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2019-2023年中国手机射频前端行业发展前景预测[图]

    一、射频前端——手机通信重要模块

    (一)、射频前端基本架构与运作原理

    手机终端的通信模块主要分为天线、射频前端模块、射频收发模块、基带信号处理。射频前端是移动智能终端产品的核心组成部分,它是模拟电路中应用于高频领域的一个重要分支。按照设备中产品形态分类,射频器件可分为分立器件和射频前端模组。分立器件即功放、滤波器、天线开关等各个独立器件;射频前端模组则是将器件集成在一起,随着通信技术的进步,集成化和小型化技术趋势已使射频前端模组倍受推崇。

    射频前端介于天线与射频收发之间,可以分为接收通道和发射通道,元件主要包括滤波器(Filters)、低噪声放大器(LNA,LowNoiseAmplifier),功率放大器(PA,PowerAmplifier)、射频开关(RFSwitch)、天线调谐开关(RFAntennaSwitch)、双工器。从线路看信号传输:

    其接收通道:信号—天线—天线开关—滤波器/双工器—LNA—射频开关—射频收发—基带;

    其发射通道:基带—射频收发—射频开关—PA—滤波器/双工器—天线开关—天线—信号。

    天线用于无线电波的收发;射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换;LNA用于实现接收通道的射频信号放大;PA用于实现发射通道的射频信号放大;滤波器用于保留特定频段内的信号,而将特定频段外的信号滤除;双工器用于将发射和接收信号的隔离,保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作。

智能手机通信系统结构示意图

数据来源:公开资料整理

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国手机射频行业市场全景评估及投资前景分析报告

射频器件功能

射频器件
功能
天线
用于无线电波的收发
射频开关
用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换
LNA
用于实现接收通道的射频信号放大
PA
用于实现发射通道的射频信号放大
滤波器
用于保留特定频段内的信号,而将特定频段外的信号滤除
双工器
用于将发射和接收信号的隔离,保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作

数据来源:公开资料整理

    1、天线与射频开关

    天线用于无线电波的收发,连接射频前端,是接收通道的起点与发射通道的终点。天线按功能分类包括主天线、GPS定位天线、Wifi天线、NFC天线、FM天线等。天线的应用包括基站侧与终端侧,本文主要介绍手机终端情况。随着信息技术的不断发展,无线网络频段增加、频率升高,驱使手机天线的使用增加,同时,为实现高速、多频率、少损耗的传输,终端天线通过材料、

    结构、工艺的不断改进实现性能的提升。

    射频开关的作用是控制多路射频信号中的一路或几路实现逻辑连通,达到不同信号路径的切换的目的,包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等,最终可以共用天线、节省终端产品成本。射频开关的主要包括移动通信传导开关、WiFi开关、天线调谐开关等。

    它的运作原理如下:当射频开关的控制端口加上不同电压时,射频开关各端口将呈现不同的连通性。以单刀双掷射频开关为例,当控制端口加上正电压时,连接端口1与端口3的电路导通,同时连接端口2与端口3的电路断开;当控制端口加上零电压时,连接端口1与端口3的电路断开,同时连接端口2与端口3的电路导通。通过控制电压,实现了不同电路的连通。

射频开关运作过程示意图

数据来源:公开资料整理

    2、滤波器:射频器件最大的细分市场

    射频滤波器包括声表面滤波器(SAW,SurfaceAcousticWave)、体声波滤波器(BAW,BulkAcousticWave)、MEMS滤波器IPD(IntegratedPassiveDevices)等。SAW和BAW滤波器是目前手机应用的主流滤波器。

    SAW滤波器的基本结构由压电材料衬底和2个IDT(InterdigitalTransducer)组成。IDT是叉指换能器——交叉排列的金属电极。下图中左边的IDT把电信号转成声波,右边IDT把声波转成电信号。

    SAW滤波器频率上限为2.5~3GHz。频率高于1.5GHz时,其选择性降低。在约2.5GHz处,其仅限于对性能要求不高的应用,而且SAW滤波器易受温度变化的影响。未来SAW滤波器的发展趋势是小型片式化、高频宽带化、降低插入损耗以及降低成本。

SAW滤波器结构图

数据来源:公开资料整理

    BAW滤波器更适合于高频,同时对温度变化不敏感,具有插入损耗小、带外衰减大等优点。BAW是3D腔体结构,能量损失小,Q值高,滤波效果更好,尤其适用于2GHz以上之频段,对于5Gsub-6GU有明显优势。

BAW滤波器结构图

数据来源:公开资料整理

    BAW滤波器制造工艺步骤是SAW的10倍,但因其在更大晶圆上制造的,每片晶圆产出的BAW器件也多了约4倍。尽管如此,BAW的成本仍高于SAW。

    BAW滤波器一般工作在1.5~6.0GHz,因此在3G/4G智能手机内所占的份额迅速增长。但并不意味着SAW滤波器完全失去市场。二者会分别在中高频和低频发挥各自优势并在一段时间并存。2GHz以下SAW的市场占有率仍比较大,2GHz以上BAW的市场占有率会比较高。

不同频率下SAW和BAW滤波的应用范围

数据来源:公开资料整理

    滤波器是射频前端市场中最大的业务板块。波器全球市场规模将从2017年的约80亿美元增长至2023年的225亿美元,CAGR达19%,市场空间广阔。

    滤波器是射频器件潜力最大的市场之一,滤波器的市场的驱动力来自于新型天线对额外滤波的需求,以及多载波聚合(CA)对更多的体声波(BAW)滤波器的需求。据预测,在3G向5G演进的过程中,滤波器的单机价值量将成倍增长。3G设备的滤波器单机价值为1.25美元,4G设备为4美元,而到了5G时代预计将达到10美元以上。

2023年滤波器在射频前端模块中的占比

数据来源:公开资料整理

2023年全球滤波器市场规模预测(亿美元)

数据来源:公开资料整理

    3、3LNA与PA

    低噪声放大器LNA的功能是将从天线处接收到的微弱射频信号放大,尽量减少噪声的引入,在移动智能终端上实现信号更好、通话质量更高和数据传输率更高的效果。以卓胜微的LNA产品为例,根据适用频率的不同,可以分为全球卫星定位系统LNA、移动通信信号LNA、电视信号LNA、调频信号LNA。

    LNA的工作原理如下:输入的射频信号被输入匹配网络转化为电压,经过放大器对电压进行放大,同时在放大过程中最大程度降低自身噪声的引入,最后经过输出匹配网络转化为放大后功率信号输出。

    LNA的主要规格是噪声系数(NF),即通过LNA增加的固有噪声量,当NF介于15-20db时,能将收到的信号升压到可被后续放大器、滤波器正确处理的范围。

    功率放大器PA是将发射通路调制振荡电路产生的射频信号功率方法,获得足够大的射频输出功率后,经匹配网络将其馈送至天线。PA的功效定义为输出信号的功率与输入信号功率之差与直流电源功耗的比值。主要技术指标为输出功率与效率:最大输出功率决定了PA最大容量,而增加输出功率即增益输入与输出之间的比值;提高工作效率需要增大对不同频率信号的承载;另外,增加工作带宽可以扩大PA使用范围。

    (二)、射频前端产业链日趋成熟

    射频前端半导体产业链生态将迎来新的变化,推动产业链公司迎新机遇。目前射频前端半导体产业由IDM模式主导。射频前端主要产品的市场均被几大国际巨头垄断。随着5G到来,以高通为代表的Fabless厂商试图凭借基带技术切入射频前端领域;同时以华为为代表的设备商对于上游供应链的把控和“国产替代”需求也将重塑产业链格局,国内设计厂商有望迎来替代机遇,看好未来射频前端的国产替代逻辑。

    1、IDM模式仍为行业主流

    射频前端产业链根据分工的不同可以分为芯片设计、晶圆制造和封装测试三个环节。而IDM(IntegratedDeviceManufacturing,垂直整合制造)模式是指垂直整合制造商独自完成集成电路设计、晶圆制造、封测的所有环节,因此该模式对技术和资金实力均有很高的要求,所以目前只有国际上成功的大型企业采纳IDM模式,如Skyworks、Qorvo、Murata、Broadcom等。

    1987年台湾积体电路公司(TSMC)成立以前,集成电路产业只有IDM一种模式,此后,半导体产业的专业化分工成为一种趋势。出现垂直分工模式的根本原因是半导体制造业的规模经济性。但是现今IDM厂商仍然占据主要地位,主要是因为IDM企业具有资源的内部整合优势、技术优势以及较高的利润率:

    1.资源的内部整合优势。在IDM企业内部,从IC设计到完成IC制造所需的时间较短,主要的原因是不需要进行硅验证(SiliconProven),不存在工艺流程对接问题,所以新产品从开发到面市的时间较短。而在垂直分工模式中,由于Fabless在开发新产品时,难以及时与Foundry的工艺流程对接,造成一个芯片从设计公司到代工企业的流片(晶圆光刻的工艺过程)完成往往需要6-9个月,延缓了产品的上市时间。

    2.技术优势。大多数IDM都有自己的IP(IntellectualProperty,知识产权)开发部门,经过长期的研发与积累,企业技术储备比较充足,技术开发能力很强,具有技术领先优势。

    3.较高的利润率。根据“微笑曲线”原理,最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率,中间的制造、封装测试环节利润率较低。

行业模式示意图

数据来源:公开资料整理

    目前射频前端行业仍然以IDM模式为主导。射频与功率器件集成度不高,设计变化不多,设计环节附加值较低,而且材料结构与工艺密切相关,而工艺又决定了产品最终的电学性能,材料、设计、制造与封测一体相关,这几个因素是射频器件竞争的主导性因素。所以全球成功的射频或功率器件公司,多数都采用IDM模式。

    随着通信技术的不断发展,手机等移动终端对于射频前端的要求也越来越高。一方面,手机等终端需要的射频前端的数量在上升,射频前端在手机成本的比重也越加上升;另一方面,随着对便携性和轻薄化的要求越来越高,而需求的射频前端数量也在不断增长,这时射频前端厂商只能增加集成度以把整个射频系统的实际尺寸控制在合适的范围内。

    目前,已经有一些厂商在研发把低噪声放大器和开关模组集成在一起的方案,例如Skyworks的SkyOne模组(集成了PA,开关,多路器在同一模组上)。未来随着通信技术和生产工艺的不断发展,可望看到集成度更高的射频前端。

    射频前端行业兼并收购不断,巨头不断扩大业务版图。越来越多的厂商也在纷纷加大在射频前端方面的投入,希望在未来的5G浪潮中分一杯羹。例如联发科计划收购络达科技布局射频PA,紫光展讯整合锐迪科买入射频PA行业,而国际巨头Skyworks联手松下组建合资公司开发SAW滤波器,而巨头Qorvo则由主营滤波器的RFMD和主营射频PA的Triquint合并而成。

    有很多特殊的半导体产品适用IDM而不是代工模式,例如模拟器件。模拟器件和数字器件不一样。数字器件的敏感度一般来说不那么高,它追求摩尔定律,要求线宽越来越小、功耗越来越少、成本越来越低,而单位面积上晶体管的数目要越来越多,它需要最先进的工艺和技术。

    模拟器件则非常敏感,只要一个参数有变化,整体功能就会改变很多。譬如模拟器件里面的一个电容或电感的尺寸,稍微大一点或者小一点效果就会差很多。所以模拟器件更需要有一条专门为它服务的生产线。

    混合信号、模拟和功率半导体器件都不需要使用7纳米、14纳米的工艺,它需要的是稳定性和可靠性,需要对它的工艺流程进行量身定做,因此很多模拟器件是没有代工工厂(Foundry)的,譬如5G通讯中用到的氮化镓(GaN),目前这种高功率芯片的大企业有Skyworks(思佳讯)、Qorvo、Sumitomo(住友)、Murata(村田)、NXP(恩智浦)、AVAGO(安华高)等,都是IDM公司。

    射频前端产业目前是IDM模式最成功的领域。就在其它半导体芯片市场(如处理器、SoC等)Fabless模式占据大半江山的时候,在射频前端市场仍然是IDM独大,这是因为射频前端设计需要仔细结合器件制造工艺,有时候甚至会为了设计而调整工艺。目前射频前端领域的巨头Skyworks,Qorvo等都有自己的生产线,随着未来5G时代对射频前端器件的要求越来越高,制造工艺越来越复杂,预计IDM模式仍然将在未来的射频前端行业占据主导地位。

    2、“基带供应商切入射频前端市场+整机商把控供应链国产替代”,Fabless迎来发展机遇

    IDM模式虽然有这么多的好处,但是IDM模式最大的局限就在于对市场的反应不够迅速。由于IDM企业的“质量”较大,所以“惯性”也大,因此对市场的反应速度会比较慢。其次,半导体产业所需的投资十分巨大,沉没成本高。晶圆生产线投资较大,而且每年的运行保养、设备更新与新技术开发等成本占总投资的比例较高。这意味着除了少数实力强大的IDM厂商有能力扩张外,其他的厂商根本无力扩张,因此便催生出了Fabless模式。

    在Fabless模式下,集成电路设计、晶圆制造、封测分别由专业化的公司分工完成,此模式中主要参与的企业类型有芯片设计厂商、晶圆制造商、外包封测企业。采用Fabless模式的公司处于产业链上游,技术密集程度高,芯片设计厂商在该种模式下起到龙头作用,统一协调芯片设计后的生产、封测与销售。

    高通借助基带技术优势,涉足5G射频模组,产业秩序面临改变。RFIC巨头高通和射频前端大厂TDK合资成立了RF360,使得高通拥有了提供从基带ModemSoC,RFIC到射频前端完整解决方案的能力。

    高通于2018年推出全球首款5G毫米波天线模组QTM052,该模组包含毫米波IC、1x4天线阵列、射频收发器(transceiver)、电源管理IC、射频前端元件(放大器、滤波器、低杂讯放大器.等),并采用AiP(AntennainPackage)封装技术,使得模组宽度仅约1美分硬币的1/3宽,其搭配高通5GModem(X50)晶片,获得优异的射频性能表现,可大幅简化手机系统厂商需面对的复杂射频通讯设计问题,预计此模组将用在三星(S10)、Sony、LG、小米、OPPO、Google等2019年的5G手机上。

    目前Qorvo、Broadcom、Skyworks主要占据4GLTE/Sub-6G领域,而高通则选择深耕5G毫米波市场,并不断拉大与竞争对手的差距。预计高通的进入将深刻地改变射频前端产业秩序。

    以华为为代表的设备商对于上游供应链的把控和“国产替代”需求也将重塑产业链格局,国内设计厂商有望迎来替代机遇,看好未来射频前端的国产替代逻辑。国内射频器件的生产厂商以Fabless为主,在代工厂工艺的挹注下,产业链将迎来加速国产替代的机遇。目前国内代表公司有海思半导体,卓胜微,VanChip,Ampleon,慧智微等。

    二、多因素驱动,射频前端与天线机会凸显

    (一)、技术驱动:5G核心技术变化创造新发展机遇

    1、5G频段增加,迎接Sub-6GHz和mmWave双市场

    5G核心技术主要包括增加基站密度、采用MIMO技术与载波聚合技术、提高频段、高阶调制提高频谱效率等。其技术变化围绕香农定理展开=··2(1++1)其中,C为最大信息传送速率,BW为信道宽度,S为信道内所传信号的平均功率,N为信道内部的高斯噪声功率,S/(N+1)为信噪比,m为传输和接收天线的数量,1/n为基站网络密度。

    为了改善数据传输效果,可分别在以下技术改进:1)降低n值:提高网络密度,增加小型基站数量,减少每个基站的用户数量;2)增加M值:利用MIMO技术,提高MIMO阶数,增加天线发射与接收数量;3)增加BW值:拓宽信道宽度,可以采取增加频段与载波聚合的方式;4)提高信噪比:采用高阶调制提高频谱效率。5G技术的变化促使射频前端价值量的提升,叠加5G时代手机换机带来的数量提升,量价齐升为手机产业链带来戴维斯双击。

    (1)低频段(Sub-6GHz):5G频段增加,天线、射频数量扩增

    5G网络的部署采用两种频段FR1和FR2,FR1是低频段Sub-6GHz(频率范围450MHz-6GHz),特征是传输距离远、覆盖面积大;FR2是高频段mmWave(频率范围24.25GHz-52.60GHz),特征是传输速度快,容量大,但覆盖面积有限。相比于4G,5GNR除了包含部分LTE频段外,同时新增部分频段。根预测,到2020年,5G应用支持的频段数量将实现翻番,新增50个以上通信频段,全球2G/3G/4G/5G合计支持的频段将达到91个以上。

    5G的在我国的布局大致分为三个阶段,4.5G阶段(4G向5G过渡的阶段,NSA与SA网络并存)、5G初步阶段(以Sub-6GHz频段为主的5G阶段)、5G深入阶段(mmWave商用,Sub-6GHz与mmWave共存)。当前我国5G仍处在4GLTE到5GNR的过渡阶段,频段的利用以FR1为主。2018年12月6日,工信部公布了运营商5G试验频率,中国移动分配得到N41、N79频段、中国联通为N78频段、中国电信为N78频段,全网通手机则涵盖N41、N78、N79频段,5G频段数量确定性增加。

    3GPPTS38.213协议中说明,5G波束需满足5个边带(SSB),其中,对于3GHz以下的频段,SSB波束的上限为4个,对于3-6GHz的频段,上限为8个。为满足5G下不同场景高低频段需求,5G天线支持全频段波束赋,5G形成形波束的生成至少需要2个天线阵列。若手机需支持全频段,至少需要4个天线,采用4T4RMIMO技术。而理论上新增一个频段需要配置2个滤波器,频段数量增长将直接驱动天线和滤波器数量大幅增长。

    (2)高频段毫米波(mmW):技术区别低频段,有望广泛应用Aip设计

    毫米波段作为高频段,将以大带宽实现数据的高速传输,还可利用极密的空间复用度来增加容量。传统通信利用基站与手机间单天线到单天线进行电磁波传播,5G时代为满足大容量与高速率的需求,引入波束成形技术,在基站侧采用阵列天线,自动调节各天线发射信号的相位,使手机侧可以收到叠加的电磁波增强信号强度。

    毫米波手机天线有多种应用模式:一个手机对两个基站、一个基站对一个手机、一个基站对几个手机模式等不同应用场景,影响终端手机天线布局。高频毫米波的传输损耗大,因此毫米波手机可能会呈现以下布局特征:一是协同化设计,天线与芯片位置靠近,将天线与射频前端集成化,即采用基于SiP封装的AiP(Antenna-in-Package),减少高频短波下的信号损耗;二是采用两组线性相控阵,可以同时寻找新信号与识别旧信号。因此,5G毫米波手机需要定制,发展进程将位于5GSub-6GHz手机之后,预计在2021年技术成熟后呈现大幅增长态势。

毫米波段AiP封装详情

项目
内容
手机用量
一个手机预计使用3-4个AiP模组,会将射频元件、电源管理芯片、天线进行系统级封装
供应商
高通、三星宣布量产毫米波模组;华为海思与联发科AiP封装仍以Sub-6GHz为主
成本
传统天线价格约1美元,AiP模组价格约是传统天线的18-22倍,其中成本的70%-80%源自封装测试。
材料
低频段RF元件采用化合物半导体如GaAs;毫米波段材料采用GaN-On-SiC、GaN-On-Si等

数据来源:公开资料整理

    目前5G毫米波模组研发技术要求较高,当前高通和三星具备领先优势。2018年7月,高通推出首款面向智能手机的全集成5GNR毫米波及6GHz以下射频模组,即QTM052毫米波天线模组系列和QPM56xx6GHz以下射频模组系列;同年10月,宣布将QTM052毫米波天线模组系列体积缩小25%。以高通QTM052为例,一部5G毫米波手机将集成4个模组以上。另外,三星的5G毫米波设备也成为全球首个通过美国联邦通信委员会(FCC)批准的5G毫米波产品。

    据预测,2021年后毫米波手机将放量,预计截至2025年,手机市场中将存在34%连接5GSub-6GHz网络,20%连接5G毫米波网络(数量预计为5.64亿部)。长远来看,手机端毫米波天线市场空间广阔,提供天线板、转接软板,以及AiP封装的企业将受益其中。

未来手机网络制式变迁过程预测

数据来源:公开资料整理

    2、射频材料低频段以GaAs主导,高频段GaN占优

    5G来临,射频功放材料将以GaAs主导。半导体材料的变迁历程如下:Ge(锗)、Si(硅)——GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)——SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)——SiGe(锗化硅)、SOI(绝缘层上覆硅)——碳纳米管(CNT)——石墨烯(Graphene)。当前射频功放的材料主要集中在第二代化合物半导体材料上。第一代Si材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等特点;第二代半导体材料电子迁移率高,是Si的6倍,具有直接带隙,相较第一代具有高频、高速的性能;第三代半导体原料具有较大的带宽宽度,较高的击穿电压,热导率高,电子饱和速率高,同样适用于制造高频、高温、大功率的射频组件。比较GaAs与GaN,低频领域GaAs可以承受较高工作电压,且GaN目前制造成本依然较高,5GSub-6GHz频段最适用的工艺方案是GaAs;而在毫米波领域,GaN材料凭借适用高频、高输出功率的优势,更适合作毫米波射频器件材料。

三代半导体材料比较

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不同材料工艺在不同频率下的对比

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    在射频器件工艺上,主流射频半导体制造工艺主要有5类,包括GaAs对应工艺、SiGe对应工艺、RFCMOS、UltraCMOS、SiBiCMOS。在手机射频端最常使用的是GaAs对应工艺、SiGe对应工艺。

    GaAs元件早期工艺为MESFET(金属半导体场效应晶体管),而后演变为HEMT(高电子迁移率晶体管)、pHEMT(介面应变式高电子迁移电晶体),目前则演变至

    HBT(异质结双极型晶体管)。HBT组件的功率密度、电流推动能力、线性度超过FET组件,适用于高功率、高效率、高线性度的功率放大器。此外,BT组件可以单电源操作,因此可以简化手机电路设计,适用于射频收发模块的研制。

    SiGe对应的CMOS工艺兼顾Si工艺集成度、良率和成本优势和第三代半导体速度优势,目前已经较为成熟,适用于在6GHz以下低频带。但是CMOS功放版图面积较大,设计复杂因此面临的研发成本也并不低,在线性度、输出功率、击穿电压等性能上仍不及GaAs。

    5G时代,射频PA面临更高的功率、频率及效率要求,Si材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等特点,CMOS工艺已不能满足要求,因此GaAsPA的市场将更加广阔。

常见的PA工艺按材料分类

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    3、模组集成已成趋势,SiP封装减少空间占用

    射频器件按照设备中产品形态分类可分为分立器件和射频前端模组。射频前端模组包括蜂窝式PAMiD(PowerAmplifierModulewithIntegratedDuplexer)、

    PAM(PowerAmplifierModule)、RxDM(ReceiveDiversityModule)、ASM(switchplexer)(AntennaSwitchModule)、Antennaplexers(multiplexer)、

    LMM(Lownoiseamplifier-multiplexermodule)、MMMBPA(Multi-Mode,Multi-BandPowerAmplifier)、mmWFEM等,和连接式WiFiFEM、WiGigFEM等。

    按高通定义,蜂窝式手机射频模组主要可分为两类FEMiD和PAMiD,FEMiD主要包括滤波器、双工器、天线开关,PAMiD则在FEMiD基础上再集成功率放大器。PAMiD相比FEMiD的集成度更高,技术难度也更高。

    受5G核心技术特征影响,手机内部射频器件数量不断提升,资料显示,5G手机滤波器达到70个,CA载波聚合达200个,开关增加至30个。因此,在智能手机有限的空间能布局更多的射频器件成为5G手机时代必须解决的难题,目前全球头部的射频器件厂商Skyworks、Qorvo、Murata、Broadcom、TDK均投入资金研发射频模组,射频模组集成化趋势已具备确定性。

    SiP封装可以实现不同射频器件集成为手机预留空间。SiP(SystemInaPackage,系统级封装)是将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统。SiP与SoC(SystemOnaChip系统级芯片)相对应,SiP是实现SoC封装的基础,SoC是高度集成的芯片产品,SiP则是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式。智能手机内部可以采用SiP封装的部分大约占据一半以上,若实现集成将节约大量空间同时降低手机能耗。

智能手机内部采用SiP封装部分

数据来源:公开资料整理

    (二)、数量驱动:手机市场迎来换机潮,出货量有望回升

    全球智能手机出货量近年来趋稳,但出货结构有所变更,2008年3G商用,2009-2012年3G手机进入高速成长期;2010年4G开始商用,2011-2014年4G手机出货量复合增长率达到200%;预计2020年开始商用,5G手机出货量将迎来高速增长。消费者对移动终端需求大幅上升,源于移动终端已成为集结各项功能的便携设备,且移动数据的传输量与传输速度也在不断提升。2016年全球每月流量为960亿GB,其中智能手机流量占比为13%;预计2021年,全球每月流量将达到2780亿GB,其中智能手机流量占比亦大幅提高到33%。据预测,20205G智能手机出货量将占智能手机总出货量的8.9%,达到1.235亿部;到2023年全球5G手机的市占率将达到26%,年复合增长率23.90%。目前,中国已有15款5G手机获得进网许可证,包括华为的5款,vivo3款,OPPO2款;中兴、三星、中国移动终端、小米、万普拉斯各有一款手机入网。

IDC对5G手机市占率的预测

数据来源:公开资料整理

手机上网流量比例不断提升

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    全球移动终端出货量

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    (三)、价格驱动:智能手机中射频前端价值占比逐步提升

    4G方案的射频前端芯片数量与整体价值相比2G/3G方案存在明显增长, 2G制式手机中射频前端芯片的价值为0.9美元,3G制式智能手机中射频前端芯片价值为3.4美元,支持区域性4G制式的智能手机中射频前端芯片的价值达到6.15美元,高端LTE智能手机中射频芯片价值为15.30美元。随着5G商用临近,预计5G制式下智能手机内射频前端芯片价值将继续上升,5G低频段单机手机射频芯片价值预计达32美元,毫米波单机手机射频芯片价值预计达38.50美元。

射频芯片价值变迁

数据来源:公开资料整理

    数据显示,移动设备以WiFi连接部分整体射频前端市场规模将从2017年150亿美元增长到2023年350亿美元,年复合增长率达到14%。其中作为射频前端最大市场的滤波器从2017-2023年将几乎增长3倍,复合增长率达到19%;市场份额第二的功率放大器将复合增长7%。

2017-2023年射频前端市场复合增长率预计为14%

数据来源:公开资料整理

    具体看射频前端细分市场分布,2017到2023年间,滤波器市场占比最大将达到66%,功放PA占比略降达到21%,前两者比例之和接近90%,其余开关、天线调谐、LNA、毫米波模组市场占比在9%、3%、2%、1%。

射频前端市场分布

数据来源:公开资料整理

    (三)、射频为寡头垄断市场,关注细分突破口

    1.手机射频前端市场潜力巨大

    5G时代对于设备的性能提出了更高的要求,因此射频器件的成本和所需数量都会得到提升。数据显示,5G时代单部手机的射频器件成本将由4G时期的18美元上升至25美元;而射频器件的数量方面都有较大提高,例如单部手机滤波器数量从4G时代的40个上升至5G时代的70个左右,频带从15个增加至30个,接收机发射机滤波器从30个增加至75个,射频开关从10个增加至30个,载波聚合从5个增加至200个等等。

    2017年手机射频器件全球总市场为150亿美元,随着5G的发展,将在2023年达到350亿美元,年复合增长率CAGR预计为14%。

    其中射频滤波器(Filters)全球市场将在2023年达到225亿美元,CAGR为19%;射频天线调谐器(Antennatuners)将达到10亿美元,CAGR为15%;射频开关(Switches)将达到30亿美元,CAGR为15%;射频功率放大器(PA)将达到70亿美元,CAGR为7%;射频低噪声放大器(LNAs)将达到6.02亿美元,CAGR为16%;而随着5G时代的到来,5G毫米波射频前端(mmWFEM)将从0增长至4.23亿美元。

2017-2023年MARKETOUTLOOK

数据来源:公开资料整理

    而按照不同网络制式拆分来看,数据显示,5G射频前端全球市场规模将会从2018年的0增长至2022年的55亿美元,而LTEAdvanced射频前端市场规模将会从2018年的25亿美元增长至至2022年的70亿美元,2G/3G/4G的射频前端市场规模将会从2018年的110亿美元下降至2022年的85亿美元。

2017-2022年手机射频前端市场规模情况(亿美元)

数据来源:公开资料整理

    2、整体市场由国外厂商寡头垄断,国内技术待突破

    现阶段,全球射频前端芯片市场主要被欧美日等厂商垄断,前五大公司Skyworks(25.5%)、Qorvo(19.4%)、Qualcomm(18.7%)、Broadcom(18.3%)、Murata(5.1%)市场份额合计约87%,国内手机终端厂商多进口国外射频器件。根据2015年5月国务院发布的《中国制造2025》,“到2020年,40%的核心基础零部件、关键基础材料实现自主保障”,“到2025年,70%的核心基础零部件、关键基础材料实现自主保障”,提出中国的芯片自给率要不断提升。在这一过程中,射频前端芯片行业因产品广泛应用于移动智能终端,行业战略地位将逐步提升,国内的射频前端芯片设计厂商亦迎来巨大发展机会,在全球市场的占有率有望大幅提升。

射频前端全球五大供应厂商

公司
英文名
称国家
2018年营业收入
2018年射频产品收入
射频收入占比
详情
思佳讯
Skyworks
美国
38.68
38.68
100%
模组、滤波器、PA、开关、LNA、调谐
威讯联合
Qorvo
 
美国
29.74
21.81
73%
模组、滤波器、PA、开关、LNA、调谐
高通
Qualcomm
美国
227.32
全资收购RF360,射频销售约翻倍
-
模组、滤波器、PA、开关、LNA、调谐
博通
Broadcom
美国
208.48
64.90
31%
模组、滤波器、PA、开关、LNA、调谐
村田
Murata
日本
129.42
37.26
29%
模组、滤波器、PA、开关、LNA

数据来源:公开资料整理

全球与国内主要射频器件供应商

射频器件
英文名称
全球主要厂商与市占率
国内相关供应商
滤波器
Filter
SAW滤波器:Murata(47%)、TDK(21%)、太阳诱电(14%)、Skyworks(10%);BAW滤波器:Broadcom(87%)、Qorvo(8%)
麦捷科技、中电科26所、德清华莹(中电科55所、信维通信)、好达电子、天津诺思、云塔科技
功放
PA
Skyworks(43%)、Qorvo(25%)、Broadcom(25%)
海威华芯(海特高新)、三安集成(三安光电)、中科汉天下、唯捷创芯、紫光展锐、国民飞骧、慧智微、宜确半导体(长盈精密)
射频开关
Switch
kyworks(33%)、Qorvo(20%)、Murata(14%)、Broadcom(10%)、卓胜微(5%)
卓胜微、唯捷创芯、锐迪科、中普微(韦尔股份)、德清华莹、
低放
LNA
Broadcom(16%)、ONSemiconductor(12%)、Infineon(9%)、TI(8%)、NXP(7%)
卓胜微、唯捷创芯、锐迪科

数据来源:公开资料整理

    3、射频前端与天线细分市场格局

    3.1滤波器市场现状

    滤波器是射频前端中份额占比最高的器件,达50%以上。滤波器的技术复杂,虽然当前射频前端的发展趋势均是趋向高集成化,但滤波器不受到器件标准化的影响,高性能滤波器可以保证无线信号满足通信协议对干扰的要求。滤波器的完成需要芯片设计与成熟工艺的协同优化,因此厂商需要较高的人员、设备投入与高昂的时间成本。

    目前全球SAW和BAW滤波器市场均被国际巨头垄断。在SAW滤波器市场,前五大厂商(Murata、TDK、TAIYOYUDEN、Skyworks、Qorvo)占据了95%的全球市场;而在BAW滤波器市场中,仅Broadcom-Avago一家就占据了87%的全球市场份额,而且全球市场均被国外大厂垄断。目前国内尚无大批量生产和出货的射频滤波器的企业。

全球SAW滤波器市场份额情况

数据来源:公开资料整理

全球BAW滤波器市场份额情况

数据来源:公开资料整理

    SAW滤波器可满足约1.5GHz以内的频率使用,BAW滤波器则可应用于更高频率。SAW滤波器无法满足高频段的使用条件,因此BAW滤波器成为市场新焦点,是未来5G时代发展的主要方向,但是技术难度也较大,因此国内厂商目前主要布局还是在SAW滤波器,BAW滤波器还处于研发阶段。

    目前国内布局SAW滤波器的企业有麦捷科技、瑞宏科技、信维通信、中电德清华莹、华远微电、无锡好达电子等,虽取得一定进展,但在大批量生产和出货能力方面仍有追赶空间。但是由于射频芯片市场的投入相对较小,因此是一个很好的尝试点和突破口,国产滤波器有望实现突破。

    我国当前有部分基站SAW滤波器的IDM供应商近年来开始进军终端市场,如好达电子、德清华莹;也有部分fabless厂商切入SAW滤波器领域,如麦捷科技、中电26所、卓胜微等。但在BAW滤波器领域,受制于工艺与设计的双重难度,国内厂商实现突破的难度较大,目前国内只有中电26所和天津诺思有较完整工艺线。

国内滤波器公司详情

公司
详情
麦捷科技
2016年增发募资用于LTCC基板的SAW生产项目,预计项目建成后,年产滤波器9.4亿只,达产后预计年均实现销售收入3.87亿元,年均实现净利润5806万元。公司的主要客户为中兴、华为、联想、小米、冠捷、TCL、长虹、酷派、魅族、康佳等国内一流企业。
中电科26所
同时具有SAW,TC-SAW,FBAR研发和生产的单位。通过与麦捷科技的股权交易,重点在布局手机滤波器市场开发。
德清华莹(中电科55所、信维通信)
已具备8000万只SAW滤波器的年产能。
好达电子
拥有国内最大、最先进的SAW滤波器,核心业务为SAW滤波器、双工器、谐振器。
天津诺思
推出2.6G194MHZ带宽滤波器—RSFP2602D(适用于5GNRn41频段)和3.5G200MHz带宽滤波器—RSFP3500D(适用于5GNRn78频段)。
云塔科技
推出了国内首颗自主研发的5GNRn77频段、n78频段、n79频段三款滤波器芯片。

数据来源:公开资料整理

    3.2PA市场现状

    功率放大器在射频前端价值占比位列第二,份额在30%左右,全球市场主要由Skyworks(43%)、Qorvo(25%)、Broadcom(25%)三大射频器件龙头覆盖。虽然多模多频将减少功放的用量,但是5G建设下,高频与超高频的PA市场具备较高价值,2G/3G市场空间缩小,5G市场扩大未来将趋向于量价齐升。

全球PA器件市场格局

数据来源:公开资料整理

中国手机终端GaAsPA市场规模预测

数据来源:公开资料整理

    我国也存在一批经营PA业务的厂商,主要有紫光展锐、中科汉天下、唯捷创芯、苏州宜确半导体、国民飞骧、广州慧智微电子等。但国产PA厂商也大多采用Fabless模式,以芯片设计为主,且产品主要集中在市场中低端,所占市场份额仍较小。

    据预测,功率放大器市场预计将从2018年的214亿美元增长到2023年的306亿美元,复合年增长率达到7.4%。GaAs工艺PA市场扩大,据预测,随着5G智慧型手机渗透率逐渐提升,国内手机GaAsPA市场将从2019年的18.76亿美元增长到2023年的57.27亿美元,年复合增长率达到19.17%,高于PA整体市场增长率。

    具体分析国内GaAsPA厂商,主要可以分为三类,IDM、Fabless、晶圆代工企业,其中,比较突出的包括海威华芯、三安集成、汉天下、唯捷创芯、紫光展锐、国民飞骧、慧智微等。虽然国内厂商竞争力仍较弱,但已有部分厂商进入国内终端产业链,伴随着国内政策支持,研发环境改善,国产自主可控概念的不断加强,厂商生产线有望趋向高端化,向国际厂商靠近。

国内PA厂商详情

公司
详情
海威华芯
已发布0.15um砷化镓工艺,适用于20GHz以下领域,2025年GaAs和GaN合计产能10万片/月。
三安集成
规划产能30万片/年的砷化镓高速半导体外延片,30万片/年的砷化镓高速半导体芯片
中科汉天下
国内2G/3GPA主流厂商,4GPA与IDH和品牌客户合作,年出货量超7亿颗唯捷创芯4GPA进入小米供应链紫光展锐以展锐平台手机客户为主,产品包括2G/3G/4G基带芯片、PA和滤波器
国民飞骧
3GPA与国内品牌和IDH合作;4G供应小米低端产品,已拥有完整4G射频方案;5GPA开始研发慧智微全球首家量产可重构MIMO射频前端芯片,特色是重构SOI+GaAs工艺

数据来源:公开资料整理

    (四)、射频开关和LNA:未来市场空间广阔

    由于移动通讯技术的变革,智能手机需要接收更多频段的射频信号,对于射频开关的需求也随之提升。2011年及之前智能手机支持的频段数不超过10个,而随着4G通讯技术的普及,至2016年智能手机支持的频段数已经接近40个;因此,移动智能终端中需要不断增加射频开关的数量以满足对不同频段信号接收、发射的需求。

    2010年以来全球射频开关市场经历了持续的快速增长,2018年全球市场规模达到16.54亿美元,随着5G商业化的推进,预计2020年市场规模将达到22.90亿美元。

    2018-2023年间,全球射频开关市场规模的年复合增长率预计达16.55%。

2010-2020年全球射频开关市场规模及增长走势

数据来源:公开资料整理

    随着移动通讯技术的变革,移动智能终端对信号接收质量提出更高要求,需要对天线接收的信号放大以进行后续处理。一般的放大器在放大信号的同时会引入噪声,而射频低噪声放大器能最大限度地抑制噪声,因此得到广泛的应用。

    据统计,2018年,全球射频低噪声放大器(LNA)市场规模已达14.21亿美元。随着4G的普及,智能手机中天线和射频通路的数量增多,对射频低噪声放大器的数量需求迅速增加,因此预计在未来几年将持续增长,到2020年,其市场规模将在5G商业化建设迎来发展高峰,在2023年达17.94亿美元。

2010-2020年全球射频低噪声放大器(LNA)市场规模及增长走势

数据来源:公开资料整理

本文采编:CY315

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