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中国射频前端器件竞争格局及国外厂商垄断射频前端器件供应分析[图]

2019年07月08日 13:31:00字号:T|T

    先进的产品技术、制造工艺和系统封装助力企业渗透高端应用领域。5G对射频前端各子器件的性能、体积和成本要求提升,拥有先进的产品技术方有机会进入高端领域;核心器件以化合物半导体为主,其制造工艺决定产品性能,同时将难以集成的器件系统性封装,可有效减小射频前端模块体积,是终端射频模块的发展趋势。

    美日厂商垄断高端射频前端器件供应,台湾、中国大陆厂商立足中低端,努力向高端市场切入。射频前端领域设计及制造工艺复杂、门槛极高,以Broadcom/Avago、Qorvo、Skyworks、Murata、TDK为代表的美日IDM厂商拥有较强的产品和模组制造能力,优势明显,当前占据绝大部分市场份额,尤其是在智能手机领域;中国大陆及台湾厂商以Fabless和晶圆代工模式为主,强调产业分工协作,其中台湾企业在晶圆代工、封装测试等中下游环节占据重要位置,大陆厂商在技术、专利、工艺等方面与国际大厂存在差距,主要供应中低端PA、滤波器、射频开关等产品。随着射频前端产业链逐渐向中国转移,国内厂商加紧技术工艺突破,努力向高端市场迈进。

各主要厂商在苹果手机射频前端市场占比

数据来源:公开资料整理

    射频厂商兼并整合,射频前端模块化、集成化和提供整体射频解决方案渐成趋势。随着5G支持的频带数量增加,射频前端的复杂度也逐渐提高,将滤波器与PA、开关等射频器件进行整合,向模块化、集成化和整体射频解决方案方向发展,同时提高射频方案的整体价值成为当前产业发展趋势。近年来,国际大厂通过整合兼并加强平台建设,以提供射频前端模组产品,当前射频器件巨头厂商基本都具备滤波器、功放、开关、低噪放等器件的设计、制造及模组生产能力。

射频行业并购整合案例

产业并购整合案例
产品、模组/方案能力说明
2012年,Murata收购RenesasPA业务。
提供滤波器、PA等射频前端核心部件,整合自
身射频产品平台。
2014年,RFMD与TriQuint合并成Qorvo。
IDM巨头合并,可提供PA、开关、SAW/BAW
及射频前端模组。
Skyworks先后收购Panasonic和MEMS
solution。
可提供PA、TC-SAW、FBAR,增强自身射频前
端模组开发能力。
2015年,Avago以370亿美元收购Broadcom。
IDM巨头收购,具备射频前端全产品和模组供
应能力。
2016年,Qualcomm与TDK联合成立RF360。
基带厂商与射频器件厂商结合,获取声表面波滤
波器、射频前端模块技术,具备手机终端通信系
统全产品供应能力。
2017年,联发科收购洛达科技。
可提供射频前端模块,完善自身平台。

数据来源:公开资料整理

射频前端相关模组及器件集成度

模组
集成的器件
集成度
ASM
天线和开关
FEM
滤波器和开关
DivFEM
集成FEM的分集模组
FEMiD
集成ASM和双工/滤波器
PAiD
集成PA和双工
SMMBPA(3G/4G)
支持单模式多频带的PA模组
MMMBPA(3G/4G)
支持单模式多频带的PA模组
TxModule(2G)
集成PA和开关的发射模组
PAMiD
集成MMMBPA和FEMiD
LNADivFEM
集成DivFEM和LNA

数据来源:公开资料整理

    一、厂商垄断高端市场

    带宽宽度、插入损耗、抗干扰能力是评价滤波器性能的关键指标。滤波器通过电容、电感、电阻等元器件的组合移除信号中不需要的频率分量,同时保留需要的频率分量,从而保障信号能在特定的频带上传输,消除频带间相互干扰。性能(带宽宽度、插入损耗、抗干扰能力等)是滤波器选择过程中需要重点考虑的因素,同时需综合考虑尺寸和成本。

滤波器核心参数

参数
功能
中心频率(CenterFrequency)
用来计算滤波器通带带宽,一般取带通或带阻滤波器左、右相对
下降1dB或3dB边频点之和的一半。
截止频率(CutoffFrequency)
指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点,通
常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。
通带带宽(BWxdB)
需要通过的频谱宽度,通常用X=3、11、0.5即即BW3dB、BW1dB、
BW0.5dB表征滤波器通带带宽参数。
插入损耗(InsertionLoss)
滤波器对电路中原有信号带来的衰耗,以中心或截止频率处损耗
表征。损耗越小,则通过滤波器的有效信号强度越大,滤波器的
性能就越好。
带内驻波比(VSWR)
衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。
阻带抑制度
衡量滤波器选择性能好坏的重要指标,,该指标越高说明对带外干
扰信号抑制的越好。
延迟(Td)
指信号通过滤波器所需要的时间,数值上为传输相位函数对角频
率的导数,即Td=df/dv。
品质因素(Q值)
指电感在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效
损耗电阻之比。QQ值越高,则滤波器的通带带宽越窄,无效信号
越少,表明其滤波能力越好。

数据来源:公开资料整理

    5G时代,介质滤波器和体声波滤波器在体积、损耗和频率方面更具优势,将分别主导基站和终端市场。目前,基站用滤波器以金属腔体滤波器为主,工艺较为成熟、稳定性好、价格较低。随着5G时代新天线技术的应用,天线数量增加,相应的滤波器的数量也在增加,对滤波器的体积、发热等方面提出了更高的要求,而陶瓷介质滤波器因其具有体积小、损耗低、Q值高及工作频率稳定性好等优点,未来有望成为行业主流。

金属腔体和陶瓷介质滤波器技术原理及核心参数对比

滤波器种类
技术原理
损耗
体积
Q值
带外抑制
适用场景
金属腔体滤波器
电磁波在同轴腔体滤波
器中震荡
频率范围
广
陶瓷介质滤波器
电磁波谐振发生在陶瓷
介质材料内部
器件体积
要求高

数据来源:公开资料整理

    在手机等终端领域,一方面对滤波器的体积要求更高(数量增加),而声学滤波器采用半导体微加工工艺,可实现低成本、小体积;另一方面,5G通信要求滤波器能适应更高的频率,体声波滤波器(BAW)相比声表面波滤波器(SAW)具有更低的损耗、更高的QQ值,在z2GHz以上的高频领域更有优势。

SAW和BAW滤波器核心参数对比

滤波器种类
频段范围
插入损耗
功率阈值
体积
SAW
2.5GHz以下
BAW
2-20GHz
很低
很小

数据来源:公开资料整理

    家国际巨头厂商占据绝大部分终端,市场份额,Avago更是几乎独占BAW滤波器市场。目前,全球终端市场的滤波器供应较为集中,主要为美日国际巨头垄断,前5大厂商市场份额达到95%。在BAW滤波器方面,只有Avago、Qorvo等少数几家企业掌握量产技术,光Avago一家便占据全球87%的市场份额;SAW滤波器方面,也基本被Murata、TDK、TaiyoYuden等日本厂商垄断,三家合计占有85%以上的市场份额。

SAW滤波器全球市场份额

数据来源:公开资料整理

BAW滤波器全球市场份额

数据来源:公开资料整理

    国内滤波器产业尚处于发展早期,不论是在技术层面还是在整个产业的配套方面差距明显。国内在滤波器领域起步较晚,主要厂家是研究院所和一些民营公司,如麦捷科技、德清华莹电子、中电26所、中电55所、无锡好达电子、北京长峰(航天二院)、中讯四方、中科飞鸿(具有中科院声学所背景)等;BAW滤波器目前仅有中电26所、天津诺斯微在FBAR(薄膜体声波)方面有完整的产线,其他还有汉天下和RDA都在进行FBAR的开发,但尚无完整的工艺线。

国内主要滤波器企业

企业名称
企业基本情况
麦捷科技
公司投资4.5亿元增资SAW滤波器业务,目前公司产品已通过MTK和展讯技术
平台认证,并实现批量出货,主要供货给国内手机品牌。
中电26所
国内唯一拥有齐全的SAW滤波器技术的单位,产品包括SAW、TC-SAW、FBAR
滤波器,也是国内少有的能为中兴/华为提供声表面滤波器厂商。
中电55所
国内较早使用铌酸锂、钽酸锂等压电晶体制作声表面波滤波器产品的企业之一。
德清华莹
公司专注铌酸锂晶体的声表面波滤波器,是国内唯一同时拥有材料、器件、模块
的企业。
无锡好达电子
公司拥有国内最大、最先进的声表面波滤波器产线,主要产品为声表面波滤波器、
双工器、谐振器等,应用于手机、基站等领域。

数据来源:公开资料整理

    二、IDM厂商

高输出功率和效率是射频功放的核心。功率放大器位于发射机的末级,功能是将已调制的频带信号放大到所需要的功率值,再送到天线中发射,保证一定区域内的接收机可以收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。功放是整个通讯系统芯片组中除基带主芯片之外最重要的组成部分,手机的通话质量、信号接收能力等都由功放决定,其核心性能参数为输出功率,理论上功率越大,通信质量越好,但高功率必然带来高功耗,因此在保证拥有足够输出功率同时还要兼顾效率的提升。

功率放大器核心参数

性能参数
指标意义
工作频率
功放的重要指标,影响输出功率和增益。
输出功率
功放的核心性能指标,通常用饱和输出功率的大小来衡量,大小根据实
际应用而定,移动终端一般为0.3~0.6W,基站一般为10~100W
效率
功放的核心性能指标,一般与输出功率结合在一起衡量,提高效率对移
动通信终端比较重要,可以延长续航时间。
线性度
反映功放的非线性效应,影响信号质量。
功率增益
输出功率/输入功率,表征功放的放大特性。

数据来源:公开资料整理

    材料及制造工艺决定射频功放的性能,化合物半导体PA仍将是主流。射频功放的制作材料历经三代半导体材料(硅、锗,砷化镓、磷化铟,碳化硅、氮化镓、锗化硅)到碳纳米管、石墨烯等特殊材料,GaAsPA基于其高击穿电压、高输出功率等特性成为当前主流,CMOSPA由于性能及成本原因,目前只用于低端市场。Qorvo预计5G来临之后,8GHz以下,GaAsPA仍是主流,8GHz以上GaN有望率先在基站市场成为主力。此外,功放还是射频器件中相对独立的领域,是手机射频系统里难以集成的元器件。

射频功放制作材料、工艺及优劣势对比

材料
制造工艺
工艺对比
应用领域
Ge(锗)、Si(硅)
CMOS工艺
工艺成熟,硅晶圆相对便宜,易于集
成射频控制逻辑单元;但设计复杂,
研发投入成本高,且硅基功放的线性
度、输出功率、效率等方面性能较差,
同时有膝点电压高、击穿电压低、硅
基衬底的电阻率低等缺点。
多用于2G手机和低端WiFi领域。
GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)
GaAs工艺
高功率、高效率(略低于GaN),工
艺成熟,兼具成本与性能优势。
当前射频PA的主流,广泛用于手
机/WiFi等消费电子领域。
SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、
SiGe(锗化硅)、SOI(绝缘层上硅)
GaN工艺
具有极高的功率、效率和增益,工艺
复杂,成本高。
多用于远距离信号传送或高功率
(雷达、基站收发台、卫星通信)
和军用电子等特殊应用。
碳纳米管(CNT)
-
具有物理尺寸小、电子迁移率高、电
流密度大和本征电容低等特点。
是纳米电子器件的理想材料。
石墨烯
-
具有很高的电子迁移速率、纳米数量
级的物理尺寸、强度等优秀的电学及
机械性能。
未来射频芯片高频领域的热门材
料。
 

数据来源:公开资料整理

    全球PA市场绝大部分份额被Skyworks、Qorvo、Broadcom等IDM厂商占据。由于GaAs/GaN化合物PA工艺的独特性和高技术壁垒,当前市场呈现出IDM巨头垄断的局面,前三大厂商Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago合计市场份额超过90%。GaAsPA的代工龙头为台湾的稳懋,其主要客户除了高通、RDA等Fabless企业外,还包括Broadcom/Avago、Murata、Skyworks等IDM企业。

    国内射频功放集中在中低端领域,高端市场有待突破。国内射频功放公司有近20家,以Fabless企业为主,主要有RDA/紫光展锐、中科汉天下、唯捷创芯等,产品集中在2G/3G射频PA领域,总体市场份额偏小。

    三、国内产业链

    国内射频器件设计++代工++封测产业链逐渐完备。射频前端器件领域由于设计及制造工艺复杂,国际上以IDM企业为主,代表厂商为Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago等产业巨头;国内射频产业起步较晚,有实力建产线的射频厂商不多,更多的是采取Fabless+Foundry+封测厂的垂直整合模式分工协作,国内近年来加强相关产业链建设,整个射频器件产业逐渐崛起,设计企业以RDA/紫光展锐、唯捷创芯为代表,晶圆代工厂有三安光电、海特高新,以及长电科技等封测厂商。

    国内企业立足低端市场,集成化及技术变革趋势下有望实现向高端领域突破。对于国内射频产业来说,高端市场短期进入门槛很高,产品质量与验证周期均长,在产业壁垒逐步堆高的前提下,只有先从低端市场做起,依靠成本和市场服务优势占据一定的市场份额,积累起相对应的人才和技术,才有机会向中高端产品延伸。5G来临的时候,一部分模组厂商可以在技术进行迭代器件快速通过技术引进或者相关公司收购快速进入行业;另一部分有资金优势的企业可以通过Fabless+Foundry的方式快速介入代工行业,国内的企业多数在工艺改造和成本管控方面具有优势,可通过此路径加快技术工艺的突破。

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国射频前端模块行业市场研究及投资前景预测报告》 

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