後疫情時代RFFE發展現狀及趨勢分析

作者 : 李晉,國際電子商情(ESMC)

新冠疫情已經進入到第3年,目前消費電子產品需求趨於低迷,供應鏈已經出現庫存積壓的情況。即便如此,市場依然看好射頻前端的發展。

《國際電子商情》曾在2019年報導過射頻前端(RFFE)的現狀和替代情況,當時的結論是:射頻前端的需求將呈爆發式成長,毫米波頻段將為射頻元件/方案平台商帶來機會;圍繞射頻前端模組整合發展更快的廠商可望成為產業主導者,系統級封裝(System in Package,SiP)整合是重點著力方向。 如今,5G技術商用已3年整,智慧型手機年出貨量破13億支,智慧家電、穿戴式產品年出貨量均破5億,5G基地台累計建成數百萬台,這些設備的無線連網功能的實現都離不開射頻前端。現在,射頻前端發展狀況及趨勢如何? 走向AiP天線封裝 近十餘年來,智慧型手機功能越來越強大,其內部元件也越來越整合。雖然手機尺寸也在逐漸變大,但作為便攜行動通訊設備,它有著非常嚴格的尺寸限制。隨著手機功能的完善,電路板空間無法再設計更多元件和電路,分散安裝形式變得非常困難,於是供應商開始聚焦「整合化」和「模組化」。 從2G到5G,最明顯的特點是行動網路速度加快,這需要各類射頻元件的支持。以4G手機的通訊模組為例,它可分為天線、射頻前端、收發器和資料機等主要的SiP模組,目前SiP大致可分為WLCSP和基板級封裝技術。SiP將多種功能晶片(包括CMOS、BiCMOS、GaAs等製程的晶片)整合在一個封裝內,可以實現一個基本完整的功能,帶來尺寸小、時間快、成本低、生產效率高、系統設計簡單等優勢。這類封裝涉及到Wi-Fi模組、UWB模組、天線封裝(AiP)模組、指紋辨識模組、智慧穿戴用手錶和耳機模組等。 到5G時代,射頻前端從離散元件,轉向FeMid (整合開關、濾波器和雙工器)和PaMid (整合多模式多頻帶PA和FeMid)形式。另外,5G毫米波的短波長特點讓天線尺寸更短,AiP把天線整合到射頻開關、濾波器和放大器的SiP中,極大簡化了毫米波應用面臨的挑戰、加快了系統設計。 全球供應商已有針對SiP和AiP封裝來佈局。SiP系統封裝在智慧手錶、TWS耳機等產品上有很好的應用,蘋果的AirPods、Apple Watch都採用SiP封裝,歌爾股份和立訊精密為蘋果提供SiP服務,Tier 1德賽西威的車規SiP預計今年下半年上線投產,美的、TCL、海信等終端生產商也佈局SiP。 SiP系統封裝參與者包括了日月光、長電科技、通富微電、華天科技、甬矽電子、晶方科技、華進半導體等封測廠,還有發力基板級SiP封裝的環旭電子、深南電路、歌爾股份、歐菲光、丘鈦科技、立訊精密、富士康、聞泰科技等。 全球AiP的專利格局主要由IDM、Foundry、Fabless和外包封測廠(OSAT)、手機廠主導,相關技術主要掌握在台系、日系及美系廠商手中。據智慧財產權研究公司Knowmade資料顯示:中芯長電/中芯國際、台積電、三星電機、日月光、矽品精密、安靠等(Foundry、OSAT),聯發科、高通、村田、德州儀器、思佳訊等(Fabless、IDM)和華為、vivo、OPPO (手機廠)等均有相關專利。 可以肯定的是,無論是SiP還是AiP,這些封裝方式都有同樣的目標——讓模組的尺寸更小、降低電路複雜度且保證性能和更好的性價比。未來,5G射頻前端將以SiP、AiP的形式進一步走向高度整合。 行動裝置和基地台帶來更多射頻前端需求 射頻前端包括功率放大器(PA)、濾波器、開關、低噪音放大器(LNA)、調諧器(Tuner)、雙/多工器(Du/Multiplexer)等元件,可為行動終端(以智慧型手機、智慧家電、穿戴式裝置為代表)和通訊基礎設施(以基地台為代表)提升無線連線性能。  

圖1:射頻前端主要元件構成。

(來源:國際電子商情製圖)

  由於大量頻段被整合到5G手機裡,其射頻元件的使用量也隨之大增。在4G手機商用之前,一支手機只需消耗少量的射頻元件。5G時代,每支手機所消耗的射頻元件數量增多,整合度高的射頻前端更受市場關注。  

圖2:2G~5G手機中單機射頻晶片價值含量。

(來源:Yole Développement,國際電子商情製圖)

  與2G、3G、4G手機相比,5G手機中單機射頻晶片價值含量也有了顯著的提升。據市調機構Yole Développement統計,2G手機單機射頻晶片總價值為0.7美元,到5G手機單機射頻晶片總價值達32~38.5美元,兩者間的射頻晶片價值相差45~55倍。 主要原因在於,5G手機不僅要相容3G/4G頻譜且支持5G頻譜,還要避免蜂巢訊號與Wi-Fi訊號的重合干擾等,這對射頻前端提出了更嚴苛的要求。例如中國5G手機最低配置是支援「5G雙模三頻」:支持5G SA/NSA雙模;支持n41、n78、n79三大5G頻段。眾多頻段和功能的支援需配置更多的射頻晶片,所以單機內的射頻晶片價值量提升。  

圖3:中國5G智慧型手機出貨量資料。

(來源:中國信通院,國際電子商情製圖)

  同時,5G手機出貨量也有了提升。預計到2023年,全球5G手機年出貨量將突破7億支。再看中國的5G手機相關的資料,綜合中國信通院報告資料可推出:從2019年至2022年5月,中國已出貨約5.29億支5G智慧型手機。這意味著,中國5G手機帶來的射頻前端累計金額,已突破130億美元。  

圖4:2019-2025年射頻前端和連接市場各類元件市場規模。

(來源:Yole Développement,國際電子商情製圖)

  再看全球市場,Yole Développement預測:到2025年,全球行動裝置射頻前端市場規模將成長到253.98億美元,年複合成長率(CAGR)達到11%。其中,在2020~2025年期間,有7類元件/模組的CAGR可達到兩位數:
  • AiP模組從0.6億美元成長到14.3億美元,CAGR高達53%;
  • 射頻IC從3.85億美元成長到12.16億美元,CAGR為15%;
  • FEM模組從25.77億美元成長到45.72億美元,CAGR為13%;
  • PA模組從53.76億美元成長到89.31億美元,CAGR預計為11%;
  • LNA從3.98億美元成長到7.84億美元,CAGR為11%;
  • 開關從4.46億美元成長到8.28億美元,CAGR為11%;
  • 天線調諧器從5.69億美元到10.11億美元,CAGR為10%。
 

圖5:2020-2025年基礎設施射頻前端市場預測。

(來源:Yole Développement)

  2021年3月,Yole Développement發佈了全球通訊基礎設施射頻前端報告。預計在2020~2025期間,通訊基礎設施射頻前端市場規模從27億美元成長到36億美元,CAGR為6%。其中,LNA、LNA/開關,以及波束形成器(Beamformer)的CAGR分別為11%、100%。 綜合Yole Développement的兩份報告可推出:到2025年,全球「行動裝置+基地台」所需射頻前端的市場規模約達290億美元,PA和濾波器是市場份額最大兩類元件,分別為104.31億美元、50.3億美元,由此可知圍繞這兩類元件的競爭將非常激烈。 射頻濾波器和PA的應用趨勢 對於通訊設備而言,PA決定了訊號覆蓋強度,濾波器決定了設備的抗干擾能力,它們是射頻前端最重要的兩類元件。
  • 射頻濾波器IDM模式將是主流
頻段的增加也要求增加濾波器的使用量,每一個頻段都需要單獨支援它的濾波器。據射頻供應商思佳訊預測,5G手機濾波器使用量將從4G手機中的40顆上升至70顆。 關於濾波器,此前產業有過路線之爭,現在大家基本已達成共識:中低頻段用基於聲表面波(SAW)的技術路線,中高頻段和超高頻採用FBAR/BAW方案,部分薄膜TC-SAW製程將突破高頻應用場景。 SAW濾波器包括普通SAW及具有溫度補償特性的TC-SAW,這是一種沿著固體表面傳播的聲波,它具備可靠性高、抗干擾能力強、不易老化、使用方便、選擇性好、頻寬等優勢,但其插入耗損大(需在前級加寬頻帶放大器),製程/精確度要求高,在頻率高於1GHz時選擇性降低,高於2.5GHz時適用對性能要求不高的應用,比如手機、GPS定位、衛星通訊和有線電視等設備。 BAW濾波器包括普通BAW及採用薄膜腔聲波諧振器的FBAR濾波器,它的聲波呈垂直傳播,在頻率高於1.5GHz時,BAW具有較大的性能優勢,其尺寸與頻率成反比,適合要求嚴苛的3G和4G應用。它具備對溫度變化不敏感、插入損耗小、帶外衰減大等優勢,但它的壓電層厚度必須在微米量級,製造製程步驟是SAW的10倍。FBAR濾波器支援4W@2GHz的更高射頻功率,適用於下一代無線通訊和無線接入產品。 在供應商方面,SAW濾波器主要供應商有村田、TDK、太陽誘電、思佳訊、Qorvo等,中國供應商主要有信維通訊、麥捷科技、卓勝微等;BAW濾波器主要供應商有博通、Qorvo、Avago、太陽誘電、TDK等,中國廠商主要圍繞FBAR濾波器,有諾思、麥捷科技等。 蘇州漢天下電子CEO陶鎮曾公開表示,濾波器未來的趨勢將是IDM模式,濾波器需要「製程+設計+模型」為一體,Fabless無需關注製程、節點、模型。不過,只有IDM模式才有足夠的模型資料作為模擬和實測之間的橋樑,中國的BAW濾波器公司一定會向IDM商業模式轉型。 IDM商業模式的自建晶圓線能帶來幾大好處:1.從研發流片週期或量產流片週期來看,自有晶圓線比公開晶圓線節省三分之二的時間,可加速新品推陳出新及量產交付的時間;2.自有晶圓線的生產成本比公開晶圓線至少降低30%。基於IDM+CIDM的驅動,是最適合中國BAW濾波器公司的商業模式。 CIDM是Commune IDM,Commune在法語中是「共同、共有」的意思。在CIDM模式中,由10~15個單個企業進行聯合出資半導體的設計、研發、生產、封裝、測試、行銷/銷售、最終產品組裝等,這些出資者形成一個半導體生產平台,所有參加者共同構築雙贏的關係。 過去二十年裡,射頻晶片公司正往模組類轉型,產業出現了許多整合、收購案例。在濾波器領域也有一些值得關注的並購案例:2019年高通完成對RF 360的所有股份的收購,後者專門供應完整的濾波器和濾波技術產品組合,包括SAW、TC-SAW和BAW解決方案;2022年3月,村田完成對Resonant的收購,前者的SAW濾波器技術與後者的XBAR技術相融合,將為客戶提供更優秀的高頻濾波器。相信伴隨技術的升級,濾波器產業的並購、整合趨勢持續。
  • 射頻PA整合度提升、研發難度加大
在發射機的前級電路中,調製振盪電路所產生的射頻訊號功率很小,需要經過一系列的放大來獲得足夠的射頻功率以後,才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率,就必須採用射頻PA。 射頻PA主要有CMOS、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)三大路線。智慧型手機中,基頻、電源管理和射頻收發等元件已被CMOS製程整合,但如今主流的射頻PA卻採用GaAs製程。業內的觀點認為,CMOS晶圓比GaAs晶圓便宜,但CMOS PA的面積比GaAs PA大,單個元件的成本優勢並不太明顯。另外,在採用同樣製程節點的情況下,CMOS PA適用的頻率比GaAs PA要低。 據Qorvo預測,頻率為8GHz以下的應用中,GaAs PA在輸出功率、工作頻率等性能優於Si CMOS PA,因此市場預測GaAs PA在5G手機的應用將進一步滲透。雖有企業在致力於用CMOS PA替代GaAs PA,但CMOS PA主要應用在低階應用中。行動終端及IoT射頻PA供應商包含思佳訊、Qorvo、高通、穩懋、三安光電、環旭電子、卓勝微、信維通訊。 當頻率大於8GHz時,GaN PA有更好的表現,它被視為高頻應用的更佳選擇。GaN元件主要分為Si基和SiC基,因SiC的高導熱率及低射頻衰落(RF loss),使GaN-on-SiC適用於功率較大的宏基地台,GaN-on-Si則可望憑藉低成本優勢在小基地台有大規模應用。5G基地台要求PA的運作頻率為3GHz~6GHz和24GHz~40GHz,射頻功率在0.2W~30W之間。增加電壓可提升PA的射頻功率,而GaN具有高功率密度和高頻特性,所以GaN射頻PA更加適合5G基地台應用。當然,GaN還面臨成本問題,其價格高於LDMOS和GaAs。基地台射頻PA供應商有Qorvo、科銳、穩懋、三安光電、海特高新。 與濾波器一樣,5G智慧型手機對PA的使用量也翻倍成長。比如,4G多模多頻手機所需的 PA晶片為5~7顆,5G手機內的PA晶片則達到16顆。此外,5G基地台中使用的射頻PA也在數量和品質上有提升。為了更大程度地縮小尺寸,整合了PA、濾波器和開關的PAMiD模組在手機上得到應用。值得注意的是,當頻率越高、頻寬越寬、整合度越高,射頻PA的研發難度也就相應地越大,未來射頻PA供應商將面臨更大的技術挑戰。 本文原刊登於國際電子商情網站          

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