5G 給射頻前端芯片帶來的新變革

2017-04-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

半導體行業(yè)最具吸引力領域遇上5G風口,將產(chǎn)生劇烈化學反應。本報告深入剖析了5G大發(fā)展給射頻前端芯片領域帶來的技術革新和市場機遇,詳細梳理了射頻前端芯片各細分領域中國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈相關企業(yè)。我們認為:5G作為未來幾年最具確定性的市場機會,將推動通信、電子等多個行業(yè)完成產(chǎn)業(yè)升級,對全球經(jīng)濟產(chǎn)生深遠影響。射頻前端芯片市場作為半導體行業(yè)最具吸引力的領域之一,將從此次產(chǎn)業(yè)升級中受益最大,未來在現(xiàn)有產(chǎn)品線市場高速增長的同時,在BAW濾波器、GaN PA和毫米波PA等領域?qū)a(chǎn)生全新發(fā)展機遇,形成全產(chǎn)業(yè)鏈的整體性投資機會。而對于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈相關企業(yè)來說,5G的到來也是打破現(xiàn)有市場格局,推動全球產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)彎道超車的難得機遇。

Pre-5G先行,5G標準化有序推進。5G的發(fā)展是一個平緩的產(chǎn)業(yè)升級過程,目前工業(yè)界已經(jīng)形成了比較明確的Pre-5G概念,即“基于標準4G網(wǎng)絡實現(xiàn)明顯超出LTE-Advanced Pro的性能”,全球主要通信設備商、終端廠商、芯片廠商面向Pre-5G概念的產(chǎn)品研發(fā)進行的如火如荼。同時,5G標準正按照原定時間表有序推進,第一版正式技術標準預計將于2018年9月正式發(fā)布。

5G多項關鍵技術直接推動射頻前端芯片市場成長。5G時代會有更多的頻段資源被投入使用,多模多頻使射頻前端芯片需求增加,同時Massive MIMO和波束成形、載波聚合、毫米波等關鍵技術將助長這一趨勢。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將借助5G通信網(wǎng)絡真正實現(xiàn)落地,成為驅(qū)動射頻前端芯片市場發(fā)展的新引擎。根據(jù)市場調(diào)查機構(gòu)Navian的預測,僅移動終端中射頻前端芯片的市場規(guī)模將會從2015年的119.4億美元增長至2020年的212億美元,年復合增長率達到15.4%

關注全球射頻前端芯片產(chǎn)業(yè)鏈的整體性投資機會。目前全球射頻前端芯片產(chǎn)業(yè)擁有較為成熟的產(chǎn)業(yè)鏈,歐美IDM大廠技術領先,規(guī)模優(yōu)勢明顯,臺灣企業(yè)則在晶圓制造、封裝測試等產(chǎn)業(yè)鏈中下游占據(jù)重要地位。5G對射頻前端芯片的更高要求催生出BAW濾波器、毫米波PA、GaN工藝PA 等新的技術熱點,形成新的產(chǎn)業(yè)驅(qū)動力。隨著現(xiàn)有產(chǎn)品線市場需求增加,新產(chǎn)品實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用,預計未來兩年內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈相關企業(yè)將迎來一輪整體性的業(yè)績增長。

關注射頻前端芯片的國產(chǎn)替代化機會。國內(nèi)企業(yè)在半導體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的大趨勢下,在射頻前端的各環(huán)節(jié)均取得突破:設計方面,唯捷創(chuàng)芯(Vanchip)的3G/4G射頻前端方案已實現(xiàn)穩(wěn)定出貨,營收逐年增長,銳迪科在與展訊合并為紫光展銳后,對PA事業(yè)部投入巨大,迅速在多條產(chǎn)品線推出新產(chǎn)品;代工方面,三安光電與老牌砷化鎵、氮化鎵化合物半導體晶圓制造代工廠商GCS成立合資公司,GaAs產(chǎn)線實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn),GaN產(chǎn)線試產(chǎn)中;封測方面,長電科技擁有的SiP和Flip-chip封裝工藝是提高射頻前端芯片集成度的核心技術。

投資建議:行業(yè)“增持”評級,關注國內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)。在國家產(chǎn)業(yè)政策推動全球半導體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的大趨勢下,射頻前端芯片領域的技術革新為國內(nèi)企業(yè)創(chuàng)造了彎道超車的有利條件。我們重點關注國內(nèi)化合物半導體代工龍頭三安光電(600703)、海特高新(002023)等,重金投入SAW濾波器研發(fā)的被動電子元器件龍頭麥捷科技(300319)等,5G基站通信用PCB生產(chǎn)企業(yè)滬電股份(002463)等,非上市公司重點推薦射頻芯片設計領域產(chǎn)品線豐富、市場表現(xiàn)優(yōu)異的唯捷創(chuàng)芯和紫光展銳等。

風險提示:5G商業(yè)化進展不及預期。

射頻前端芯片是移動通信發(fā)展過程中最受益領域

手機射頻前端模塊簡介

射頻前端模塊(RFFEM:Radio Frequency Front End Module)是手機通信系統(tǒng)的核心組件,對它的理解要從兩方面考慮:一是必要性,是連接通信收發(fā)芯片(transceiver)和天線的必經(jīng)通路;二是重要性,它的性能直接決定了移動終端可以支持的通信模式,以及接收信號強度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標,直接影響終端用戶體驗。

如圖1所示,射頻前端芯片包括功率放大器(PA:Power Amplifier),天線開關(Switch)、濾波器(Filter)、雙工器(Duplexer和Diplexer)和低噪聲放大器(LNA:Low Noise Amplifier)等。

除通信系統(tǒng)以外,手持設備中的無線連接系統(tǒng)(Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等)對射頻前端芯片也有較強的需求,如圖2所示。

從“五模十七頻”說起,回溯2G到4G手機頻段發(fā)展

在4G普及的過程中,“五模十三頻”、“五模十七頻”等概念成為高端手機芯片的重要標志,也成為手機廠商重要的宣傳熱點。這并非是簡單的營銷噱頭,而體現(xiàn)了智能手機兼容不同通信制式的能力,是手機通信性能的核心競爭力指標。

在過去的十年間,手機通信行業(yè)經(jīng)歷了從2G(GSM/CDMA)、2.5G(Edge)到3G(WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA),再到4G(FDD-LTE/TD-LTE)兩次重大產(chǎn)業(yè)升級。伴隨4G時代而來的是手機使用頻段的指數(shù)級增長,圖3給出了到目前為止3GPP公布的E-UTRA(Evolved Universal Terrestrial Radio Access,演進的陸地無線接口)全部的頻段分布:

其中,GSM使用的頻段為Band 2/3/5/8,W-CDMA使用的頻段為Band 1/2/5,TD-SCDMA使用的頻段為Band 34/38,TD-LTE使用的頻段為Band 34/38/39/40/41,FDD-LTE使用的頻段為Band 1/3/4/7/17/20。

通常來說,4G手機必須兼容2G和3G,同時,由于全球分配的LTE頻譜眾多而且離散,為滿足國際漫游的需求,手機終端需要支持更多的頻段,從而催生了“五模十三頻”、“五模十七頻”等概念,具備這種功能的手機真正可以實現(xiàn)“一機在手,走遍全球”。

2G到4G,射頻前端芯片數(shù)量和價值均明顯增長

手機芯片向多模方向發(fā)展以及支持頻段數(shù)量指數(shù)性增加是手機射頻前端模塊數(shù)量快速增長的主要驅(qū)動因素。觀察2G到4G射頻前端解決方案的三幅示意圖,可以形成兩點直觀感受:1,射頻前端芯片數(shù)量不斷增長;2,射頻前端系統(tǒng)復雜度不斷提高。

圖4是2G功能手機(Feature Phone)的典型射頻前端解決方案,主要的射頻前端芯片有:1個功率放大器模塊(PA),2個發(fā)射低通濾波器(LPF),2個接收濾波器(Saw Filter),1個SP6T開關。其中,功率放大器、LPF Filter和SP6T Switch被集成到一顆PA Module里。

圖5是3G手機(WCDMA)的典型射頻前端解決方案,主要的射頻前端芯片在2G方案的基礎上,增加了2組PA Module和4組雙工器(Duplexer)。

圖6是4G LTE手機典型射頻前端解決方案,支持“五模十二頻”,可以看到,在4G時代,射頻前端芯片不僅在數(shù)量上產(chǎn)生指數(shù)級增長,在設計復雜度上更是大大提高。主要的射頻前端芯片有:1個集成頻段選擇開關的多模功率放大器(MMPA),4個PA Module,3個Duplexer/Multiplexer,6個接收/發(fā)射Filter,1個用于TD-LTE模式的S1P2開關,分別用于高頻、低頻和分集電路的3個天線開關模塊,1個接收分集濾波器。

表1整理了2G至4G射頻前端解決方案中器件的數(shù)量,可以看到,4G方案的射頻前端芯片數(shù)量相比2G方案和3G方案有了明顯的增長。印證了我們對手機射頻前端芯片的數(shù)量隨著支持頻段數(shù)量的增加而指數(shù)級遞增的推論。

從更為直觀的角度觀察,圖7給出了手機射頻前端模塊從2G到4G演進過程中價格和出貨量的變化數(shù)據(jù)。目前,高端4G智能手機中射頻前端模塊的價格合計已經(jīng)達到16.25美元,中高端4G產(chǎn)品也有7.25美元。相比2G手機的0.80美元和3G手機的3.25美元,射頻前端模塊的單位產(chǎn)值有了幾倍、幾十倍的提高,并且,隨著4G通信網(wǎng)絡滲透率的不斷提高,高端4G手機的出貨量依然在不斷攀升中。

射頻前端模塊市場分析:3年內(nèi)突破200億美元規(guī)模

市場整體規(guī)模和變化趨勢

如圖8所示,根據(jù)市場調(diào)查機構(gòu)Navian的數(shù)據(jù),全球移動通信終端的出貨數(shù)量在不斷上漲,到2017年,已經(jīng)基本完成從功能手機到智能手機的產(chǎn)業(yè)升級,在經(jīng)過2011至2015年的飛速發(fā)展期之后,智能手機的增長速度趨于放緩,但隨之而來的換機需求使高端智能手機滲透率持續(xù)攀升,同時,帶有移動通信功能的電子書閱讀器和平板電腦等應用成為新的增長點,預計到2019年,全球移動通信終端的總出貨數(shù)量可達28億臺。

無論是移動通信終端產(chǎn)品數(shù)量的增加,還是低端產(chǎn)品向高端演進帶來的質(zhì)量提高,均成為射頻前端模塊市場的重要驅(qū)動因素。根據(jù)Navian的預測,2015年至2019年,用于移動通信終端的射頻前端模塊總市場規(guī)模將會從119.4億美元增長至212.1億美元,復合年增長率達到15.4%,如圖9所示。

市場占有率分析,巨頭企業(yè)優(yōu)勢難以撼動

射頻前端芯片市場主要分為兩大類,一類是使用MEMS工藝制造的濾波器,以聲表面波濾波器(SAW)和體聲波濾波器(BAW)為代表,一類是使用半導體工藝制造的電路芯片,以功率放大器(PA)和開關電路(Switch)為代表。

傳統(tǒng)的SAW濾波器領域市場已趨向飽和,Muruta、TDK和Taiyo Yuden占據(jù)了全球市場份額的80%以上,升級替代產(chǎn)品BAW濾波器近來成為市場焦點,成為MEMS市場的中增長最快的細分產(chǎn)品,根據(jù)市場分析機構(gòu)IHS Supply的調(diào)研結(jié)果,當前BAW的核心技術主要掌握在Avago(Broadcom)和Qorvo手中,兩家公司幾乎瓜分了全部市場份額,如圖10所示。

功率放大器市場主要分為終端市場和以基站為代表的通信基礎設施市場,相比目前終端市場約130億美元的總?cè)萘?基站功率放大器市場規(guī)模相對較小,在6億美元至7億美元左右。“得終端者得天下”的局面短期內(nèi)不會發(fā)生改變。

我們根據(jù)全球主要功率放大器供應商的營業(yè)收入規(guī)模分別整理出了市場占有率示意圖,如圖11和圖12所示。在終端功率放大器市場,形成了Skyworks、Qorvo和Broadcom(Avago)三家企業(yè)寡頭競爭的局面,三家企業(yè)合計占據(jù)了90%以上的市場份額,而在基站功率放大器市場,NXP和Freescale在合并前總共占據(jù)了51.1%的市場份額,在反壟斷法的限制下,NXP將原有的RF Power部門出售給了北京建廣資產(chǎn)管理公司,目前NXP和Infineon在這一領域的市場占有率方面優(yōu)勢明顯。

深入財務數(shù)據(jù)分析,揭秘寡頭企業(yè)核心競爭力

2.3.1 Qorvo主要財務數(shù)據(jù)分析

Qorvo(Nasdaq:QRVO)是業(yè)界兩家領先射頻解決方案公司RF Micro Devices和TriQuint Semiconductor合并后的新公司,此項合并在2015年8月份正式完成,因此合并財務報表中的2015年度數(shù)據(jù)僅包含TriQuint三個月的財務數(shù)據(jù)。Qorvo的主要財務數(shù)據(jù)如表2所示。

合并后的Qorvo有兩個重要的產(chǎn)品線:移動設備產(chǎn)品線、基站和軍工設備產(chǎn)品線,這兩個產(chǎn)品線分別針對不同的市場,而且在先進技術研發(fā)方面存在互補關系,創(chuàng)新性的技術通常會首先應用在軍工產(chǎn)品方面,然后擴展到基站設備,最后應用到移動終端設備,而移動終端設備的大規(guī)模的量產(chǎn)又會降低新工藝的成本,并且貢獻較大的營業(yè)收入和營業(yè)利潤,形成良性循環(huán)。

2.3.2 Skyworks主要財務數(shù)據(jù)分析

Skyworks Solutions(Nasdaq:SWKS)是一家無線半導體公司,設計并生產(chǎn)應用于移動通信領域的射頻及完整半導體系統(tǒng)解決方案。該公司向全球范圍內(nèi)的無線手持設備和基礎設施客戶供應前端模塊、射頻子系統(tǒng)及系統(tǒng)解決方案。

2.3.3 Broadcom主要財務數(shù)據(jù)分析

2015年5月,新加坡半導體制造商Avago科技公司宣布同芯片制造商Broadcom公司達成一份協(xié)議,Avago將支付170億美元現(xiàn)金以及價值200億美元的Avago普通股股份,以370億美元的價格收購Broadcom。

新公司的名稱為Broadcom Limited(Nasdaq:AVGO),主要聚焦III-V族復合半導體設計和工藝技術,提供廣泛的模擬、混合信號以及光電零組件產(chǎn)品和系統(tǒng)設計、開發(fā),目前主要的產(chǎn)品線有無線通信、有線基礎設施、企業(yè)存儲、工業(yè)及其他等。Broadcom的主要財務數(shù)據(jù)如表4所示。

2.3.4 三大寡頭企業(yè)財務數(shù)據(jù)點評

根據(jù)三大IDM寡頭公司的年報,移動通信產(chǎn)品線營業(yè)收入合計約91億美元,占據(jù)了全球PA市場的幾乎全部份額,短期內(nèi)三大寡頭公司的優(yōu)勢地位難以撼動。

經(jīng)過對寡頭公司財務數(shù)據(jù)的分析可以看到他們?nèi)绾涡纬勺约旱暮诵母偁幜?首先,三大公司在移動通信射頻前端市場的毛利率均高于40%,最高可以達到50%,凈利率約30%,說明寡頭公司利用技術優(yōu)勢和規(guī)模效應,形成了較深的護城河,具有極強的盈利能力。其次,三大IDM寡頭公司不約而同的將營業(yè)收入的10%到20%投入到研發(fā)中,積極開發(fā)面向未來的先進工藝技術,以繼續(xù)保持自己的競爭力優(yōu)勢。

只待捅破窗戶紙,國內(nèi)射頻前端企業(yè)競爭力分析

伴隨著移動通信的跨越式發(fā)展,中國已經(jīng)形成了全球規(guī)模最大、最有活力的消費電子市場,在這片沃土不僅孕育出了華為海思、紫光展銳等優(yōu)秀的手機處理器平臺方案廠商,也涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的射頻前端芯片企業(yè),他們在“依靠成本優(yōu)勢從低端產(chǎn)品切入,迅速拓展高端產(chǎn)品線”的策略下不斷發(fā)展壯大,在殘酷的市場尋找自己的競爭優(yōu)勢。銳迪科(RDA)的GaAs功能機PA,漢天下的CMOS功能機PA,Vanchip的GaAs 3G/4G智能機PA,都是有著良好市場表現(xiàn)的明星產(chǎn)品。面對寡頭企業(yè)的壟斷局面,他們不僅成功的存活下來,而且依靠強大的成本控制能力將世界巨頭們趕出了某些細分領域,比如,銳迪科和漢天下的2G PA產(chǎn)品在毛利率降至35%時依然可以保證約10%的凈利潤,迫使Skyworks逐步退出2G PA市場,唯捷創(chuàng)芯的3G/4G PA在中低端智能機領域同樣有類似表現(xiàn),可見,競爭策略前半句“依靠成本優(yōu)勢從低端產(chǎn)品切入”的小目標已基本實現(xiàn)。

射頻前端芯片企業(yè)競爭新趨勢

2.5.1 全產(chǎn)品線成為一線大廠必備

如前所述,在移動通信從2G到4G發(fā)展的過程中,射頻前端芯片數(shù)量飛速增長,結(jié)構(gòu)復雜度指數(shù)級增加,傳統(tǒng)的分立器件在PCB板上集成的方式已無法滿足系統(tǒng)需求,將多個射頻前端芯片在單顆芯片內(nèi)部集成的方法已經(jīng)成為中高端市場的主流,高集成度方案有以下幾大優(yōu)勢:1)簡化設計;2)使射頻前端產(chǎn)品小型化;3)降低能量損耗;4)提高系統(tǒng)性能;5)降低射頻解決方案成本,并有利于客戶快速推出新產(chǎn)品。

高集成度方案要求射頻前端芯片廠商擁有PA、Switch、Duplexer、Filter全產(chǎn)品線,同時,擁有獨立的封裝廠和制造廠也有利于加快高集成度產(chǎn)品的研發(fā)進度,觀察幾家射頻前端芯片寡頭公司Skyworks、Broadcom、Qorvo和Muruta,近幾年均通過內(nèi)部研發(fā)或外部并購完成了全產(chǎn)品線布局,并且推出了高集成度產(chǎn)品的獨立品牌,如Qorvo的RF Fusion、RF Flex,Skyworks的SkyOne等。

2.5.2 手機處理器主芯片廠商切入PA業(yè)務

隨著智能手機滲透率逐漸飽和,手機處理器芯片廠商的增長速度開始放緩,加之越來越多的智能手機廠商加強對自有處理器芯片的研發(fā),并應用至自家的旗艦產(chǎn)品中,如蘋果的A系列、三星的Exynos、華為的麒麟、小米的松果等,傳統(tǒng)的手機處理器芯片廠商在次旗艦、中低端市場的爭奪更加激烈,接近飽和的市場難以容納高通、MediaTek、展訊三家平臺型方案公司,價格戰(zhàn)不可避免,處理器主芯片的毛利持續(xù)下降,出于提高平臺方案產(chǎn)品毛利、加快平臺方案研發(fā)速度、豐富產(chǎn)品線種類等方面考慮,手機平臺方案公司均在大力發(fā)展自有PA產(chǎn)品線。

我們認為,手機處理器主芯片廠商切入射頻PA領域,是其在主營業(yè)務競爭激烈,毛利率出現(xiàn)下滑局面下的橫向擴張,主要看中射頻前端芯片較強的盈利能力,在擁有自家的“嫡系部隊”之后,勢必鼓勵平臺方案客戶使用自家PA產(chǎn)品,長期來看,這一趨勢會對Qorvo、Avago、Skyworks、Vanchip等獨立PA供應商產(chǎn)生較為不利的影響。但是同時也要看到,射頻PA整體的市場仍處于強勁增長中,蛋糕足夠大,而且手機終端廠商為增加談判籌碼,經(jīng)常選用多家射頻PA供應商,因此獨立PA供應商對市場大可不必產(chǎn)生悲觀情緒。

商用倒計時—5G的腳步聲近了

性能全面提升,5G通信網(wǎng)絡概述

總結(jié)來說,5G通信網(wǎng)絡的技術特點為:更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的數(shù)據(jù)傳輸延時、更高的數(shù)據(jù)傳輸密度和更好的高速通信能力。

出于上述技術特點,5G通信網(wǎng)絡在增強型移動寬帶、大規(guī)模機器通信和高可靠低時延通信等方面的應用場景將迎來爆發(fā),比較有代表性的有:智慧城市、智能家居、3D視頻和超高清顯示、云端辦公和娛樂、增強現(xiàn)實、工業(yè)自動化和自動駕駛等。提出接近十年的物聯(lián)網(wǎng)概念將依托5G移動網(wǎng)絡實現(xiàn)落地,萬物互聯(lián)的時代即將到來。

5G標準演進路線圖

3.2.1 5G標準制定情況

目前來說,推動5G演進的國際標準化組織主要是ITU(國際電信聯(lián)盟)和3GPP(3rd Generation Partner Project)。圖16給出了ITU和3GPP的5G系統(tǒng)推進時間表,5G系統(tǒng)的推進按照研究、標準化和產(chǎn)品化可以分為四個主要階段:

第一階段:2016年之前,ITU主要進行針對愿景、趨勢和頻譜的前期研究工作,而3GPP 將會開展針對過渡性技術方案的研究和標準化工作。第二階段:2016至2017年,ITU將會定義5G的技術需求和評估方法,而3GPP自Release-14正式開始5G技術的研究工作,這部分工作主要集中在SI(Study Item)階段。第三階段:2018年,ITU開始征集5G候選方案,3GPP的工作則會從SI向WI(Work Item)進行轉(zhuǎn)換。在3GPP將于2018年9月發(fā)布的Release-15中,將會給出第一版5G技術標準,企業(yè)會以此標準為基礎進入產(chǎn)品化階段,5G商用將正式拉開序幕。第四階段:2019年到2020年,ITU將正式開始5G標準化工作,3GPP將于2019年12月發(fā)布Release-16,公布增強版5G標準,主要針對毫米波頻段。2020年將進入正式商用階段。

3.2.2 國內(nèi)運營商5G商用時間表

3.2.3 2016年全球5G大事記

5G射頻空口關鍵技術分析

3.3.1 載波聚合,有效利用碎片化頻段

載波聚合技術(Carrier Aggregation,CA)并非是未來的新科技,事實上,它已經(jīng)在4G通信網(wǎng)絡得到了廣泛應用。載波聚合可以將多個LTE載波信號合成在一起,從而擴展通信帶寬,提高上下行數(shù)據(jù)傳輸速率,如圖17所示。

如前所述,5G時代最高峰值數(shù)據(jù)傳輸速率將達到20Gbps,載波聚合必定成為實現(xiàn)這個目標的核心技術,而5G增加的多個頻段又可以提供更多載波資源,使更多載波的聚合具備了基礎。另一方面,進入5G時代后,6GHz以下的頻譜資源變的更加擁擠和碎片化,載波聚合技術可以將多個分散頻率合成在一起,提高通信帶寬的特性將大有用武之地。

3.3.2 毫米波,高帶寬帶來高數(shù)據(jù)傳輸速率

毫米波是指波長在毫米數(shù)量級的電磁波,其頻率大約在30GHz~300GHz之間。根據(jù)通信原理,無線通信的最大信道帶寬大約是載波頻率的5%左右,因此載波頻率越高,可實現(xiàn)的信號帶寬也越大,而帶寬則進一步直接決定了數(shù)據(jù)的最高傳輸速率。

在毫米波頻段中,28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達1GHz,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2.16GHz(整個9GHz的可用頻譜分成了四個信道)。相比而言,4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下,而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此,如果使用毫米波頻段,頻譜帶寬會有10倍至20倍的提升,最高數(shù)據(jù)傳輸速率相比4G提高20倍將成為現(xiàn)實。

3.3.3 Massive MIMO和波束成形,實現(xiàn)空分多址

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線,使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收,從而改善通信質(zhì)量的技術。

Massive MIMO的核心技術優(yōu)勢在于通過調(diào)整大規(guī)模天線陣列中每個陣元的加權系數(shù)產(chǎn)生具有指向性的波束(波束成形),從而帶來明顯的信號方向性增益,即便不同的用戶之間使用相同的載波頻率,也可以消除相互干擾,從而實現(xiàn)空分多址(SDMA,Space Division Multi Access),提高頻率效率。

3.3.4 微基站,靈活部署實現(xiàn)深度覆蓋

毫米波的應用使基站天線尺寸降低至毫米量級,使得傳統(tǒng)基站有了小型化的可能,同時,其在空氣中傳輸時的衰減特性也對室內(nèi)基站密度提出了更高的要求,進入5G通信時代,在室內(nèi)空間大規(guī)模建設微型基站成為重要的發(fā)展趨勢。微基站具有體積小巧、靈活部署的特點,可以很好的解決局部熱點對信號和容量的需求,實現(xiàn)深度覆蓋,增加網(wǎng)絡容量,提升用戶感知。

5G技術推動射頻前端芯片的發(fā)展

Sub-6GHz先行,更多頻譜資源將投入使用

5G標準目前在緊鑼密鼓的制定中,按照我們在3.3.1小節(jié)中整理的演進路線圖,第一版標準將成形于2018年9月3GPP發(fā)布的Release-15。雖然5G的頻譜資源劃分尚未標準化,但從近期各大通信運營商、設備商的研究工作來看,國際通信巨頭之間在發(fā)展路線上的分歧已經(jīng)得到彌合,形成了較為清晰的研究方向。

中國無線電管理局已于2016年1月批準在3.4-3.6GHz頻段進行5G試驗,并且正在努力爭取將3.3-3.4GHz、4.4-4.5GHz和4.8-4.99GHz幾組頻段劃分至公眾移動通信進行應用。

2016年11月,歐盟委員會無線頻譜政策組正式發(fā)布了歐洲5G頻率戰(zhàn)略,將3.4-3.8GHz頻段劃分為2020年前進行5G網(wǎng)絡部署的主要頻段,并確定將700MHz頻段用于5G廣覆蓋。

回顧1.2小節(jié)中整理的E-UTRA頻段規(guī)劃,無論是700MHz頻段還是3.4-3.8GHz頻段,均為3GPP在長期演進計劃(LTE)標準中已確定的頻譜資源,這意味著在世界主要國家已基本達成共識,在5G發(fā)展初期,將Sub-6GHz的頻譜資源作為研究的前沿陣地,在現(xiàn)有4G空口的基礎上進行技術創(chuàng)新,滿足5G應用場景的需求。

對于移動通信終端設備中的射頻前端芯片,Sub-6GHz頻譜資源的進一步開放意味著需要支持頻段的進一步擴展,PA、Filter、Duplexer/Diplexer和Switch的數(shù)量相比4G均會進一步增加,在1.3小節(jié)中我們提到4G旗艦手機全部射頻前端芯片的價格約是3G手機的5倍,這一數(shù)字在5G時代將會進一步增加。

載波聚合數(shù)量成倍增長給射頻前端芯片設計帶來了新的挑戰(zhàn)

如3.3.1小節(jié)所述,載波聚合(Carrier Aggregation, CA)技術是提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要途徑,為達到ITU為5G標準設定的最高20Gbps下行速率標準,載波聚合數(shù)量在5G標準中必將成倍增長。在當前的4G(LTE-A)標準中,最高支持5個20MHz載波聚合,實現(xiàn)100MHz帶寬,而進入5G時代后,載波聚合數(shù)量可能會達到32甚至64。

載波聚合數(shù)量的成倍增長為射頻前端芯片的設計帶來了新的挑戰(zhàn),其中最大的挑戰(zhàn)是串擾問題。以中國境內(nèi)FDD-LTE系統(tǒng)廣泛應用的Band 1和Band 3雙載波聚合方案為例,如圖24所示,當使用載波聚合方案時,Band 1 Tx/Rx和Band 1 Tx/Rx同時工作,由于Band 1和Band 3頻率接近,因此除了需要防止同一頻段內(nèi)部發(fā)射和接收通路之間的相互干擾之外,還需要防止不同頻段之間信號的互相干擾,為了解決這個問題,需要將傳統(tǒng)的Filter和Duplexer技術升級為Multiplexer(多工器)技術,將全部載波聚合頻率的發(fā)射和接收濾波器集成到同一器件中,以便進行協(xié)同設計和匹配,以滿足性能要求。

隨著載波聚合數(shù)量的增加,Multiplexer的復雜度會急劇上升,如圖25所示,當使用三載波聚合時,已經(jīng)需要將6個濾波器集成到一個Multiplexer內(nèi)部,無論是從集成角度還是從性能優(yōu)化角度,對供應商的技術能力都是極大的考驗。

推動高頻濾波器向BAW方向技術升級

聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)濾波器是目前在移動通信系統(tǒng)中最廣泛使用的射頻器件,其基本結(jié)構(gòu)如圖26所示,通過壓電材料上制作的兩個叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT),完成電信號-聲波-電信號的轉(zhuǎn)換,并實現(xiàn)選頻功能,聲波信號沿襯底水平方向進行傳播。

限制SAW濾波器發(fā)展的瓶頸主要有兩個:一是在高頻應用時性能明顯下降,當頻率高于1GHz時,濾波器的質(zhì)量因子(Q值)降低,使插入損耗增加,頻率選擇性變差,當頻率高于2.5GHz時,已無法用于對性能要求較高的通信系統(tǒng);二是頻率隨溫度變化較大,通常高達-45ppm/℃。為解決這一問題,可以選擇通過在IDT器件表面增加溫度特性更加穩(wěn)定的圖層進行補償(Temperature Compensation,TC),TC-SAW濾波器的溫度系數(shù)可以達到-15至-25 ppm/℃,但由于光罩層數(shù)的增加,成本也要相應提高。

工業(yè)界普遍認為,在低于1.5GHz的應用場景中,SAW濾波器的性能通?？梢詽M足系統(tǒng)要求,同時由于成本更加低廉,依然會得到廣泛應用。而在高于1.5GHz的應用場景中,BAW濾波器的優(yōu)勢將會十分明顯。圖27給出了BAW濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖,和SAW濾波器不同的是,在BAW濾波器中,聲波是沿垂直于襯底方向傳播的,金屬極板分別被放置在壓電材料的上下兩側(cè),諧振頻率主要由壓電材料的厚度決定,這種結(jié)構(gòu)使BAW濾波器在高頻應用時仍擁有較高的Q值,最高工作頻率可以達到6GHz。

基站射頻前端芯片市場,三大技術營造氮化鎵PA風口

明日之星GaN是典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體工藝,以在國防領域得到了廣泛的應用,如軍用雷達等,它具有以下得天獨厚的優(yōu)勢:首先,相比硅基工藝1.1eV的禁帶范圍,GaN則達到了3.4eV,因此具有更強的耐壓能力;其次,GaN具有更高的電子飽和速度,這意味著可以達到更高的能量密度;第三,GaN可以工作在更高的頻率下;最后,GaN具有良好的散熱能力。表9總結(jié)了兩種工藝在主要性能指標上的對比。

在第三章中我們重點分析了5G的關鍵技術,這些技術的影響力在移動通信基站市場體現(xiàn)的淋漓盡致,毫米波、Massive MIMO和波束成形、微基站(Small Cell)這三大技術將形成合力,共同營造一個巨大的風口,而GaN技術則正是這個風口上的“豬”。

總結(jié)來看,5G時代的三大核心技術對基站射頻功率器件提出的要求有:高頻率、高效率、高帶寬、高線性度、小尺寸、良好的散熱能力、可在多種電壓域下進行工作,這與GaN工藝的特點完美契合。圖31給出了5G移動通信基站的技術演進路線圖,可以看到,微基站、分布式天線系統(tǒng)(Distributed Antenna System,DAS)、Massive MIMO和波束成形將最早落地,預計對射頻前端市場的影響在2018年就會有明顯體現(xiàn),而毫米波從研發(fā)到應用具有更長的時間周期,屬于長期利好。

射頻前端芯片產(chǎn)業(yè)鏈分析

全球終端功率放大器產(chǎn)業(yè)鏈概貌

如前所述,射頻前端芯片市場主要分為兩大類:一類是使用半導體工藝(GaAs、GaN、CMOS等)制造的電路芯片,以功率放大器(PA)和開關電路(Switch)為代表;一類是使用MEMS工藝制造的濾波器,以聲表面波濾波器(SAW)和體聲波濾波器(BAW)為代表。

長期以來,終端功率放大器市場一直占據(jù)著整個射頻前端芯片市場最大的市場份額,也是最重要的增長驅(qū)動力量,而GaAs工藝憑借其在工作頻率、效率、線性度等方面的優(yōu)勢,成為終端功率放大器領域的主流工藝,在全球范圍內(nèi)建立起了完整成熟的產(chǎn)業(yè)鏈,如圖34所示。

在很長一段時間內(nèi),參與移動終端功率放大器芯片產(chǎn)業(yè)鏈的大陸本土企業(yè)僅有芯片設計公司,產(chǎn)業(yè)鏈的中下游被歐美、臺灣公司所把控,隨著國家集成電路大基金的設立,推動半導體產(chǎn)業(yè)第三次轉(zhuǎn)移,大陸企業(yè)通過新設公司、并購、設立合資公司等多種手段逐漸參與、融入到全球產(chǎn)業(yè)鏈中,相信在不遠的將來大陸公司將成為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一股重要力量。

全球終端功率放大器產(chǎn)業(yè)鏈分析——晶圓制造企業(yè)

長期以來,用于終端的功率放大器芯片以GaAs工藝為主,十年前,主要的GaAs晶圓制造廠集中在美國,如Skyworks等,而隨著半導體制造業(yè)向亞洲轉(zhuǎn)移,臺灣成為最大的收益者。

根據(jù)市場調(diào)查公司Strategy Analysis的數(shù)據(jù),2015年初時全球最大的GaAs晶圓制造廠為臺灣穩(wěn)懋(Win semiconductors),市占率高達58.7%,當時尚未同RFMD合并的TriQuint排名第二,接下來依次是臺灣宏捷科(AWSC)和臺灣上市公司GCS(環(huán)宇),如圖36所示。

國內(nèi)方面,三安光電以外延式增長的方式切入GaAs、GaN晶圓制造市場,并得到了國家集成電路大基金和地方基金的支持。雖然收購臺灣上市公司GCS(環(huán)宇)的交易沒有取得成功,但雙方已于2016年11月宣布成立合資公司,深度合作仍然可以展開。三安光電的目標是建設30萬片/年6寸的GaAs產(chǎn)線和6萬片/年6寸的GaN產(chǎn)線。目前公司化合物半導體業(yè)務參與的客戶設計案263個,有19個芯片通過性能驗證,部分客戶開始出貨。

全球終端功率放大器產(chǎn)業(yè)鏈分析——芯片封裝企業(yè)

隨著射頻前端解決方案的復雜度越來越高,封裝技術的重要性越發(fā)被工業(yè)界認可。以手機射頻前端為例,隨著整體架構(gòu)復雜度不斷上升,為滿足小型化的要求,需要將功率放大器、濾波器和Switch開關電路集成為一顆芯片,然而,功率放大器通常使用GaAs HBT工藝制造,濾波器使用RF MEMS工藝,Switch使用GaAs pHEMT或SOI工藝,多種工藝技術的應用使得他們的集成嚴重依賴先進封裝技術,這也是IDM廠商在建設自有封裝廠上持續(xù)投入的主要原因。

圖38和39給出了目前被工業(yè)界廣泛應用的兩種先進封裝技術:SiP和Flip-chip。相比需要焊線連接的SiP技術,倒裝Flip-chip在縮減封裝尺寸上更有優(yōu)勢,并且可以和晶圓級封裝技術相結(jié)合,提供具有更強競爭力的產(chǎn)品,如圖40所示。

除IDM廠商之外,目前全球主要射頻前端芯片封裝廠商主要集中在臺灣和中國大陸,臺灣主要是菱生精密工業(yè)股份有限公司(2015年度營業(yè)收入約55.1億新臺幣)和同欣電子工業(yè)股份有限公司(2015年度營業(yè)收入約77.7億新臺幣),中國大陸則主要是長電科技和華天科技,其中長電科技在收購星科金朋后取得多項先進封裝技術,伴隨大陸本土上游芯片設計公司和下游終端廠商的蓬勃發(fā)展,擁有較大的成長空間。

全球終端功率放大器產(chǎn)業(yè)鏈分析——芯片測試企業(yè)

隨著全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,越來越多的封裝企業(yè)將業(yè)務向產(chǎn)業(yè)鏈下游延伸,大力發(fā)展芯片測試業(yè)務,如日月光半導體(ASE)等。我們在5.3小節(jié)中提到的企業(yè)也大多如此。

但是,終端功率放大器芯片的測試有其自身的特殊性,影響產(chǎn)品性能的因素眾多,且不易排查,需要專用的測試設備和測試程序,對測試工程師的從業(yè)經(jīng)驗也有較高要求,因此設計廠商通常選用更為專業(yè)的射頻芯片測試企業(yè),以降低測試成本,穩(wěn)定產(chǎn)品良率,縮短產(chǎn)品上市時間(Time to Market)。

目前全球領先的專業(yè)射頻芯片測試企業(yè)為臺灣的全智科技股份有限公司(Giga solution),可以為客戶提供晶圓級測試、封裝級量產(chǎn)測試和定制化解決方案,2015年度營業(yè)收入約15.3億新臺幣。

國內(nèi)方面,大港股份于2015年12月以10.8億人民幣收購艾科半導體100%股份,艾科半導體是獨立的第三方集成電路測試服務提供商,擁有模擬、邏輯、混合信號、高頻射頻、SoC等各種類型芯片的測試能力。尤其值得注意的是,艾科半導體擁有獨立研發(fā)的射頻測試輔助設備,是為數(shù)不多的未在國外購置射頻設備而具有射頻測試服務能力的公司,如圖42所示。國內(nèi)的主要射頻廠家如紫光展銳、Vanchip等均和艾科半導體有密切合作,此外的大客戶還包括武漢新芯、中芯國際。

全球終端功率放大器產(chǎn)業(yè)鏈分析——外延片企業(yè)

目前全球主要的外延片供應商主要位于英國、日本、美國和臺灣。市場調(diào)查機構(gòu)Stategy Analysis的數(shù)據(jù)顯示,近年來全球化合物外延片市場的近80%份額被IQE和VPEC(全新)占據(jù),其中IQE市場份額約60%,VPEC(全新)市場份額約20%。全球主要化合物半導體外延片供應商信息如表13所示:

全球射頻開關產(chǎn)業(yè)鏈分析

對于開關最主要的要求是保證信號的線性度,隔離發(fā)射和接收通路,以及盡可能的減小插損。傳統(tǒng)的射頻開關通常使用擁有高電子遷移率的GaAs pHEMT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)工藝,它具有更好的通道傳導性和更高的功率密度,使用此工藝制造的射頻開關同使用GaAs HBT工藝制造的功率放大器具有相同的產(chǎn)業(yè)鏈。

近年來,隨著SOI(Silicon-On-Insulator,絕緣襯底上的硅)技術的發(fā)展,雖然在主要性能上依然不如GaAs pHEMT工藝,但已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)要求,同時由于其低成本和易于同邏輯控制電路進行集成的重要優(yōu)勢,在射頻開關的設計中占據(jù)越來越重要的地位,二者的主要性能指標比較如表14所示。

目前,全球已經(jīng)形成了較為完整的SOI產(chǎn)業(yè)鏈,其中代工廠主要有Global Foundry、ST(意法半導體)、三星、UMC(聯(lián)華電子)等,半導體材料供應商主要有MEMC、ShinEtsu(信越)和Soitec等。

相比之下,中國大陸的SOI產(chǎn)業(yè)鏈則處于起步階段,代工方面,SMIC、華虹宏力、華潤上華(CSMC)均可提供SOI工藝,但在工藝成熟度上仍和世界先進水平有明顯差距,材料方面,僅有上海新傲科技和沈陽硅基科技有限公司可提供SOI晶圓,其中新傲科技與Soitec通過技術授權進行合作,每年可提供100萬片8英寸SOI晶圓,目前,新傲科技自有的8英寸產(chǎn)能達到年產(chǎn)10萬片,并正在建設兩條12英寸產(chǎn)線,計劃2017年達到年產(chǎn)18萬片,如圖44所示。

全球射頻濾波器產(chǎn)業(yè)鏈分析

濾波器在射頻前端芯片中的應用范圍十分廣泛,除Filter外,雙工器(Duplexer)和多工器(Multiplexer)內(nèi)部的核心器件也是SAW/BAW Filter,隨著移動通信模式和頻段的增加,數(shù)量增長最快的射頻前端器件不是功率放大器,而是濾波器。

濾波器使用RF-MEMS工藝制造,具有極高的技術門檻,在保證高度一致性和高質(zhì)量的條件下實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)難度極大,目前SAW/BAW濾波器的核心技術基本都掌握在日本、美國企業(yè)手中,SAW濾波器主要的企業(yè)有Murata和TDK,更先進的BAW濾波器技術則主要被Qorvo和Broadcom壟斷。

國內(nèi)方面,濾波器產(chǎn)品的國產(chǎn)替代化同樣取得一定進展,利用2016年手機元器件整體缺貨的機會,無錫好達電子的SAW濾波器產(chǎn)品成功進入中興、金立、魅族等手機供應鏈。另一方面,國內(nèi)功率放大器設計廠商如紫光展銳等,也認識到了濾波器技術在未來射頻前端芯片中的重要性,成立MEMS研發(fā)團隊,力爭在濾波器、雙工器等領域取得突破。

上市公司方面,麥捷科技2016年1月公告擬定向增發(fā)募集資金不超過10億元,其中投向基于 LTCC 基板的終端射頻聲表濾波器(SAW)封裝工藝開發(fā)與生產(chǎn)項目4.5億元,預計項目建成后,年產(chǎn)濾波器 9.4億只。建設期2年,達產(chǎn)后預計年均實現(xiàn)銷售收入 3.87億元,年均實現(xiàn)凈利潤 5806萬元。這一方案已于2016年12月得到批準,目前項目進展順利。

投資策略

射頻前端芯片市場主要分為兩個方向:一是移動終端市場,盡管智能手機滲透率接近飽和,增長率逐漸放緩,但5G的發(fā)展推動單個移動終端內(nèi)部射頻前端芯片的數(shù)量和價值持續(xù)提高,加之物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)借助5G落地,成為驅(qū)動射頻前端芯片市場發(fā)展的另一引擎。預計至2019年,市場總規(guī)模將超過200億美元,年復合增長率超過15%;二是以基站為代表的通信基礎設施建設市場,相比終端市場,此領域市場規(guī)模較小,2015年約6億美元,但5G核心技術Massive MIMO、微基站、毫米波將會首先在這一市場得到應用,預計先于終端市場進入產(chǎn)業(yè)化階段,率先收益。

重點關注的技術創(chuàng)新主要有兩方面:設計領域重點關注BAW濾波器和毫米波功率放大器。5G標準將會推動更多高頻率頻譜資源的應用,并使用更多數(shù)量的載波聚合。因此具備更好高頻性能和帶外抑制性能的BAW濾波器替代傳統(tǒng)SAW濾波器將成為大勢所趨。毫米波的應用則會使通信頻譜帶寬有10倍至20倍的提升,是實現(xiàn)5G最高數(shù)據(jù)傳輸速率達到20Gbps的重要技術手段。

工藝領域重點關注GaN(氮化鎵)。GaN具有更強的耐壓能力、更高的能量密度、更好的散熱特性、可以工作在更高的頻率,在3.5GHz至6GHz以及毫米波頻段,均具備明顯優(yōu)勢。在基站射頻前端市場上,GaN工藝取代LDMOS已成定局,隨著低電壓GaN工藝的技術突破,在終端上的全面應用同樣指日可待。此外,GaN工藝在軍事雷達、汽車電子方面都有廣泛的應用,戰(zhàn)略意義巨大。

主要的投資邏輯有兩點。首先,沿梳理好的全球射頻前端芯片產(chǎn)業(yè)鏈,把握基本面業(yè)績兌現(xiàn)時點。

芯片設計領域:海外標的三大終端IDM廠商Qorvo(NASDAQ:QRVO)、Skyworks(NASDAQ:SWKS)和Broadcom(NASDAQ:AVGO),尤其是產(chǎn)品線布局最為完整的Qorvo,另外建議關注Qualcomm(NASDAQ:QCOM)和TDK合資公司的射頻前端產(chǎn)品研發(fā)情況。國內(nèi)標的方面,未上市公司紫光展銳、唯捷創(chuàng)芯(Vanchip),上市公司建議關注投資蘇州宜確的長盈精密。

晶圓制造領域:海外標的占據(jù)全球排名前兩位的穩(wěn)懋(3105.TWO)、宏捷科(8086.TWO),國內(nèi)標的三安光電(600703),建議關注海特高新(002023)的GaAs晶圓產(chǎn)線進展。

芯片封裝領域:海外標的建議關注菱生(2369.TW)和同欣電(6271.TW),國內(nèi)標的長電科技(600584)。

芯片測試領域:海外標的建議關注全智科(3559.TW)、硅格(6527.TW)和京元電(2449.TW),國內(nèi)標的大港股份(002077)。

外延片領域:海外標的建議關注IQE(IQE.L)、全新(2455.TW)和F-IET(英特磊,4971.TWO)。

基站功率放大器領域:海外標的建議關注NXP(NASDAQ:NXPI)和Infineon(IFX.F)。

濾波器領域:麥捷科技(300319)

其次,關注在行業(yè)升級大趨勢下企業(yè)并購、合作帶來的機會。擴展為三點來看:(1)行業(yè)巨頭通過并購、合作完善產(chǎn)品線,為5G到來做好準備。代表性事件有RFMD和TriQuint合并成為Qorvo、NXP收購Freescale。(2)新玩家進入,手機處理器方案廠商橫向拓展切入射頻前端芯片市場。代表性事件有MediaTek全資收購絡達科技,高通與TDK成立合資公司。(3)中國大陸大規(guī)模投資發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)鏈,緊盯先進技術、業(yè)務的并購機會。代表性事件有三安光電與GCS設立合資公司,北京建廣資產(chǎn)管理公司收購NXP RF Power部門。

我們預計未來射頻前端芯片行業(yè)的整合仍將繼續(xù),建議重點關注在GaN工藝、BAW濾波器、毫米波射頻前端芯片等前沿創(chuàng)新領域的并購機會。

來源:微波射頻網(wǎng)

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