射頻前端，作為設(shè)備于外界通信的重要節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)通信系統(tǒng)中產(chǎn)生的作用不言而喻。砷化鎵器件應(yīng)用于消費(fèi)電子射頻功放，是 3G/4G 通訊應(yīng)用的主力，物聯(lián)網(wǎng)將是其未來(lái)應(yīng)用的藍(lán)海；氮化鎵器件則以高性能特點(diǎn)目前廣泛應(yīng)用于基站、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等軍工領(lǐng)域，利潤(rùn)率高且戰(zhàn)略位置顯著，由于更加適用于 5G，氮化鎵有望在 5G 市場(chǎng)迎來(lái)爆發(fā)，而砷化鎵則是 5G 功放的另一種備選。

行業(yè)知名機(jī)構(gòu) Yole Développement (Yole)的射頻設(shè)備與技術(shù)部技術(shù)與市場(chǎng)分析師 Cédric Malaquin 在早前的一份報(bào)告中表示，移動(dòng)設(shè)備正在加速向 5G 過(guò)渡。

他進(jìn)一步指出，與 2020 年相比，2021 年 5G 手機(jī)的數(shù)量將增加一倍以上。這個(gè)普及速度比 10 年前的 LTE 標(biāo)準(zhǔn)要快得多。伴隨著 5G 的爆發(fā)，射頻設(shè)備的需求空前增加。與此同時(shí)，手機(jī)廠商還需要對(duì)以前的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)提供支持。

“因此，我們必須將數(shù)百個(gè)射頻組件安裝到手持式設(shè)備中。這現(xiàn)在正在影響中端和入門級(jí)手機(jī)，而不僅僅是旗艦。”Cédric Malaquin 強(qiáng)調(diào)。

在 Cédric Malaquin 看來(lái)，在手機(jī)中實(shí)施的 5G 功能側(cè)重于提高下載速度并使上行鏈路更加穩(wěn)健。此外，盡管這目前僅適用于旗艦產(chǎn)品，然而在毫米波頻率上創(chuàng)建了一條全新的無(wú)線電路徑，這也是射頻前端廠商的機(jī)會(huì)。

Yole 同時(shí)在報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，5G 的引入增加了手機(jī)以及 RF 的復(fù)雜性。在保持可接受的外形尺寸的同時(shí)使用分立元件構(gòu)建 5G 手機(jī)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，為此需要推動(dòng)更多的集成。  

“在這種需求下，射頻前端市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者都推出了適應(yīng)多種市場(chǎng)需求的靈活模塊產(chǎn)品。除此之外，有些廠商還為旗艦產(chǎn)品定制了模塊”，Yole 射頻技術(shù)和相關(guān)市場(chǎng)分析師 Mohammed Tmimi 博士肯定地說(shuō)。

根據(jù) Yole 射頻團(tuán)隊(duì)預(yù)估，與 4G 版本相比，5G 手機(jī)中的射頻含量高出 5 至 8 美元，而毫米波版本則多出 10 美元。 因此，射頻前端市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。

為此 Yole 表示，到 2021 年底，射頻前端市場(chǎng)規(guī)模應(yīng)該達(dá)到 170 億美元，高于 2020 年的 140 億美元。但他們也表示，自此之后，RF 前端市場(chǎng)的增長(zhǎng)應(yīng)該會(huì)放緩。而后隨著 5G 成為主流且競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇時(shí)，射頻前端的 ASP 將受到影響。根據(jù)分析師預(yù)計(jì)，射頻前端市場(chǎng)在 2019 年（5G 推出之年）和 2026 年之間的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 8.3%，屆時(shí)射頻前端市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 210 億美元。

射頻性能優(yōu)異的

化合物半導(dǎo)體

化合物半導(dǎo)體射頻性能優(yōu)異。硅單晶材料是制作普通集成電路芯片的主要原料，但受限于材料特性，很難適用于高頻/高壓/大電流芯片應(yīng)用。

化合物半導(dǎo)體材料因其優(yōu)良的器件特性廣泛適用于射頻器件。常見(jiàn)的化合物半導(dǎo)體包括三五族化合物半導(dǎo)體和四族化合物半導(dǎo)體。

其中，砷化鎵（ GaAs）和氮化鎵（ GaN）作為其中應(yīng)用領(lǐng)域最廣、產(chǎn)業(yè)化程度最高的三五族化合物材料，具有優(yōu)良的射頻性能，天然具備禁帶寬度寬、截止頻率高、功率密度大等特點(diǎn)， 作為射頻功率器件的基礎(chǔ)材料分別主宰主流民用和軍用/高性能射頻集成電路市場(chǎng)。

化合物半導(dǎo)體與普通 Si CMOS 半導(dǎo)體器性能比較

化合物半導(dǎo)體細(xì)分應(yīng)用及說(shuō)明

化合物射頻器件應(yīng)用器件工藝分布圖

化合物射頻器件應(yīng)用相關(guān)信息

▌ 氮化鎵：性能優(yōu)異的第三代半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料共經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：

1. 第一階段是以Si、Ge為代表的第一代半導(dǎo)體材料

2. 第二階段是以GaAs、InP等化合物為代表的第二代半導(dǎo)體材料

3. 第三階段是以GaN、Sic、ZnSe等寬禁帶半導(dǎo)體材料為主的第三代半導(dǎo)體材料

其中，第三代半導(dǎo)體材料具有很多優(yōu)異于第一和第二代半導(dǎo)體材料的性能特點(diǎn)：第一，具有較大的禁帶寬度，較高的擊穿電壓，耐壓性能較好，更適合應(yīng)用大功率領(lǐng)域；第二電子飽和速率較高，彌補(bǔ)了電子遷移率的缺陷；第三高溫性能良好，減少了附加散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本；第四，發(fā)展前景廣闊，在高頻、高溫、大功率等領(lǐng)域有很大發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼说墸℅aN）憑借其優(yōu)異的性能而成為目前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

正是由于氮化鎵優(yōu)異的性能，目前氮化鎵已經(jīng)成為射頻器件（RF）、LED和功率器件等的應(yīng)用熱點(diǎn) ，尤其是氮化鎵同時(shí)可以滿足高功率和高頻率的特點(diǎn)，并且在高頻下?lián)碛懈叩墓β瘦敵龊透〉恼嘉幻娣e，目前已經(jīng)成為射頻器件應(yīng)用的熱點(diǎn)和最優(yōu)選擇之一。

當(dāng)前基站與無(wú)線回傳系統(tǒng)中使用的大功率射頻器件（功率大于3瓦），主要有基于三種材料生產(chǎn)的器件，即傳統(tǒng)的LDMOS（橫向擴(kuò)散MOS）、砷化鎵（GaAs），以及新興的氮化鎵（GaN）。

氮化鎵是擁有寬禁帶的材料，其禁帶寬度（3.4eV）是普通硅（1.1eV）的3倍，擊穿電場(chǎng)是硅材料的10倍，功率密度高，可以提供更高的工作頻率、更大的帶寬、更高的效率，可工作環(huán)境溫度也更高。由于成本優(yōu)勢(shì)，LDMOS在低頻仍有生存空間，但氮化鎵已經(jīng)在向低頻滲透，例如在2.6GHz頻段，也開(kāi)始出現(xiàn)氮化鎵方案。

由于工藝輸出功率特性限制，LDMOS在3.5GHz及以上頻率不能提供足夠大的功率，所以從3.5GHz到未來(lái)的毫米波，高頻應(yīng)用中氮化鎵不是去替代LDMOS，而是開(kāi)辟全新的市場(chǎng)空間。氮化鎵擁有全面的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是帶寬、線性度、增益還是效率，硅器件都無(wú)法與氮化鎵競(jìng)爭(zhēng)。

隨著通信技術(shù)不斷向高頻演進(jìn)，氮化鎵是必然的選擇。因?yàn)樾枰蟮膸挘玫木€性度，5G和高頻化應(yīng)用，讓氮化鎵大有用武之地。在5G時(shí)代，未來(lái)一臺(tái)基站里面就要用幾百個(gè)PA（功率放大器），而5G的基站部署數(shù)量將呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，所以在5G時(shí)代，射頻器件產(chǎn)業(yè)將比以往大得多。

▌ 硅基氮化鎵（GaN-on-Si）：最有前景的襯底技術(shù)

目前來(lái)看，GaN主要有三種類型的襯底，分別是硅基、碳化硅（SiC）襯底和金剛石襯底。

金剛石襯底氮化鎵（GaN-on-Diamond） ： 制造較為困難，但是優(yōu)勢(shì)明顯：在世界上所有材料中金剛石的熱導(dǎo)率最高（因此最好能夠用來(lái)散熱）。使用金剛石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金剛石高導(dǎo)熱率優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)非常接近芯片的有效導(dǎo)熱面。

碳化硅襯底氮化鎵（GaN-on-SiC）： 這是射頻氮化鎵的“高端”版本，SiC襯底氮化鎵可以提供最高功率級(jí)別的氮化鎵產(chǎn)品，可提供其他出色特性，可確保其在最苛刻的環(huán)境下使用，但是成本相對(duì)較高。

硅基氮化鎵（GaN-on-Si）： 這種方法比另外兩種良率都低，不過(guò)它的優(yōu)勢(shì)是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圓和大量射頻硅代工廠。因此，它可以以價(jià)格為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)對(duì)抗現(xiàn)有硅和砷化鎵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)份額的替代。

GaN-on-SiC目前主導(dǎo)了RF GaN行業(yè)，已滲透到4G LTE無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，預(yù)計(jì)將部署在5G sub-6Ghz的RRH架構(gòu)中。 與此同時(shí)，經(jīng)濟(jì)高效的LDMOS技術(shù)也取得了顯著進(jìn)步，可能會(huì)對(duì)5G sub-6Ghz有源天線和大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）應(yīng)用中的GaN解決方案發(fā)起挑戰(zhàn)。不過(guò)，這可能需要以降低效率為代價(jià)，從而帶來(lái)功耗的增加，對(duì)于5G的大規(guī)模部署來(lái)說(shuō)是不可持續(xù)的。

GaN-on-SiC是以性能為導(dǎo)向的，而GaN-on-Si作為潛在的挑戰(zhàn)者是以成本為導(dǎo)向的，并且可以滿足更大的出貨量需求。根據(jù)YOLE的報(bào)告預(yù)計(jì)，GaN-on-Si可以基于全球現(xiàn)有的低成本、大尺寸CMOS硅晶圓和大量射頻硅代工廠實(shí)現(xiàn)更快的大規(guī)模量產(chǎn)，硅基氮化鎵器件工藝能量密度高、可靠性高，晶圓可以做得很大，目前在8英寸，未來(lái)可以做到10英寸、12英寸，晶圓的長(zhǎng)度可以拉長(zhǎng)至2米。

硅基氮化鎵器件具有擊穿電壓高、導(dǎo)通電阻低、開(kāi)關(guān)速度快、零反向恢復(fù)電荷、體積小和能耗低、抗輻射等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)RF產(chǎn)品更易于擴(kuò)展，未來(lái)GaN-on-Si將廣泛應(yīng)用于手機(jī)、射頻器件、VSAT等領(lǐng)域。隨著5G技術(shù)的不斷推進(jìn)和滲透率的不斷提升，YOLE預(yù)計(jì)未來(lái)GaN-on-Si的市場(chǎng)份額將超過(guò)GaN-on-SiC。

射頻前端產(chǎn)業(yè)鏈

日趨成熟

目前射頻前端半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)由IDM模式主導(dǎo)。射頻前端主要產(chǎn)品的市場(chǎng)均被幾大國(guó)際巨頭壟斷。

隨著5G到來(lái)，以高通為代表的Fabless廠商試圖憑借基帶技術(shù)切入射頻前端領(lǐng)域；同時(shí)以華為為代表的設(shè)備商對(duì)于上游供應(yīng)鏈的把控和“國(guó)產(chǎn)替代”需求也將重塑產(chǎn)業(yè)鏈格局，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)廠商有望迎來(lái)替代機(jī)遇。

射頻前端產(chǎn)業(yè)鏈根據(jù)分工的不同可以分為芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測(cè)試三個(gè)環(huán)節(jié)。而IDM（IntegratedDeviceManufacturing，垂直整合制造）模式是指垂直整合制造商獨(dú)自完成集成電路設(shè)計(jì)、晶圓制造、封測(cè)的所有環(huán)節(jié)，因此該模式對(duì)技術(shù)和資金實(shí)力均有很高的要求，所以目前只有國(guó)際上成功的大型企業(yè)采納IDM模式，如Skyworks、Qorvo、Murata、Broadcom等。

1987年臺(tái)灣積體電路公司（TSMC）成立以前，集成電路產(chǎn)業(yè)只有IDM一種模式，此后，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化分工成為一種趨勢(shì)。

出現(xiàn)垂直分工模式的根本原因是半導(dǎo)體制造業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。但是現(xiàn)今IDM廠商仍然占據(jù)主要地位，主要是因?yàn)镮DM企業(yè)具有資源的內(nèi)部整合優(yōu)勢(shì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及較高的利潤(rùn)率：

1.資源的內(nèi)部整合優(yōu)勢(shì)

在IDM企業(yè)內(nèi)部，從IC設(shè)計(jì)到完成IC制造所需的時(shí)間較短，主要的原因是不需要進(jìn)行硅驗(yàn)證（SiliconProven），不存在工藝流程對(duì)接問(wèn)題，所以新產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)到面市的時(shí)間較短。

而在垂直分工模式中，由于Fabless在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，難以及時(shí)與Foundry的工藝流程對(duì)接，造成一個(gè)芯片從設(shè)計(jì)公司到代工企業(yè)的流片（晶圓光刻的工藝過(guò)程）完成往往需要6-9個(gè)月，延緩了產(chǎn)品的上市時(shí)間。

2.技術(shù)優(yōu)勢(shì)

大多數(shù)IDM都有自己的IP（IntellectualProperty，知識(shí)產(chǎn)權(quán)）開(kāi)發(fā)部門，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研發(fā)與積累，企業(yè)技術(shù)儲(chǔ)備比較充足，技術(shù)開(kāi)發(fā)能力很強(qiáng)，具有技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

3.較高的利潤(rùn)率

根據(jù)“微笑曲線”原理，最前端的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與最末端的品牌、營(yíng)銷具有最高的利潤(rùn)率，中間的制造、封裝測(cè)試環(huán)節(jié)利潤(rùn)率較低。

▼行業(yè)模式示意圖

目前射頻前端行業(yè)仍然以IDM模式為主導(dǎo)。射頻與功率器件集成度不高，設(shè)計(jì)變化不多，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)附加值較低，而且材料結(jié)構(gòu)與工藝密切相關(guān)，而工藝又決定了產(chǎn)品最終的電學(xué)性能，材料、設(shè)計(jì)、制造與封測(cè)一體相關(guān)，這幾個(gè)因素是射頻器件競(jìng)爭(zhēng)的主導(dǎo)性因素。所以全球成功的射頻或功率器件公司，多數(shù)都采用IDM模式。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)等移動(dòng)終端對(duì)于射頻前端的要求也越來(lái)越高。一方面，手機(jī)等終端需要的射頻前端的數(shù)量在上升，射頻前端在手機(jī)成本的比重也越加上升；另一方面，隨著對(duì)便攜性和輕薄化的要求越來(lái)越高，而需求的射頻前端數(shù)量也在不斷增長(zhǎng)，這時(shí)射頻前端廠商只能增加集成度以把整個(gè)射頻系統(tǒng)的實(shí)際尺寸控制在合適的范圍內(nèi)。

目前，已經(jīng)有一些廠商在研發(fā)把低噪聲放大器和開(kāi)關(guān)模組集成在一起的方案，例如Skyworks的SkyOne模組（集成了PA，開(kāi)關(guān)，多路器在同一模組上）。未來(lái)隨著通信技術(shù)和生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，我們可望看到集成度更高的射頻前端。

▼集成了PA，開(kāi)關(guān)，多路器在同一模組上的Skyworks的SkyOne射頻前端模組

射頻前端行業(yè)兼并收購(gòu)不斷，巨頭不斷擴(kuò)大業(yè)務(wù)版圖。越來(lái)越多的廠商也在紛紛加大在射頻前端方面的投入，希望在未來(lái)的5G浪潮中分一杯羹。

例如聯(lián)發(fā)科計(jì)劃收購(gòu)絡(luò)達(dá)科技布局射頻PA，紫光展訊整合銳迪科買入射頻PA行業(yè)，而國(guó)際巨頭Skyworks聯(lián)手松下組建合資公司開(kāi)發(fā)SAW濾波器，而巨頭Qorvo則由主營(yíng)濾波器的RFMD和主營(yíng)射頻PA的Triquint合并而成。

有很多特殊的半導(dǎo)體產(chǎn)品適用IDM而不是代工模式，例如模擬器件。模擬器件和數(shù)字器件不一樣。數(shù)字器件的敏感度一般來(lái)說(shuō)不那么高，它追求摩爾定律，要求線寬越來(lái)越小、功耗越來(lái)越少、成本越來(lái)越低，而單位面積上晶體管的數(shù)目要越來(lái)越多，它需要最先進(jìn)的工藝和技術(shù)。

模擬器件則非常敏感，只要一個(gè)參數(shù)有變化，整體功能就會(huì)改變很多。譬如模擬器件里面的一個(gè)電容或電感的尺寸，稍微大一點(diǎn)或者小一點(diǎn)效果就會(huì)差很多。所以模擬器件更需要有一條專門為它服務(wù)的生產(chǎn)線。

混合信號(hào)、模擬和功率半導(dǎo)體器件都不需要使用7納米、14納米的工藝，它需要的是穩(wěn)定性和可靠性，需要對(duì)它的工藝流程進(jìn)行量身定做，因此很多模擬器件是沒(méi)有代工工廠（Foundry）的，譬如5G通訊中用到的氮化鎵（GaN），目前這種高功率芯片的大企業(yè)有Skyworks（思佳訊）、Qorvo、Sumitomo（住友）、Murata（村田）、NXP（恩智浦）、AVAGO（安華高）等，都是IDM公司。

射頻前端產(chǎn)業(yè)目前是IDM模式最成功的領(lǐng)域。就在其它半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)（如處理器、SoC等）Fabless模式占據(jù)大半江山的時(shí)候，在射頻前端市場(chǎng)仍然是IDM獨(dú)大，這是因?yàn)樯漕l前端設(shè)計(jì)需要仔細(xì)結(jié)合器件制造工藝，有時(shí)候甚至?xí)榱嗽O(shè)計(jì)而調(diào)整工藝。

目前射頻前端領(lǐng)域的巨頭Skyworks，Qorvo等都有自己的生產(chǎn)線，隨著未來(lái)5G時(shí)代對(duì)射頻前端器件的要求越來(lái)越高，制造工藝越來(lái)越復(fù)雜，預(yù)計(jì)IDM模式仍然將在未來(lái)的射頻前端行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。

“基帶供應(yīng)商切入射頻前端市場(chǎng)+整機(jī)商把控供應(yīng)鏈國(guó)產(chǎn)替代”，F(xiàn)abless迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇

IDM模式雖然有這么多的好處，但是IDM模式最大的局限就在于對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)不夠迅速。由于IDM企業(yè)的“質(zhì)量”較大，所以“慣性”也大，因此對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)速度會(huì)比較慢。

其次，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所需的投資十分巨大，沉沒(méi)成本高。晶圓生產(chǎn)線投資較大，而且每年的運(yùn)行保養(yǎng)、設(shè)備更新與新技術(shù)開(kāi)發(fā)等成本占總投資的比例較高。這意味著除了少數(shù)實(shí)力強(qiáng)大的IDM廠商有能力擴(kuò)張外，其他的廠商根本無(wú)力擴(kuò)張，因此便催生出了Fabless模式。

在Fabless模式下，集成電路設(shè)計(jì)、晶圓制造、封測(cè)分別由專業(yè)化的公司分工完成，此模式中主要參與的企業(yè)類型有芯片設(shè)計(jì)廠商、晶圓制造商、外包封測(cè)企業(yè)。采用Fabless模式的公司處于產(chǎn)業(yè)鏈上游，技術(shù)密集程度高，芯片設(shè)計(jì)廠商在該種模式下起到龍頭作用，統(tǒng)一協(xié)調(diào)芯片設(shè)計(jì)后的生產(chǎn)、封測(cè)與銷售。

▼Fabless模式下產(chǎn)業(yè)鏈分工

同時(shí)，以華為為代表的設(shè)備商對(duì)于上游供應(yīng)鏈的把控和“國(guó)產(chǎn)替代”需求也將重塑產(chǎn)業(yè)鏈格局，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)廠商有望迎來(lái)替代機(jī)遇，我們看好未來(lái)射頻前端的國(guó)產(chǎn)替代邏輯。國(guó)內(nèi) 射頻器件的生產(chǎn)廠商以Fabless為主，在代工廠工藝的挹注下，產(chǎn)業(yè)鏈將迎來(lái)加速國(guó)產(chǎn)替代的機(jī)遇。目前國(guó)內(nèi)代表公司有海思半導(dǎo)體，卓勝微，VanChip，Ampleon，慧智微等。

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