5G終端設備中的射頻元器件的行業發展現狀
基於市場調查公司Navian的預測，移動通信設備射頻前端模塊的總市場規模將從2014年的92億$增長到2019年的170億$，而到今年移動終端射頻器件的市場規模將會增加到188億$以上。
圖1、市場調研公司Navian對終端射頻前端模塊市場的預測（2017）
目前，射頻前端芯片市場主要分為兩類：一類以聲表面波濾波器(SAW)和體聲波(BAW)為代表的基於聲學技術的濾波器，一類是採用半導體技術製造的電路芯片，以功率放大器(PA)和開關電路（射頻開關）為代表。
圖2、典型的手機終端的射頻前端架構
傳統的SAW濾波器市場已經飽和，Murata、TDK和TaiyoYuden佔全球市場的80%以上。 村田製造有限公司(Kabushiki-gaisha Murata Seisakusho)是日本著名的電容和電感等無源電子元件器件製造商，成立於20世紀40年代。 自通信時代開始以來，村田也開始了其射頻方面的業務。 在擴大了濾波器的產品陣容後，村田實現了對Renesas電子（Renesas Electronics）和Peregrine半導體（Peregrine Semiconductor）業務的收購，這導致了其RFFE（射頻前端）產品陣容的整合。 如今，村田無線通信部門的產品系列幾乎涵蓋了所有的RFFE（射頻前端）產品，包括SAW和多層濾波器、RF開關、收發前端模塊、功率放大器和RF連接器等。 TAIYO YUDEN（太陽誘電，通常簡稱太誘）在2010年收購富士通媒體設備有限公司後，除了開發LTCC射頻器件技術外，還增加了SAW和FBAR技術，此舉擴大了其濾波器技術組合， 現在該公司提供各種射頻器件（包括濾波器、雙工器、單工器、低通濾波器等） 用於2G/3G和4G的射頻前端系統中。 雖然該公司從最初階段起就一直在開發用5G的Sub-6GHz頻段的射頻濾波器系列產品，但它也完成了覆蓋到毫米波包括28GHz和39GHz頻率範圍的濾波器產品的初步技術驗證。以滿足毫米波頻段的5G需求，而3GPP工作組在這個時候正在對各種技術進行標準化。 這三種核心濾波器技術，即SAW/FBAR/LTCC 三種RF技術，它們對於即將到來的5G標準演進的實施是不可或缺的，TAIYO YUDEN（太誘）公司將繼續通過整合三種技術來增強這些技術並開發新產品。 目前BAW核心技術主要掌握在Broadcom(Avago)和Qorvo的手中，如圖3所示。 根據市場分析公司HIS的分析數據，Broadcom(Avago)和Qorvo幾乎平分了BAW射頻濾波器器件的市場份額。
圖3、市場調研公司HIS統計的BAW器件市場份額（截至到2014年）
如圖4所示，根據Navian 2017年的統計數據，終端射頻功率放大器市場，形成了Skyworks，Qorvo和Broadcom(Avago)之間的寡頭競爭，這三家公司共同佔據了90%的市場份額。 Skyworks成立於1962年，是一家行業領先的射頻前端半導體解決方案提供商，設計和製造用於手機、蜂窩網絡設備、汽車、能源管理、工業和醫療應用的射頻(RF)，以及完整的半導體系統解決方案，產品包括放大器、濾波器、開關、衰減器、二極管、定向耦合器、前端模塊。 Qorvo是RF Micro Devices和TriQuint半導體兩家公司合併而成的新公司，這兩家是業界領先的射頻解決方案公司。 合併後的Qorvo公司有兩條關鍵產品線：移動器件產品線、基站和軍用器件產品線，這兩條線都適用於不同的市場，同時也是先進技術研發的互補領域。 Avago Technologies收購芯片製造商Broadcom已更名為BroadcomLimited，該公司專注於III-V複合半導體設計和工藝技術，提供廣泛的模擬，混合信號和光電元件產品和系統設計和開發。 目前主要產品線包括無線通信、電纜基礎設施、企業存儲、工業領域應用等。
圖4、Navian統計的終端設備功率放大器市場佔有情況（2017）
5G終端設備中的射頻元器件的國產化分析
以前，射頻器件市場幾乎由國際射頻器件公司所主導， 隨著4G和5G通信網絡的發展，國內射頻設備公司獲得了更多的機會。 Vanchip是一家從事IC設計、測量和銷售業務的公司，擁有大量用於2G/3G通信的產品。 Lansus（飛驤）在2010年開發了國產RFPA和RF開關器件， 它的NZ5081PA已在玉龍Coopad8180 TD-SCDMA中使用，這是國內第一款能在智能手機中使用的PA， Lansus（飛驤）的客戶包括Mi（小米）、Coolpad、中興和MEIZU（魅族）。 漢天下電子(HunterSun)，國內2G/3G/4G射頻前端IC供應商，2015年銷售額6億， 其產品涉及3模-8頻，5模-17頻率，2G CMOS和3G CMOS TxM射頻前端IC。 慧智微(SmarterMicro)是國內4G/5G射頻前端芯片的fablessIC 廠商，開發了世界上第一個可重構射頻前端平臺，名為AgiPAM®； 該平臺利用軟件的靈活性和高性能的硬件進行射頻前端設計，使射頻前端更加智能，具有更高的性能和更低的成本。 該技術非常適合於4G和5G無線系統； 基於該平臺，慧智微(SmarterMicro)開發了一系列器件，搭載其器件的產品已被銷往世界許多國家和地區。 在第25屆 GTI workshop期間，慧智微(SmarterMicro)演示了其首款5G可重構L-PAMIF模組S55255-12，該模組支持N77/79超高頻段，還支持HPUE和5G所有的全SRS跳頻功能。 在2019年12月份，S55255-12模組已經實現了大規模生產。 並於2020年第一季度開始批量發貨。 因此，國內射頻集成電路公司具有較強的產品開發能力。
RFIC代工製造業也正在加速發展，與此同時RFIC設計公司也正在蓬勃發展。 在5G的sub-6GHz波段，海威華芯（HiWafer）開發了2um GaAs HBT工藝。 作為主流技術，該工藝實現了有源和無源器件的整體集成，提供了更好的線性、穩定性和可靠性，該工藝也適用於開發3G/4G手機以及Wifi/WiMAX應用中的功率放大器。 而5G通信接近30GHz，40GHz，70GHz和80GHz的高頻波段，這對於整個行業來說都是一項艱鉅的工作。 在5G的高頻波段，海威華芯（HiWafer）開發了0.15um GaAs pHEMT/ED HEMT工藝。 該工藝將支持20-60GHz頻段，可用於小基站、用戶終端、物聯網的高速數據傳輸。 由於具有高擊穿電壓、高電子飽和速率以及高溝道載流子遷移率、低成本等優點，InP HBT和GaAs mHEMT工藝將受到越來越多的關注。
圖5、三星的galaxy-s20的pcbs佈局
國內代工製造工藝也正在加速發展，以適應5G的發展需求。 在Sub-6GHz頻段，GaAs HBT是主要的工藝技術。 在毫米波頻段中，pHEMT、CMOS或者其它工藝之間還沒有達成哪種工藝更合適的共識。 海威華芯（HiWafer）的HBT工藝技術面向sub-6GHz頻段的市場需求，而其pHEMT工藝面向5G高頻頻段即毫米波頻段的市場。
消費者通常更喜歡價格低、效率高、性能好、功耗低等優點。 SOI工藝技術為終端設備實現這些特性提供了可能性。 此外，SOI技術還可以縮短產品上市時間，要求設計修改小，成本低。 利用上述優勢，SOI技術在半導體工業中正在受到越來越多的關注。
作為一家半導體材料供應商，Soitec（Soitec是法國的一家半導體公司，上海硅產業投資公司擬購法國Soitec 14.5%股份）設計和製造工程半導體襯底基板，然後將其圖案化並切割成芯片，以為電子元件製造電路。 在應對主流電子產品的技術和經濟挑戰時，SOI工藝技術正在幫助加快移動和數字革命，基於SOI工藝的主流技術如下所示：
- FD-SOI和PD-SOI：用於處理器和連接SoCs，應用頻率範圍達到了毫米波頻段；
- RF-SOI和POI：用於RF前端模組；
- 光子-SOI：用於光收發器；
- 電源SOI：用於智能電源IC；
- 成像儀-SOI：用於成像儀
在前端模組中，襯底基板是每個關鍵器件的基礎。 在後面的技術分析報告中，我們將會為讀者介紹硅(RF-SOI，PD-SOI，FD-SOI)和非硅(POI，在POGaAs等...)工程襯底技術是如何幫助解決5G面臨的挑戰的，敬請期待。
