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无线通信中的天罡战“器”——功率放大器 射频前端系列(一)-产业洞见-中恒星光投资集团
 投资部           2018-11-05 00:00:00

《仙剑奇侠传》中主人公李逍遥在游戏中后期的经典功力加成技能——“天罡战气”,使用此技能旨在增强李逍遥后续的输出功力,而在无线通信领域的射频放大器同样起到的是增强输出功率的效果——增强发射端输出信号的作用。

 


一、功率放大器 

射频前端组成

射频前端是无线通信中不可或缺的组成之一,负责射频收发、频率合成、功率放大,能够保证手机在不同频段下通信功能的实现。射频前端模块主要由功率放大器(PA,Power Amplifier)、低噪放大器(LNA,Low Noise Amplifier)和射频开关(SW,Switch)组成,此外还搭配了滤波器(Filter)和双工器(Duplexer)等元件,其中以功率放大器和滤波器的技术难度最高。由于功率放大器在射频前端中的核心地位,近十年来随着智能手机的发展所带来的产值规模的扩大,一直以来都吸引着业界的关注。

 

 

功率放大器(以下称PA),是决定信号发射性能的核心电路,从发出端的信号中择取主信号,放大信号幅度和功率,同时保证信号的清晰。PA的设计要求很高,从频率覆盖到性能再到功耗均是考虑因素,主要指标为输出功率、线性度、效率和谐波抑制性等。


PA发展趋势

PA主要的应用场景包括手机、WiFi路由器、通讯可穿戴设备以及未来物联网通讯设备。其中以移动通信和WiFi路由为当下最主要的应用平台。 

移动通信方面,手机对于PA的性能要求随着2G到4G的演进不断提升,所使用的生产工艺历经多次演化,产品单价也随之攀升。

 

 

从2G到4G,手机经历了从单一PA到集成射频芯片再到外挂PA的过程,原因在于随着手机通信对线性度、功率增益和功耗的指标要求大幅提升,集成PA芯片的方案无法满足各项性能要求。同时,4G/5G射频产品需要实现向下兼容(2G/3G/4G),频段分布增多、数十倍的频谱带宽的增加,多个频段需要多个芯片单元,要满足高带宽、抗干扰能力强等要求,使得PA的设计难度大大提高。从上图中的手机通信组件结构演变可以看出,PA的数量在增多,功耗方面的要求也驱动原本的集成方案转向外挂分立方案。

 

 

WiFi路由方面,随着IEEE协议从802.11n到802.11ac的演进,双频路由器(2.4GHz+5GHz)大量普及,从传统的两条2.4G天线到两条2.4G和两条5G天线配置,每条天线均需要对应一颗PA芯片,同样带动了对于PA的数量需求和性能要求。

 

 

综合以上可以看出,智能手机的演化和WiFi路由的发展,不仅提升了PA的使用量,还增加对于高频条件下PA的性能要求。使用量的增加带来了PA产量的迅速增长,同时对于高性能的研发投入也提升了PA的单价水平。 

 


二、产业链梳理

集成电路生产模式 

PA属于集成电路产业下的细分行业,因此其产业链构成符合一般集成电路产业链的基本特征,从上游到下游分别是芯片设计、芯片制造、封装和测试、分销、模组厂/方案商/品牌商、终端用户。

 

 

1950年代末期德州仪器(TI,Texas Instruments)的基尔比和Intel的诺伊斯分别独立发明了集成电路开始,到1980年代中期,集成电路的制造模式以IDM(Integrated Device Manufacture)为主要形态,芯片公司负责芯片从设计、制造、封装到测试的全部阶段。1987年,张忠谋离开TI创立台积电,台积电成为全球第一家专业集成电路制造服务公司,不设计或生产自有品牌产品,将所有产能提供给客户。这种专业代工模式为集成电路产业开辟了一条新道路,台积电进而占领了全球IC代工市场的大半份额,成为全球最大的晶圆代工业公司。如今IDM和代工模式的并行仍然是集成电路制造的典型特征。

说到集成电路产业链不得不提的就是其生产工艺及用料上的差异,PA生产工艺的演化正是这一差异的典型代表。在2G时代,通信集中在低频频段进行,所传输的速率有限,对于PA的输出功率要求不高,因此PA可与基带芯片做集成,采用CMOS工艺制造,其特点是低成本、低功耗、体积小。而到了4G/LTE时代,通信所使用的频段数量增多,传输速率大大提升,对于PA的输出功率和线性度的要求大大提高。由于CMOS工艺中硅元素特性的差异导致其无法满足PA对于性能的要求,因此砷化镓(GaAs)工艺的优势得以体现。

同样,在砷化镓工艺领域也有着IDM和代工并行的格局。但与硅晶圆不同的是,砷化镓器件的产值远远小于硅晶圆集成电路,其下游应用也远少于后者,细化分工的产生源自于规模经济效应,因此砷化镓方面对于代工的需求和发展并不如硅晶圆方面进展巨大,在砷化镓器件生产领域仍然以IDM的产能占绝对优势。


CMOS 工艺  VS. GaAs 工艺

CMOS和GaAs工艺之间的差异主要体现在以下方面:

首先,LTE手机对PA的性能要求相较2G/3G手机更高,包括增益功率、效率和线性度,其中线性度尤为重要,所以耐压高的GaAs工艺更受青睐;GaAs衬底损耗小,可以集成高质量的无源元件。

其二Breakdown Voltage(击穿电压)和Heat(散热)必须考虑。在射频信号下,管子的瞬态电压可能达到几十伏,CMOS工艺大概在10多伏,而砷化镓方面,稳懋(全球第一大砷化镓代工厂)的很多工艺都可做到40伏以上。CMOS有SOI工艺,可以显著减小寄生电容,但因为多了一层绝缘层,所以散热更差,一般拿来做SW。

其三GSM的操作频率不到1GHz,LTE是GSM的数倍,因此要求器件在高频率下有更好的工作性能。砷化镓材料的电子迁移率是硅材料的数倍,另外作为衬底材料,电阻率低寄生电容也更小,噪声小、击穿阈值高,这些特性导致砷化镓材料有更好的高频特性。CMOS则需要解决高功率击穿和转换速度问题。GaAs HBT输出电流与输入电压呈指数关系,并且它的电子迁移率比硅大5~6倍,电流密度较高,跨导比CMOS高很多,所以在高频和高速应用上,GaAs都完胜CMOS。

 

 

CMOS工艺比GaAs有优势的地方主要是集成度和成本, 但凡是要求效率、噪声、线性度等指标的放大器都不会选择CMOS工艺。如果还要追求更大的功率和效率,会选择GaN。综上所述,由于在材料特性上的差距,决定了CMOS工艺暂时做不了高频的PA,未来工艺将如何演进,还需要时刻关注晶圆厂的脚步。


PA产业链

由于存在上述工艺之间的差异,因此PA的制造有着自己专属的产业链条。

 

 

值得注意的是,砷化镓工艺产业链中,代工厂的产能占比远小于 IDM厂商,见下图。

 

 

IDM把控着产能和工艺优势,对下游代理和品牌商均有着不错的控制力,其销售费用占收入之比也普遍小于大部分CMOS工艺的厂商。诚然如Skyworks作为苹果公司的供应商,其销售规模的激增受益于过去十年里iPhone的成功,并且苹果对其收入的贡献度颇高,但由于其显著的产品优势和砷化镓产能的稀缺性,导致苹果对其依赖度反而较高。

 


三、竞争格局

PA设计方面,主要取决于设计团队的技术能力、经验积累和专利支撑,PA作为模拟芯片的特点之一就是更依赖工程师的经验和Know-How。并且由于PA需要满足的性能参数众多,因此不可避免需要研发时间的积累,对于后来入局者具有一定障碍。

PA生产方面,IDM厂商占据着绝对份额优势,不论从设计能力、产品性能还是产能掌控方面均有着巨大优势,这其中的典型代表为Skyworks、Qorvo以及Avago(Broadcom),三家对于砷化镓器件的市场份额占比合计超过60%。在终端PA模组市场销售合计占比更是高达80%以上。

 

 

市场格局方面,在高端LTE手机应用领域,三家IDM厂商处于寡头垄断的地位,尤其以Skyworks和Qorvo雄踞PA制造第一集团。国内PA厂商曾经在2G/3G时代取得过不错的成绩,但在4G时代未能实现技术突破,并且屡屡陷入知识产权的纠纷之中。此外,国内厂商产能方面受制于代工厂,而砷化镓晶圆第一大代工厂稳懋(WIN Semi)虽然在砷化镓代工领域占据了绝对优势,但其产能只占全部市场产能的6%,远不及Skyworks和Qorvo。值得注意的是,Broadcom既是稳懋的大客户同时又是其第三大单一股东,其对于产能的掌控力由此也可见一斑。未来代工行业的份额能否进一步提升,还要看下游对于化合物半导体的需求程度。

 

 

同诸多半导体细分领域一样,射频前端领域的发展同样经历着收购与合并,其中以RFMD和TriQuint在2014年的合并最为重量级,在二者合并之后成立的Qorvo成为了能够与Skyworks技术比肩的行业领军之一。

 

 

高通曾在2016年与TDK成立合资公司RF360。在此之前,高通还曾收购过CMOS PA供应商Black Sand,希望发展其彼时的射频方案RF360TM,采用CMOS工艺进行PA设计,但两年之后宣布放弃,最终转向砷化镓工艺,由此亦可见砷化镓方案短期内还难以取代。

 

 

在国内手机厂商已经成功跻身世界顶级手机制造商身份的情况下,国内PA厂商目前仍然未能在LTE手机上取得重大突破,以“价格屠夫”小米为例,其所使用的PA产品来自Skyworks和Avago。在LTE手机领域,国内使用的PA产品95%依赖进口,而在更高频的WiFi路由领域,国内厂商更是鲜有作为。

 


对于芯片设计公司来说,其制造成本主要来自于物料成本及加工费,也就是代工厂和封测厂的收费,通常至少会吃掉接近一半的收入,销售费用、管理费用和研发投入则是必要的费用开支,因此其产品定价需要确保一定毛利,否则净利无从谈起。但由于在产品性能上同国外厂商相比难以匹敌,国内PA厂商不具备定价权,导致其毛利空间过低,进而影响企业的持续运营。这也是在集成电路领域容易出现强者恒强的格局的重要原因之一。 

本次我们对射频前端中的核心器件PA做了重点介绍。处在一个近十年内才崛起的细分行业里,Skyworks、Qorvo们究竟是如何一步步随着行业的成长逐步成长为年收入超过30亿美元的行业领头羊的呢,我们将在此系列后续文章中进一步探讨。

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