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探讨射频器件未来创新之路

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发表于 2021-4-8 13:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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射频器件只有材料创新一条路可走吗?当然不是。暂且抛开专业问题不谈,但凡任何事情被认为只有一条路可走的时候,这个观点都值得我们去质疑和讨论。
1 Q; v  ^- O9 j5 Q! U那么,关于射频器件未来的创新之路,我们不妨来讨论一下。7 o7 y2 |7 B8 F$ r9 |5 x* d

! q+ ^  Z( L+ w, ~& ~. c2 @射频器件概述; L, M9 w8 g3 Y7 g

$ ^4 {, @6 ^  ?0 P( g( }射频器件是无线连接的核心,是实现信号发送和接收的基础零件,有着广泛的应用。射频器件包括射频开关和LNA,射频PA,滤波器,天线Tuner和毫米波FEM等,其中滤波器占射频器件市场额约50%,射频PA占约30%,射频开关和LNA占约10%,其他占约10%。可以看到,滤波器和PA是射频器件的重要部分,PA负责发射通道的信号放大,滤波器负责发射机接收信号的滤波。
8 Q& [. f9 C6 f) w# c; ^目前,射频器件的主要市场如下:手机和通讯模块市场,约占80%;WIFI路由器市场,约占9%;通讯基站市场,约占9%;NB-IoT市场,约占2%。
0 d' }) K$ R7 a! t! B如今随着5G技术的日趋成熟,商业化趋势正在加速。5G需要支持新的频段和通信制式,作为无线连接的核心,射频前端中的滤波器、功率放大器、开关、天线、调谐器等核心器件成为当前市场的风口。
! `9 q' q' i4 x* O1 O  O3 N) g9 H分析机构预测,到2023年射频前端市场规模有望突破352亿美元,年复合增长率达到14%。快速增长的市场让行业看到了机会,新的射频公司在不断地涌现出来,国内射频厂商打造自主射频供应链就成为很多厂商的追求,但纵观现状,差距仍旧明显。# X# k. f$ h! u
着眼国内市场,在本土射频厂商的合力下,2G射频器件替代率高达95%,3G替代率85%,4G替代率只有15%,而在5G射频领域替代率基本为零。
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国内射频器件厂商大致如下:3 _% P0 e4 j& L' `0 T
滤波器厂商
# T2 H1 j% @5 i7 `) LSAW滤波器国内厂商:好达,26所与麦捷,三安集成,55所;4 q' V6 g7 f7 e( g" d" {+ m/ ]
BAW滤波器国内厂商:天津诺思、厦门开元通信、苏州汉天下
5 N$ E8 N( E5 V4G PA主要厂家
, V6 W& g2 U2 E! x唯捷创芯:4G PA出货量是国内最大的,已经与洛达整合" ?# l0 t6 N+ ]: i& m: N) Z+ P
络达:被MTK收购,基于MTK平台进行销售。
" @# ?% }. t8 u4 c, L展锐射频产品线:基于展讯平台销售。) ]& R* Y) ^. N
慧智微:依靠SOI架构创新,实现低成本。
; B8 e5 q$ V' e& Q; s" g! n5 b/ m昂瑞微:3G PA主要供应商,4G部分客户采用。3 ~5 ?; j) D7 H4 U
飞骧科技:客户基础不错。6 M/ S" s! {+ H
国内3G PA主要厂家& V2 G' H! t6 n; ~9 @" j
络达:客户基础好,价格偏高。- `$ c6 l/ P5 k& E- ?) h+ ]* o
昂瑞微:通过CMOS工艺把PA成本做低,性能不错,市场上3G PA主要供应商。2 m- A1 O$ D, }% p3 s# W
飞骧科技:主要出货是印度的Reliance项目。
, h/ E' T& i: \/ |展锐射频产品线:出货不多,主要出货是印度的Reliance项目。: W& `; c+ ]2 d1 L+ f1 u8 L5 g2 x; f- P
国内WIFI PA/FEM主要厂家:
+ T% f  O, t: x" l立积电子:台湾上市公司,出货量尚可,逐步蚕食SKY市场。
: j' T: ~8 h. }( M: D! {& V' h康希电子:2018年开始推产品,有部分客户开始导入,目前出货量不多。0 {: |2 o! }: i% {- V* B
展锐射频产品线:2018年开始量产出货,几家大的网通客户都已经导入,并做进华为。
; o: A3 C1 r8 r5 I# |! M三伍微:2018年成立,专注于WIFI PA/FEM,产品处在研发阶段。) K2 H: m& a" V
国内开关主要厂家:2 D" c' c& Q1 m3 q. {8 h3 p) {
卓胜微:国内最大开关供应商。
. K8 z! x  n' }3 m# v8 ?% v展锐射频产品线:也是三星供应商,只占很少份额,开关出货总量一般。( i& o0 J) v3 T' l* q
立积电子:2018年开关量产出货,有一定出货量。
; h" A& E/ T1 P2 d此外,射频器件各工艺制造和封测均可由国内厂商完成。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。但是从国际竞争力来讲,国内的射频设计水平还处在中低端,上述射频器件厂商,销售额和市场占比与国际大厂相比仍存在较大差距。可见,国内厂商依然在起步阶段,还有很大的成长空间。1 L  e2 S8 r3 v1 T5 b. B: p0 W! r
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反观国际射频产业市场布局,根据相关机构统计数据显示,在SAW滤波器中,全球80%的市场份额被村田(滤波器典型产品:SF2433D、SF2038C-1、SF2037C-1 等)、TDK\Qualcomm\RF360(滤波器典型产品:DEA162690LT-5057C1、DEA165150HT-8025C2、DEA252593BT-2074A3 )、TAIYO YUDEN(射频器件:D5DA737M5K2H2-Z、AH212M245001-T 等)等瓜分,在4G/5G中应用的BAW滤波器则被博通和Qorvo占据了95%的市场空间,PA芯片则超过全球90%的市场集中在Skyworks、Qorvo和博通手中。
( \2 E8 `8 y# R+ P( b在占据绝大部分市场之余,上述射频厂商基本完成了射频前端全产品线布局,拥有专用的制造和封装链条,以IDM模式巩固在设计能力、产品性能以及产能掌控的巨大优势。同时,专利技术储备也让射频巨头有了更宽阔的护城河,使后来者短期内难以超越。* _2 {; Z* Y# |* }/ @
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( E% K1 k7 E* y: @9 v4 x5 U9 `: d射频器件的挑战与创新, C7 L' ]# X/ Z/ ]3 T9 n/ g# b' }
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4G到5G的演进过程中,射频器件的复杂度逐渐提升qi,产品在设计、工艺、材料等方面都将发生递进式的变化。同时,射频前端仍面临许多诸如功耗、尺寸、天线数量、芯片设计、温漂、信号干扰、不同类型信号和谐共存等技术端的难题。如何解决这些问题,成为当下业界关注的焦点,也是射频器件的创新所在。
7 G6 y% Y* e2 [! B3 b随着半导体材料的发展,Si、GaAs、GaN等射频材料,陶瓷、玻璃等封装基板材料更迭带来的功耗、效率、发热问题、尺寸等方面的改善之于射频器件的发展自然是重要的创新之处。但在材料创新之外,射频器件还有哪些创新的途径?# ^! y. X& @9 B: E
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& Y8 m& k( z8 _- A1 ], {1 b制造工艺
! e" `( b+ a% G' ^目前,射频器件涉及的主要工艺为GaAs、SOI、CMOS、SiGe等。7 z- b7 T. T( B$ T$ z5 b
GaAs:GaAs的电子迁移速率较好,适合用于长距离、长通信时间的高频电路。GaAs元件因电子迁移速率比Si高很多,因此采用特殊的工艺,早期为MESFET金属半导体场效应晶体管,后面演变为HEMT(高速电子迁移率晶体管),pHEMT(介面应变式高电子迁移电晶体),目前为HBT(异质接面双载子晶体管)。/ c0 [7 `; q/ C$ x  M
GaAs生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同,GaAs需要采用磊晶技术制造,这种磊晶圆的直径通常为4-6英寸,比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台,同时砷化镓原材料成本高出硅很多,最终导致GaAs成品IC成本比较高;
. [& X$ e6 K8 d& X; w* ESOI:SOI工艺的优势在于可集成逻辑与控制功能,不需要额外的控制芯片;
1 h- c6 L# A0 e1 `3 vCMOS:CMOS工艺的优势在于可以将射频、基频与存储器等组件合而为一的高整合度,并同时降低组件成本;# J3 L7 a' b1 p+ b' V
SiGe:近年来,SiGe已成了最被重视的无线通信IC制程技术之一。依材料特性来看,SiGe高频特性良好,材料安全性佳,导热性好,而且制程成熟、整合度高,具成本较低的优势。SiGe既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势,又具备第3到第5类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)在速度方面的优点。只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感,就可以采用SiGe半导体技术集成高质量无源部件。
6 r: c/ s0 h; B, I- Q. nSiGe工艺几乎能够与硅半导体超大规模集成电路中的所有新工艺技术兼容,是未来的趋势。不过SiGe要想取代砷化镓的地位还需要继续在击穿电压、截止频率、功率等方面继续努力。
1 f+ D4 ?. R% a' D; S: o射频PA采用的工艺分别是GaAs、SOI、CMOS和SiGe;射频开关采用SOI、GaAs工艺;LTE LNA采用的工艺多为SOI、CMOS。/ u. h6 r& n4 x) i( e- H
进入5G时代,Sub-6GHz和毫米波阶段各射频元器件的材料和技术可能会有所变化。SOI有可能成为重要技术,具有制作多种元器件的潜力,同时后续有利于集成。) B7 k0 y' ^& V! X$ O, B* k7 e
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( j3 ~( h8 R- \+ [+ s# R1 X. L; P
& O7 e, t- h6 h2 u# o3 x( R解决天线问题
- X, b1 r: n/ F2 B( r5 Q$ O以手机为例,由于5G技术的特殊要求,从智能手机系统架构上来看,5G需求更高的数据速率,需要更多的天线。这些天线包括多频带载波聚合、4x4 MIMO与Wi-Fi MIMO。从而带来了在天线调谐方面、放大器线性和功耗,还有其他系统干扰方面上的挑战。同时,天线数量增多留给天线空间越来越小。因此,射频厂商可以把GPS、WiFi、中频、高频和超高频等射频通道共用一个天线,可以达到减少天线数量,节省空间的目的。
! [/ i- N* t; X# W, `3 k% Z现今毫米波天线主流成熟的方案为AiP(antenna-in-package)的模块化设计,AiP方案主要因其RFIC与毫米波天线阵列相距较近,而有低路损的优点,故AiP方案已被众多学者专家深入地进行研究、设计。0 b& y+ R4 H1 n. |  c& E" B  i
目前AiP封装天线技术正沿着两个技术路径发展。一个称之为扇出型封装天线技术(FO-AiP),另外一个称之为覆晶型封装天线技术(FC-AiP)。两者区别在于一个有基板(Substrate),一个没基板。. l0 S2 m8 e) o8 T+ W0 }
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) p  S" \- N. z5 }- J1 v) Y6 w1 G' p8 Z
集成度
! D( ?5 f6 g! m! y: L未来滤波器等射频器件将呈现向小型化、改进器件形式、组合式迈进的趋势。
$ P/ M5 @; T9 U6 x4 T就像十年前的4G,LTE连接建立在已有的3G技术之上一样;早期的5G功能是通过添加独立的芯片组到现有的LTE设计中实现,这意味着5G组件基本上像是用螺栓外挂在智能手机设计上,而不是被融合进核心芯片组中,但对于芯片尺寸、性能和功耗都带来了一定影响。5 h' s4 f4 O6 m; r' l
例如单模5G调制解调器,5G射频收发器和单频段5G 射频前端,它们独立与现有的LTE 射频链路。这种初代5G调制解调器设计还需要额外的支持部件。5 C8 P1 T1 Y" z) y) I
因此,随着行业的成熟,提高射频器件集成度是必然的发展方向,业界将期待核心电路设计的进一步优化。一个高度集成和紧凑的射频架构用来在一个设备中同时支持Sub 6GHz和毫米波段5G将成为人们的期待。
5 X4 x4 B$ S5 j
1 t' f. S4 G4 O  v封装方式
1 |. v: O' F' H) _5G时代,射频厂商愈加关注射频前端解决方案中的封装创新,如更紧密的元件布局、双面贴装、共形/划区屏蔽、高精度/高速SMT等。- i5 l/ r( u& X" U, ?2 `
5G频段分为毫米波和sub-6G,越高频段对于小型化封装的要求也就越高,通过新型封装形式去逐步实现器件封装的微型化、可量产、低成本、高精度、集成化。
3 b8 V5 T3 S) E9 L' M: {& C为将天线元件与射频组件集成用于5G移动通信,市场上提出了不同架构的多种封装解决方案。基于成本和成熟的供应链,扇出型WLP/PLP封装得益于较高的信号性能、低损耗和缩小的外形尺寸,是一种很有前景的AiP集成解决方案,但它需要双面重布线层(RDL)。除少数厂商,大部分OSAT尚未准备好利用该技术大规模制造。
- T: M% X% o9 w) p1 y/ J  ?在系统级封装(SiP)部分,分为芯片/晶圆级滤波器、开关和放大器等各种射频器件的一级封装以及在表面贴装(SMT)阶段进行的二级SiP封装,其中各种器件与无源器件一起组装在SiP基板上。  Q7 n; S/ H+ c# G% ~( B3 U
SiP提供了所需要的小尺寸、更短的信号路径和更低的损耗。同时由于不断增加的功能对集成度有了更高要求,市场对SiP封装方法也提出了更多需求。, |6 u; @- B! ?$ i
可见,关于射频器件封装的理想解决方案近年来有许多研究,致力于在成本、体积和性能需求之间谋求平衡,未来也将是射频器件的创新方式之一。* {; ~3 Y% n3 A/ F/ W* B. N7 s

! c/ j4 B- W' \# Y结语
4 |; h4 K/ f; ], \5 K2 }8 m+ a7 ]9 w  e# w
射频器件的追赶与替代,要求国内厂商有“坐冷板凳”的决心和毅力,也需要政府和投资机构给予企业更多的耐心,在5G和物联网的大趋势下,抓住射频器件在新设计、新工艺、新材料、新封装等方面的突破点,以市场机遇为契机,在不断创新中去追赶。
# V6 z1 |* Q* [
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射频器件是无线连接的核心,是实现信号发送和接收的基础零件
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