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2023年中国手机射频前端行业市场空间测算:预计超300亿美元[图]

2019年12月10日 14:16:38字号:T|T

    科技进步永不停止,基于满足人类交互沟通需求的通信技术迭代在迎来5G之际,基础通信设施的建设无疑是未来几年拉动相关半导体行业成长的动能之一。射频前端是无线连接的核心,随着5G支持的频段数量的增多,单个移动终端射频前端的数量和价值量也会迎来显著增长,未来射频前端市场增长空间广阔。

    一、射频半导体行业现状

    (一)、射频前端芯片市场竞争格局有望改变

    1、射频前端:无线连接的核心

    终端设备的无线通信模块主要分为天线、射频前端模块(RFFEM)、射频收发模块、以及基带信号处理器四部分。其中射频前端是无线连接的核心,是在天线和射频收发模块间实现信号发送和接收的基础零件。

    射频前端芯片主要是实现信号在不同频率下的收发,包括射频功率放大器(PA)、射频低噪声放大器(LNA)、射频开关、滤波器、双工器等。目前射频前端芯片主要应用于手机和通讯模块市场、WiFi路由器市场和通讯基站市场等。

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

    射频前端芯片市场规模主要受移动终端需求的驱动。近年来,随着移动终端功能的逐渐完善,手机、平板电脑等移动终端的出货量持续上升,而射频前端的市场规模也随之上升。据统计,包含手机、平板电脑、超极本等在内的移动终端的出货量从2012年的22亿台增长至2017年的23亿台,预计未来保持稳定。

2012-2019年全球移动终端出货量(百万台)

数据来源:公开资料整理

    终端消费者对移动智能终端需求大幅上升的原因,主要是移动智能终端已经成为集丰富功能于一体的便携设备,通过操作系统以及各种应用软件满足终端用户网络视频通信、微博社交、新闻资讯、生活服务、线上游戏、线上视频、线上购物等绝大多数需求。

    随着5G商业化的逐步临近,5G标准下现有的移动通信、物联网通信标准将进行统一,因此未来在统一标准下射频前端芯片产品的应用领域会被进一步放大。同时,5G下单个智能手机的射频前端芯片价值亦将继续上升,预计未来射频前端市场也会继续保持增长。

    据统计,从2010年至2018年全球射频前端市场规模以每年约13%的速度增长,2018年达149.10亿美元,未来将以13%以上的增长率持续高速增长,2020年接近190亿美元。

    目前正是4G网络向5G网络转型升级的阶段,未来全球射频前端市场规模将迎来大规模扩张。预计2023年全球射频前端市场规模将增长至313.10亿美元。

2010-2020年全球射频前端市场规模及增长走势(亿美元、%)

数据来源:公开资料整理

    2018年全球RFFEM(射频前端模块)消费量为96亿个,预计未来随着5G的不断发展,2023年全球RFFEM消费量将增长至135亿个。

2018年全球RFFEM(射频前端模块)市场情况

数据来源:公开资料整理

2023年全球RFFEM(射频前端模块)市场情况

数据来源:公开资料整理

    射频器件主要包括射频开关和LNA,射频PA,滤波器,射频天线调谐器和毫米波FEM等。2017年全球射频器件市场中,滤波器市场占比约53.3%,射频PA市场占比约为33.3%,而射频开关约为6.7%,射频天线调谐器约为3.1%,LNA约为1.6%。

    2、滤波器

    滤波器主要是通过电容、电感、电阻等元件组合移除信号中不需要的频率分量,保留所需要的频率分量,传输特定的筛选后的信号,消除频带间相互干扰。目前手机中常用的滤波器包括声表面波滤波器(SurfaceAcousticWaveFilter,SAWFilter)、体声波滤波器(BulkAcousticWaveFilter,BAWFilter)和薄膜腔声谐振滤波器(FilmBulkAcousticResonator,FBAR)。

    SAW是一种沿着固体表面传播的声波。一个基本的SAW滤波器由压电材料(piezoelectricsubstrate)和2个InterdigitalTransducers(IDT)组成。电信号通过IDT转为声波,声波通过IDT又转为电信号。这一过程主要是依赖压电材料,压电是指晶体在收到外部压力时会产生电压,相反地,晶体两面存在电压时,形状会发生微变。

    SAW的频率与速率成正比,与IDT电极间间距成反比。当间距越小是,电流密度大会产生电迁移和发热等问题,因此SAW滤波器不太适合2.5GHz以上的频率。另外,SAW滤波器易受到温度变化影响,温度升高时,基片材料刚度将变小、声速降低,因此替代方法是温度补偿滤波器(TC-SAW),通过在IDT结构上增加涂层改善性能,使其在温度升高时,刚度会增加BAW滤波器采用石英晶体作为基板,声波垂直传播。基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜(Quartzsubstrate在2GHz下厚度为2um),声波在压电薄膜里震荡形成驻波(standingwave)。板坯厚度和电极质量(mass)决定共振频率。

    BAW滤波器适用于高频(1.5GHz以上有优势),且尺寸会随频率升高而缩小,对温度变化不敏感,拥有极低损耗与陡峭的滤波器裙边。其工艺与成本比SAW/TC-SAW复杂,价格也更高昂,其压电层的厚度必须在几微米量级,因此,要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结FBAR不同于以前的滤波器,是使用硅底板、借助MEMS技术以及薄膜技术而制造出来的,包括硅反面刻蚀型(Membranetype)和空气隙型(Airgaptype)。

    硅反面刻蚀型是基于MEMS的体硅(Si)微加工技术(bulkmicromachining),将Si片反面刻蚀。在压电震荡堆的下表面形成空气——金属交界面,从而限制声波于压电震荡堆之内。它类似于BAW滤波器的基本结构,两面都是空气,空气的声波阻抗远低于压电层的声波阻抗,因此大部分声波都会反射回来。此技术的缺点是由于大面积移除Si衬底,导致机械牢度降低;另外,相比BAW滤波器较少部分跟底下基层接触,不方便散热。

    空气隙型是基于MEMS的表面微加工技术(surfacemicromachining),在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气——金属交界面。

    FBAR具有体积小、工作频率高、效率高、插入损耗低、带外抑制大、高Q、大功率容量、低温度系数以及良好的抗静电冲击能力和半导体工艺兼容性等优点。

    FBAR滤波器与传统介质滤波器和SAW滤波器相比,能具备更完善的功率处理能力、减少插入损耗和选择度特性。FBAR是目前唯一可以与RFIC以及MMIC集成的射频滤波器解决方案,且能以更低的价格提供更有益的性能,具有较强的市场竞争力。在未来的无线通信系统和无线接入领域,FBAR滤波器市场前景广阔。

    随着手机的频段不断增加,所需滤波器的需求量也成正比上升。Skyworks预计2020年5G应用支持的频段数量将翻番,新增50个以上通信频段,全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段将达到91个以上。频段数上升将带来射频滤波器使用数量增多。理论上每增加一个频段需增加2个滤波器。由于滤波器集成于模组,二者并不是简单的线性增加的关系。

    在5G时代为了实现高带宽,载波聚合技术的路数必须上升。载波聚合技术是指使用多个不相邻的载波频段,每个频段各承载一部分的带宽,这样总带宽就是多个载波带宽之和。目前载波聚合技术在4G已经得到了广泛应用。载波聚合路数的上升也意味着频带数量的上升,从而催生出对更多滤波器的需求。

    因此,滤波器市场仍然由美日厂商主导,短期内难以突破。SAW滤波器市场主要由Murata(47%)、TDK(21%)、太阳诱电(14%)、Skyworks(10%)四大厂商主导;BAW滤波器则主要由Broadcom(87%)、Qorvo(8%)垄断。

SAW滤波器市场格局

数据来源:公开资料整理

BAW滤波器市场格局

数据来源:公开资料整理

    我国国内滤波器市场严重供小于求,产需不匹配。我国是全球最大的SAW滤波器消费市场,2018年市场规模达到154.8亿元,同比增长4.97%,消费量为151.2亿只,但产量仅为5.04亿只。5G浪潮下,滤波器需求有望在2020左右达到顶峰,随后逐渐下降,但产量将伴随技术投入的不断增加稳步增长,预计到2025年中国SAW滤波器产量可以达到28.02亿只,消费量超过155亿只,供需失衡空间缩小。

    我国SAW滤波器供需变化(预测)

数据来源:公开资料整理

    3、射频PA:国外巨头占据主导地位

    射频功率放大器(PA)是射频系统的关键模块,它需要把发射机的低功率信号放大到足够大,才能满足通讯协议的要求。PA直接决定了手机无线通信的距离、信号质量,甚至待机时间,是射频系统中的重要部分。

    随着无线通讯协议的发展,数据率越来越高,同时无线调制方式也越来越复杂,手机频段持续增加,PA的数量也随之增加。4G多模多频手机所需PA芯片5~7颗,预计5G时代手机内的PA或多达16颗。2017年全球射频PA市场为50亿美元,预计随着5G的推广,2023年射频PA全球市场将达到70亿美元,CAGR为7%。
全球PA市场绝大部分份额被Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata占据,合计市场份额为96%。

全球PA市场份额

数据来源:公开资料整理

    国内的射频PA厂商也正在兴起。国内的射频PA设计公司(Fabless)有近20家,主要有汉天下、唯捷创芯、紫光展锐等。国内晶圆代工厂商主要有三安光电、海特高新等,国产射频PA有望实现突破。

    3.3开关与LNA市场现状

    射频开关与LNA在射频前端的份额占比合计大约在10%,技术难度相对于滤波器和PA难度有所下降,份额占比较为稳定。全球射频开关市场近年来一直稳健增长,2018年全球市场规模达到16.54亿美元,2020年射频开关市场规模预计达到22.90亿美元,并随着5G的商业化建设迎来增速的高峰,此后增长速度将逐渐放缓。2018年至2023年,全球市场规模的年复合增长率预计将达到16.55%。

全球射频开关市场规模及预期变化

数据来源:公开资料整理

    过去,全球射频开关的主要市场被海外公司占领,包括Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata等。国内的公司经营射频开关业务的则有卓胜微、锐迪科、唯捷创芯、韦尔股份等。但近年来,卓胜微明确主营方向,清晰布局,在射频开关领域份额不断增长,2017年市占率排名全球第五,占比5%,为国内第一大射频开关设计公司,产品主要应用于三星、小米、华为、vivo、OPPO、联想、魅族、TCL等知名设备商。

全球射频开关市场格局

数据来源:公开资料整理

全球LNA市场格局

数据来源:公开资料整理

    LNA的市场增长同样受天线、射频通路数量增加驱动。2018年全球射频低噪声放大器收入为14.21亿美元,伴随5G的商业化建设逐步落地,LNA市场将在2020年迎来增速的高峰,达到7.12%,预计到2023年市场规模将达到17.94亿美元。

全球LNA市场规模及预期变化

数据来源:公开资料整理

    LNA市场集中度相比射频开关要分散得多,行业前五大企业分别为Broadcom、ONSemiconductor、Infineon、TI、NXP,市场CR5为52%。国产LNA厂商中主要以卓胜微为主,2017年市场份额为1.3%,而唯捷创芯、国民飞骧和锐迪科等以射频前端模块产品提供为主,LNA纯器件产品较少。国产LNA厂商卓胜微在此领域仍在不断开拓,近年LNA业务收入占比提升,2019年上半年营业收入1亿元,已经超过2018年LNA全年收入,业务占比达19.42%。

    5、射频前端市场:国外大厂垄断,国内厂商突围

    现阶段,全球射频前端芯片市场主要被国外大厂占据。射频前端芯片的主要欧美日传统大厂包括Broadcom、Skyworks、Qorvo、Murate等。全球射频前端市场集中度较高,前四大厂商合计占据全球85%的市场。

全球射频前端市场份额情况

数据来源:公开资料整理

    从国际竞争力来讲,国内的射频设计水平还处在中低端。例如国内的PA和射频开关相关厂商,射频芯片厂商销售额大约3亿美金。全球PA和开关射频产品需求金额大约60亿美金。可见,国内厂商依然在起步阶段,市场话语权有限;滤波器方面,国内厂商销售总额不到1亿美金,全球市场需求在90亿美金。

    国内射频芯片产业链已经基本成熟,从设计到晶圆代工,再到封测,已经形成完整的产业链。而行业内也涌现出了一批射频前端新兴企业,例如锐迪科、国民飞骧、唯捷创芯、韦尔股份、卓胜微等。

    (二)、5G应用场景丰富,手机终端机会先临

    5G具备三大应用场景:增强移动宽带(eMBB)、海量物联网业务(mMTC)、超高可靠性与超低时延业务(uRLLC)。其中,eMBB是以“人”为中心的应用场景,变现为超高的传输数据速率,广覆盖下的移动性保证,支持高清视频应用;mMTC场景下数据速率较低、时延不敏感,但连接覆盖面广,促进智慧城市、智慧家居等的发展;uRLLC场景下连接时延达到1ms级别,支持高速移动500km/h下高可靠性99.99%的连接,适用于工业控制、车联网、远程医疗等应用。

    5G技术在数据传输速率、移动性、传输时延及终端连接数量等具备优势,将进一步推动万物互联。其8个技术指标相比4G有所跃升,包括峰值速率(5G-20GbpsVS4G-1Gbps)、用户体验速率(5G-100MbpsVS4G-10Mbps)、频谱效率(5G-3xVS4G-1x)、流量密度(5G-10Mb/s/mVS4G-0.1Mb/s/m)、移动性(5G-500km/hVS4G-350km/h)、网络能效(5G-100xVS4G-1x)、连接密度(5G-100万终端VS4G-10万终端)和时延性(5G-1msVS4G-10ms)。据预测,2020-2035年全球5G产业链投资将达到3.5万亿美元,中国占比约30%,达1.05万亿美元。全球行业受5G驱动将创造超12万亿美元的销售额,涵盖制造、信息通信、批发零售、基础设施等多个行业。

    在5G建设上,方向大体呈现为基站建设—手机等终端设备—智能物联应用。当前全国已经开始如火如荼开展5G宏基站与微基站的建设,2019-2025年预计以5GNSA网络为主,2025年起以5GSA网络为主,建设过程循序渐进,发展周期较长。终端侧,5G初代手机也已在2019年陆续上市。截至2019年11月已发售5G手机9款,包括三星GalaxyNote10+5G、华为Mate20X5G、华为Mate30/30Pro5G、华为MateX5G、中兴天机Axon10Pro5G、vivoiQOOPro5G、vivoNEX35G、小米9Pro5G、OPPOReno5G。但目前5G手机均只使用Sub-6低频段,除华为Mate305G基带芯片支持NSA和SA双模式外,其余手机仅支持NSA模式。未来随着5G网络由低频段拓宽至毫米波段,由NSA过渡到SA,5G手机将迎来更大的换机空间。移动通讯技术的不断变革与配套射频前端芯片的性能的优化,将不断推动移动数据传输量和传输速度的提高,射频前端的重要性不言而喻。

    二、5G赋能射频前端产业

    射频前端芯片是移动智能终端产品的核心组成部分,追求低功耗、高性能、低成本是其技术升级的主要驱动力,也是芯片设计研发的主要方向。

    射频前端芯片与处理器芯片不同,后者依靠不断缩小制程实现技术升级,而作为模拟电路中应用于高频领域的一个重要分支,射频电路的技术升级主要依靠新设计、新工艺和新材料的结合。

    由于5G时代对用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和峰值速率等提出了更高的要求,所以对射频前端芯片也提出了更高的要求,只有抓住了新工艺和新材料等关键升级路线,才能享受5G时代带来的高速增长红利。因此应该重点关注射频前端的新材料氮化镓(GaN)和前沿的封装技术SiP/AiP。

    (一)、氮化镓:未来5G射频前端新秀

    1、氮化镓:性能优异的第三代半导体材料

    1.第一阶段是以Si、Ge为代表的第一代半导体材料

    2.第二阶段是以GaAs、InP等化合物为代表的第二代半导体材料

    3.第三阶段是以GaN、Sic、ZnSe等宽禁带半导体材料为主的第三代半导体材料

    其中,第三代半导体材料具有很多优异于第一和第二代半导体材料的性能特点:第一,具有较大的禁带宽度,较高的击穿电压,耐压性能较好,更适合应用大功率领域;第二电子饱和速率较高,弥补了电子迁移率的缺陷;第三高温性能良好,减少了附加散热系统的设计成本;第四,发展前景广阔,在高频、高温、大功率等领域有很大发展潜力。因此氮化镓(GaN)凭借其优异的性能而成为目前研究的热点内容。

    正是由于氮化镓优异的性能,目前氮化镓已经成为射频器件(RF)、LED和功率器件等的应用热点,尤其是氮化镓同时可以满足高功率和高频率的特点,并且在高频下拥有更高的功率输出和更小的占位面积,目前已经成为射频器件应用的热点和最优选择之一。

    当前基站与无线回传系统中使用的大功率射频器件(功率大于3瓦),主要有基于三种材料生产的器件,即传统的LDMOS(横向扩散MOS)、砷化镓(GaAs),以及新兴的氮化镓(GaN)。

    据预测,未来5到10年,砷化镓在大功率射频器件市场上所占比例基本维持稳定,但LDMOS与氮化镓将呈现出此消彼长的关系。2025年,LDMOS占比将由现在的40%左右下降到15%,而氮化镓将超越LDMOS和砷化镓,成为大功率射频器件的主导工艺,占比到2025年可达45%左右。

    氮化镓是拥有宽禁带的材料,其禁带宽度(3.4eV)是普通硅(1.1eV)的3倍,击穿电场是硅材料的10倍,功率密度高,可以提供更高的工作频率、更大的带宽、更高的效率,可工作环境温度也更高。由于成本优势,LDMOS在低频仍有生存空间,但氮化镓已经在向低频渗透,例如在2.6GHz频段,也开始出现氮化镓方案。

    由于工艺输出功率特性限制,LDMOS在3.5GHz及以上频率不能提供足够大的功率,所以从3.5GHz到未来的毫米波,高频应用中氮化镓不是去替代LDMOS,而是开辟全新的市场空间。氮化镓拥有全面的优势,无论是带宽、线性度、增益还是效率,硅器件都无法与氮化镓竞争。

    预计2018年开始GaN的出货量将超过LDMOS,通信市场氮化镓的应用前景广阔。

    预计2018年开始GaN的出货量将超过LDMOS

2013-2020年GAN的出货量情况

数据来源:公开资料整理

    随着通信技术不断向高频演进,氮化镓是必然的选择。因为需要更大的带宽,更好的线性度,5G和高频化应用,让氮化镓大有用武之地。在5G时代,未来一台基站里面就要用几百个PA(功率放大器),而5G的基站部署数量将呈指数形式增长,所以在5G时代,射频器件产业将比以往大得多。

    2、硅基氮化镓(GaN-on-Si):最有前景的衬底技术

    目前来看,GaN主要有三种类型的衬底,分别是硅基、碳化硅(SiC)衬底和金刚石衬底。

    金刚石衬底氮化镓(GaN-on-Diamond):制造较为困难,但是优势明显:在世界上所有材料中金刚石的热导率最高(因此最好能够用来散热)。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来,可以实现非常接近芯片的有效导热面。

    碳化硅衬底氮化镓(GaN-on-SiC):这是射频氮化镓的“高端”版本,SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品,可提供其他出色特性,可确保其在最苛刻的环境下使用,但是成本相对较高。

    硅基氮化镓(GaN-on-Si):这种方法比另外两种良率都低,不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此,它可以以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术,从而实现对现有市场份额的替代。

    GaN-on-SiC目前主导了RFGaN行业,已渗透到4GLTE无线基础设施市场,预计将部署在5Gsub-6Ghz的RRH架构中。与此同时,经济高效的LDMOS技术也取得了显著进步,可能会对5Gsub-6Ghz有源天线和大规模多输入多输出(MIMO)应用中的GaN解决方案发起挑战。不过,这可能需要以降低效率为代价,从而带来功耗的增加,对于5G的大规模部署来说是不可持续的。

    GaN-on-SiC是以性能为导向的,而GaN-on-Si作为潜在的挑战者是以成本为导向的,并且可以满足更大的出货量需求。据预计,GaN-on-Si可以基于全球现有的低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂实现更快的大规模量产,硅基氮化镓器件工艺能量密度高、可靠性高,晶圆可以做得很大,目前在8英寸,未来可以做到10英寸、12英寸,晶圆的长度可以拉长至2米。

    硅基氮化镓器件具有击穿电压高、导通电阻低、开关速度快、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势。针对RF产品更易于扩展,未来GaN-on-Si将广泛应用于手机、射频器件、VSAT等领域。随着5G技术的不断推进和渗透率的不断提升,YOLE预计未来GaN-on-Si的市场份额将超过GaN-on-SiC。

    3、氮化镓:未来市场空间广阔

    2015年氮化镓射频器件的市场规模为2.98亿美元,主要应用领域为无线终端,占比为54.6%,YOLE预计,随着5G的不断发展,氮化镓射频器件的市场规模也会随之增长,预计在2022年氮化镓射频器件的全球市场规模为7.55亿美元,年复合增长率CAGR为14%,其中无线终端的占比将进一步上升至59.6%。

2015、2022年氮化镓射频器件市场应用领域占比情况

数据来源:公开资料整理

    2012年射频功率放大器市场中,LDMOS市场有率为第一,占比为71%,而GaN为13.2%,到了2018年,LDMOS市场占有率下降为57.6%,GaN上升至第二名,占比为34.2%,GaN发展势头良好,预计在5G时代GaN的市场占比将进一步上升。

2018年射频功率放大器市场占有率分布情况

数据来源:公开资料整理

    未来射频前端市场,尤其是GaN射频前端市场的应用主要是无线终端,包括5G智能手机和基站。而根据过去30年从2G到5G的发展历程来看,一般一代通信技术需要10年的时间来演进,这包括了两代通信技术之间较长的转换期,而目前正处于Pre-5G的阶段,预计5G时代的真正到来将在2020年之后,那个时候将迎来市场的高峰。

    预测,2019年将会有第一批5G智能手机上市,随后5G智能手机市场出货量将迅速上升,预计将在2025年达到15亿台,而射频前端市场尤其是GaN射频前端市场也会随之迅速增长。

2018-2025年5G智能手机出货量走势

数据来源:公开资料整理

    基站市场方面, 2018年全球GaN基站市场为34亿元人民币,而中国GaN基站市场为17亿元人民币;预计到2024年,全球GaN基站市场将增长至98亿元人民币,而中国GaN基站市场将达到59亿元人民币。

    (一)、SiP+Antenna封装:未来5G新趋势

    1、SiP是超越摩尔定律的必然选择路径

    根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义:SiP为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。

    从架构上来讲,SiP是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。与SOC(片上系统)相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而SOC则是高度集成的芯片产品。

    摩尔定律确保了芯片性能的不断提升。众所周知,摩尔定律是半导体行业发展的“圣经”。在硅基半导体上,每18个月实现晶体管的特征尺寸缩小一半,性能提升一倍。在性能提升的同时,带来成本的下降,这使得半导体厂商有足够的动力去实现半导体特征尺寸的缩小。这其中,处理器芯片和存储芯片是最遵从摩尔定律的两类芯片。以Intel为例,每一代的产品完美地遵循摩尔定律。在芯片层面上,摩尔定律促进了性能的不断往前推进。

    PCB板并不遵从摩尔定律,是整个系统性能提升的瓶颈。与芯片规模不断缩小相对应的是,PCB板这些年并没有发生太大变化。因为PCB的限制,使得整个系统的性能提升遇到了瓶颈。例如内存输出位宽等于处理器和内存之间的连线数量,在十年间受到PCB板工艺的限制一直是64bit没有发生变化。所以想提升内存带宽只有提高内存接口操作频率。这就限制了整个系统的性能提升。

    SIP是解决系统桎梏的胜负手。把多个半导体芯片和无源器件封装在同一个芯片内,组成一个系统级的芯片,而不再用PCB板来作为承载芯片连接之间的载体,可以解决因为PCB自身的先天不足带来系统性能遇到瓶颈的问题。

    SiP不仅是简单地将芯片集成在一起。SiP还具有开发周期短;功能更多;功耗更低,性能更优良、成本价格更低,体积更小,质量更轻等优点,代表了未来的发展方向。

    2、SiP——为智能手机量身定制,已获广泛应用

    SiP的应用非常广泛,主要包括:无线通讯、汽车电子、医疗电子、计算机、军用电子等。应用最为广泛是无线通讯领域。

SiP的应用领域产值占比

数据来源:公开资料整理

    目前SiP应用比较普遍的是在CPU处理器和DDR存储器集成上,例如苹果A11处理器+海力士LPDDR4内存,华为麒麟950处理器+美光LPDDR4内存等,其它诸如触控芯片、指纹识别芯片、射频前端芯片等也开始采用SiP技术。在iPhone8中,SiP系统级封装已经占所有封装比例的40%以上,主要用于PA和射频模块。

    目前射频前端器件包括PA、天线开关、滤波器、WiFiFEM等均已经使用了SiP封装,SiP封装在射频模块的应用广泛。

    5G使用的芯片和元器件数量增加,通过集成可降低成本、提升性能、缩小体积。SiP技术(FEMiD、PAMiD等)可以将10~15个器件(开关、滤波器、PA、LNA等)封装在一起,连接可能采用引线(Wirebond)、倒装(FlipChip)、Cu柱(Cupillar)等。

    射频前端的集成度越来越高。4G射频模组是由SiP方式整合不同制程技术来制作功率放大器(PA)、低杂讯放大器(LNA)、滤波器(Filter)、开关(Switch)和被动元件(Passive)等,5GmmWave射频模组将走向高度整合趋势。射频前端模块的发展趋势将逐渐由离散型的RF元件,朝向整合型模组的FEMiD与PAMiD形式。

    在4G时代,智能手机射频前端SiP封装供应链由Qorvo、博通、Skyworks、Murata、TDK-Epcos等IDM厂商领导。同时他们也会把部分生产外包至部分国际封测大厂厂商,例如日月光、安靠、长电科技等。而这几家IDM厂商主要集中于Sub6GHz解决方案。

    2017年全球射频前端SiP封装市场规模为25亿美元,预计将在2023年达到49亿美元,CAGR为11%,SiP封装市场将在5G时代快速增长。

    3、SiP+Antenna:5G应用广泛

    SiP+Antenna,由SiP进阶到AiP

    封装天线(AntennainPackage,简称AIP)是基于封装材料与工艺,将天线与芯片集成在封装内,实现系统级无线功能的一门技术。AiP技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的潮流,为系统级无线芯片提供了良好的天线与封装解决方案。

    片上天线和封装天线,AIP技术广受青睐。AoC和AiP分别属于SoC和SiP概念的范畴,分别了它们独有的辐射特性。AoC技术更适用于太赫兹频段,而AiP技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积,几乎所有的60GHz无线通信和手势雷达芯片都采用了AiP技术。除此之外,在79GHz汽车雷达94GHz相控阵天线,122GHz、145GHz和160GHz传感器以及300GHz无线连接芯片中都可以找到AiP技术的身影。

    G在毫米波频段的应用,由于毫米波本身频率较高,天线通过馈线相连的损耗会非常大,为了减少互联的损耗,必须要把前端做成模组化,减少在毫米波频段的损耗。催生出毫米波天线和射频前端封装在一起的“SiP+Antenna”的形式,由SiP进阶到AiP。

    AIP核心应用,5G毫米波天线封装

    5G时代频段资源有限,毫米波频段备受关注。常用的6GHz以下的频段已经基本没有更多的资源可利用了(4G时代已经非常拥挤)。5G时代毫米波频段高安全性、高速率引起众多厂商注。

    封装天线(AIP),5G天线封装主流形式。5GIoT和5GSub-6GHz预计将继续维持3G和4G时代结构模组,也就是分为天线、射频前端、收发器和数据机等四个主要的系统级封装(SiP)和模组,而更高频段的5G毫米波,则采用将天线、射频前端和收发器整合成单一系统级封装。在天线的整合封装方面,由于频段越高、天线越小,5G时代的天线或将以AiP(AntennainPackage)技术将其与其他零件共同整合到单一封装内。

    5G毫米波射频前端模块将走向高度整合的趋势,天线模组也将走向微缩化的趋势,预计未来将由AntennaonPCB转向AntennainModule及“SiP+Antenna”的封装天线(AIP)形式。

    随着5G时代的即将到来,预计未来AiP技术的应用及市场空间广阔。

2G-5G时代RFFEM封装技术趋势

数据来源:公开资料整理

    4、5G时代下射频前端市场空间广阔

    4.1、手机射频前端市场2023年预计超300亿美元

    受5G时代技术、数量、价格三因素驱动,射频芯片市场有望在2019年开始加速扩张,伴随着手机换机潮的来袭,手机市场与射频芯片市场有望在2021年实现最高增速,细分市场有望从4G手机过渡至5GSub-6GHz手机,再过渡至5G毫米波手机。以Canalys对5G手机出货量的预测。预计2019年-2023年3G手机增速为-18.90%,4G手机增速为-16.22%,5G手机增速为174.90%;预计到2021年手机出货量为14.40亿部,其中3G/4G/5G手机分别为0.35、10.12、3.93亿部,对应的射频芯片市场预计在2021年达到247.06亿美元。预计射频芯片细分市场中难度最大的滤波器价值比例越来越高,毫米波模组在2021年开始应用,预计2021年滤波器、PA、射频开关、天线调谐、LNA、毫米波模组对应市场价值依次为152.86、60.85、19.76、7.41、4.94、1.24亿美元,整体市场规模与预测的235.57亿美元也相符。

手机射频前端市场拆分预测

数据来源:公开资料整理

    从2011年至2018年全球射频前端市场规模年复合增长率为13.10%,2018年市场规模达149.10亿美元,同比增长速率14.43%。预计在5G时代来临后,全球射频前端市场将迎来快速增长,2020年预计增长速率为19.22%,2020至2023年增长速率趋于稳定,保持在15%左右。

全球射频前端市场规模及速率预测

数据来源:公开资料整理

    4.2.基站射频前端增长空间巨大

    从5G的建设需求来看,5G将会采取“宏站+小站”组网覆盖的模式,历次基站的升级,都会带来一轮原有基站改造和新基站建设潮。2017年我国4G广覆盖阶段基本结束,4G基站达到328万个。

    5G基站将包括中低频段(6GHz以下)的宏站和高频段(6GHz以上)的小站:

    1.宏站数量方面,中低频段的宏站可实现与4G基站相当的覆盖范围,到2017年4G基站约为328万个(覆盖99%人口),如实现相同的覆盖,预计5G宏站将达475万个。

    2.小站数量方面,毫米波高频段的小站覆盖范围是10~20m,应用于热点区域或更高容量业务场景,其数量保守估计将是宏站的2倍,由此预计5G小站将达到950万个。

    因此在基站数量方面,5G基站的数量将大幅超过4G时代基站数量,因此基站的射频器件需求量也会大幅增长。由于单个5G基站对于滤波器、PA等射频器件需求数量的提升,再加上更高的性能要求导致其他射频器件成本的上涨,预计单个5G基站的BoM(物料成本)也将相较4G基站有所增加。

    因此,5G时代将会迎来基站数量和单个基站成本的双双上涨,叠加起来5G时代基站市场空间将会有巨大的增幅。预计2022年基站射频前端全球市场将由2018年的约5亿美元增长至2022年的16亿美元,增幅达220%,基站射频前端市场增长空间巨大。

2017-2022年基站射频前端市场概况

数据来源:公开资料整理

    三、射频前端市场空间测算

    5G时代射频前端市场主要分为两部分:智能手机和基站。将分别测算两个部分的射频器件市场空间。

    据估计,单部5G手机的PA价值为9美元、滤波器价值为15美元,其他器件价值为10美元,预计单部5G智能手机的射频前端成本为34美元,单部旗舰4GLTE智能手机的射频前端成本为19美元。其他智能手机方面,估计射频前端成本平均约为8.7美元/部。

    出货量方面,预计2019年将有第一批5G智能手机出货,而2020年将达到2.13亿部,综合单机射频前端成本计算得出2019年智能手机射频前端市场将达到184.7亿美元,2020年将达到242.6亿美元,CAGR达18.79%。

3G\4G\5G智能手机中射频器件成本拆分(美元)

数据来源:公开资料整理

2018-2020年智能手机射频前端总市场规模测算

数据来源:公开资料整理

    截至2017年12月底,中国4G宏基站数量为328万座,要达到相同的覆盖率,估计中国5G宏基站数量约为500万座,达4G基站数量的1.5倍。

    根据三大运营商的资本支出计划,预计中国5G宏基站建设计划将于2019年正式开始,约为10万站,2023年预计将达到建设顶峰,年建设数量达115.2万座。

    射频PA方面,参考目前设备商展开试验5G基站的上游采购价格,目前用于3.5GHz频段的5G基站,采用LDMOS工艺的功率放大器单扇区的价格超过了400美元,采用GaN工艺的功率放大器价格超过了700美元,假设LDMOS和GaN射频价格均以5%的比例递减。

    5G基站数量方面,中国移动占比超过50%,前期建设情况下,LDMOS放大器拥有一定比例的市场,推测GaN射频器件约占50%,预计到2025年,GaN射频器件占比85%以上。

    5G宏基站天线采用MassiveMIMO技术,天线和RRU(射频拉远单元)合设,组成AAU。MassiveMIMO天线假设为64T64R,则单个宏基站天线数量为192个,放大器数量为192个。

    滤波器方面,假设同样5G宏基站采用64通道,则一个基站需要64个滤波器,估计目前单个5G滤波器价格为100元左右,且随着技术成熟和出货量上升,价格逐渐下降。

    5G小基站方面,估计单个5G小基站的射频PA成本为约4美元。而4G基站方面,包括LDMOS和GaN综合测算在内,预计4G基站的射频PA成本是2.4美元。

    基于以上关键假设,可以计算得出2021年全球5G宏基站PA和滤波器市场将达到243.1亿元人民币,CAGR为162.31%,2021年全球4G和5G小基站射频器件市场将达到21.54亿元人民币,CAGR为140.61%。

全球5G宏基站PA和滤波器市场总规模(亿元)测算

数据来源:公开资料整理

全球4G/5G小基站PA和滤波器市场总规模(亿元)测算

数据来源:公开资料整理

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