从25.77亿美元增长到45.72亿美元，CAGR为13%；
- PA模组从53.76亿美元增长到89.31亿美元，CAGR预计为11%；
- LNA从3.98亿美元增长到7.84亿美元，CAGR为11%；
- 开关从4.46亿美元增长到8.28亿美元，CAGR为11%；
- 天线调谐器从5.69亿美元到10.11亿美元，CAGR为10%。
图5：2020-2025年基础设施射频前端市场预测 图片来源：Yole Dédeveloppement
经过多年的发展，射频前端的开关、LNA、调谐器已有一定的国产力量，但在滤波器和PA上还需进一步突破。对于通信设备而言，PA决定了信号覆盖强度，滤波器决定了设备的抗干扰能力，它们是射频前端最重要的两类器件。
·射频滤波器IDM模式将是主流
频段的增多也要求增加滤波器的使用量，每一个频段都需要单独支持它的滤波器。据射频供应商思佳讯预测，5G手机滤波器使用量将从4G手机中的40颗上升至70颗。关于滤波器，此前行业有过路线之争，现在大家基本已达成共识：中低频段用基于SAW(声表面波)的技术路线，中高频段和超高频采用FBAR/BAW(体声波)方案，部分薄膜TC-SAW工艺将突破高频应用场景。由于LTCC器件、IPD滤波器的份额还较小，本文不展开分析。SAW滤波器包括普通SAW及具有温度补偿特性的TC-SAW，这是一种沿着固体表面传播的声波，它具备可靠性高、抗干扰能力强、不易老化、使用方便、选择性好、频带宽等优势，但其插入耗损大(需在前级加宽频带放大器)，工艺/精度要求高，在频率高于1GHz时选择性降低，高于2.5GHz时适用对性能要求不高的应用，比如手机、GPS定位、卫星通讯和有线电视等设备。BAW滤波器包括普通BAW及采用薄膜腔声波谐振器的FBAR滤波器，它的声波呈垂直传播，在频率高于1.5GHz时，BAW具有较大的性能优势，其尺寸与频率成反比，适合要求严苛的3G和4G应用。它具备对温度变化不敏感、插入损耗小、带外衰减大等优势，但它的压电层厚度必须在微米量级，制造工艺步骤是SAW的10倍。FBAR滤波器支持4W@2GHz的更高射频功率，适用于下一代无线通信和无线接入产品。在供应商方面，SAW滤波器主要供应商有村田、TDK、太阳诱电、思佳讯、Qorvo等，国产供应商主要有信维通信、麦捷科技、卓胜微等；BAW滤波器主要供应商有博通、Qorvo、Avago、太阳诱电、TDK等，我国厂商主要围绕FBAR滤波器发力，有诺思、麦捷科技等。苏州汉天下电子有限公司CEO陶镇曾公开表示，滤波器未来的趋势将是IDM模式，滤波器需要“工艺+设计+模型”为一体，国内有非常成熟的代工产业链，Fabless公司无需关注工艺、节点、模型。不过，只有IDM模式才有足够的模型数据作为仿真和实测之间的桥梁，国内的BAW滤波器公司一定会向IDM商业模式转型。IDM商业模式的自建晶圆线能带来几大好处：1.从研发流片周期或量产流片周期来看，自有晶圆线比公开晶圆线节省三分之二的时间，可加速新品推陈出新及量产交付的时间；2.自有晶圆线的生产成本比公开晶圆线至少降低30%。基于IDM+CIDM的“双循环”驱动，是最适合国内BAW滤波器公司的商业模式。CIDM是Commune IDM，Commune在法语中是“共同、共有”的意思。在CIDM模式中，由10-15个单个企业进行联合出资半导体的设计、研发、生产、封装、测试、营销/销售、最终产品组装等，这些出资者形成一个半导体生产平台，所有参加者共同构筑双赢的关系。过去二十年里，射频芯片公司正往模组类转型，行业出现了许多整合、兼并、收购案例。在滤波器领域也有一些值得关注的并购案例：2019年高通完成对RF 360的所有股份的收购，后者专门供应完整的滤波器和滤波技术产品组合，包括SAW、TC-SAW和BAW解决方案；2022年3月，村田完成对Resonant的收购，前者的SAW滤波器技术与后者的XBAR技术相融合，将为客户提供更优秀的高频滤波器。相信伴随技术的升级，滤波器行业的并购、整合趋势持续。·射频PA集成度提升、研发难度加大
在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大来获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，就必须采用射频PA。射频PA主要有CMOS、GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)三大路线。在智能手机中，基带、电源管理和射频收发等器件已被CMOS工艺集成，但如今主流的射频PA却采用GaAs工艺。业内的观点认为，CMOS晶圆比GaAs晶圆便宜，但CMOS PA的面积比GaAs PA大，单个器件的成本优势并不太明显。另外，在采用同样工艺节点的情况下，CMOS PA适用的频率比GaAs PA要低。据Qorvo预测，频率为8Ghz以下的应用中，GaAs PA在输出功率、工作频率等性能优于Si CMOS PA，因此市场预测GaAs PA在5G手机的应用将进一步渗透。虽有企业在致力于用CMOS PA替代GaAs PA，但CMOS PA主要应用在低端应用中。移动终端及IoT射频PA供应商有思佳讯、Qorvo、高通、稳懋、三安光电、环旭电子、卓胜微、信维通信。当频率大于8GHz时，GaN PA有更好的表现，它被视为高频应用的更优选择。GaN器件主要分为Si基和SiC基，因SiC的高导热率以及低RF loss(射频衰落)，使GaN-on-SiC适用于功率较大的宏基站，GaN-on-Si则有望凭借低成本优势在小基站有大规模应用。5G基站要求PA的运行频率为3GHz-6GHz和24GHz-40GHz，射频功率在0.2W-30W之间。增加电压可提升PA的射频功率，而GaN具有高功率密度和高频特性，所以GaN射频PA更加适合5G基站应用。当然，GaN还面临成本问题，其价格高于LDMOS和GaAs。基站射频PA供应商有Qorvo、科锐、稳懋、三安光电、海特高新。与滤波器一样，5G智能手机对PA的使用量也翻倍增长。比如，4G多模多频手机所需的 PA芯片为5-7颗，5G手机内的PA芯片则达到16颗。此外，5G基站中使用的射频PA也在数量和质量上有提升。为了更大程度地缩小尺寸，集成了PA、滤波器和开关的PAMiD模组在手机上得到应用。值得注意的是，当频率越高、带宽越宽、集成度越高，射频PA的研发难度也就相应地越大，未来射频PA供应商将面临更大的技术挑战。*本文为国际电子商情原创文章，未经授权禁止转载。
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