射频器件——国产手机难以绕过的门槛

分享到:

随着中美关系的发展,芯片和半导体器件国产自主化成为了近期人们关注的热点。华为以及海思是中国半导体国产化的先锋,华为手机的核心半导体器件中,国产化的比例居于同行前列。然而,如果我们仔细分析华为手机中的半导体器件,会发现射频前端仍然是国产化的瓶颈。本文将分析射频前端的重要性,并展望未来射频前端器件国产化的发展。

射频器件——难以绕过的门槛

 

1


作为一个例子,我们首先来看一下华为P30的拆解报告(来自iFixit)。在核心半导体芯片和元器件部分,我们发现华为海思在核心SoC(处理器+调制解调)、射频SoC芯片、音频芯片等都实现了自研,其存储芯片分别来自于海力士(韩国)和美光(美国),传感器芯片来自于意法半导体(欧洲),而射频前端则完全来自于美国(Skyworks和Qorvo)。一旦中美关系紧张,我们认为存储器芯片还有机会去找日韩的其他供货商来代替来自美国的镁光,但是射频前端,尤其是在滤波器部分,非常难以找到来自美国之外的其他货源,因此射频前端部分可能会成为华为手机中受到美国影响最大的部分。

射频前端器件是手机中的核心器件之一。 射频前端器件直接与天线连接,一方面担任手机内无线接收链路的先锋大将,完成天线开关调谐、滤波、低噪声信号放大的工作,并把完成初步放大处理的信号交给射频SoC做进一步下变频和数字化处理;同时,射频前端器件也在发射链路端负责信号的最后把关,实现信号的滤波和功率放大。与射频SoC相比,射频SoC通常会使用CMOS工艺实现,而射频前端由于性能和设计指标的要求,往往会使用专用工艺实现。

2

过去,射频前端器件都倾向于使用分立器件实现,每个前端器件设计公司都走IDM的路线。而目前,射频前端的技术发展路径是向高集成度发展,厂商也在向Fabless的路线前进,工艺也在标准化,可以说与芯片行业发展的常规路线越来越接近。LNA、PA(功放)、开关等器件都在向集成化方向发展,例如使用SOI技术将LNA和开关器件集成在一块芯片上,而PA也在向标准化工艺(如标准III-V族工艺甚至CMOS)方向前进。目前,不少射频前端公司推出的射频前端模组都是高度集成化的,例如使用在华为P30中的Qorvo 77031模组就包括了三路PA,BAW滤波器以及天线开关。

然而,滤波器却不受射频前端器件标准化趋势的影响。在射频前端器件中,需要非常高性能(即高品质因素)的滤波器以保证无线信号满足通信协议对于干扰的要求。这类滤波器通常必须使用声滤波器(低频段用SAW,高频段用BAW)实现。在滤波器领域,尤其是BAW滤波器领域,美国仍然占据技术优势,尤其是用在4G/5G高频段的BAW滤波器,基本是美国的博通和Qorvo等公司独占鳌头,目前尚未见到来自其他国家的BAW滤波器能进入大规模商用。

因此,在这一点上,滤波器又成为了射频前端中最受制于美国的器件。举例来说,华为P30中使用的Qorvo 77031模组包含了PA,BAW滤波器以及天线开关。如果美国政府出口禁令影响华为,那么该射频前端模组中的PA和天线开关都有机会使用来自于其他国家的供货商,甚至使用国产模组替代,但是BAW滤波器却会成为一个难以找到其他供货源的弱点。一旦真的BAW被禁运,解决方法要么是在系统设计上做巨大的努力,使用加入特别设计的射频SoC配合SAW滤波器去做2.5GHz以上的高频段,但是这会非常困难;或者就先退一步再进一步,在4G和5G直接退一步放弃2.5GHz-6GHz之间的频段,由于4G和5G频段众多,结合无线运营商的支持或许可行,当真正需要高带宽的时候直接进一步使用5G毫米波来满足用户需求(5G毫米波由于频带衰减特性无需滤波器支持)。

滤波器有多难做

根据中国芯片的发展历程,我们会发现在芯片工艺和芯片设计这两项上,我们更擅长在芯片设计领域追赶。举例来说,20年前我国在无线调制解调芯片是一片空白,而到了今天华为已经有能力发布性能领先全球的5G调制解调器芯片了。从经济和社会角度分析这个问题,这是因为芯片设计可以走Fabless的商业模式,Fabless的商业模式允许芯片设计公司无需承担建造Fab的风险和巨额费用,因此芯片设计公司需要的资本量比较低,资产主要是设计IP等虚拟资产,换句话说少量资本即可撬动芯片设计公司去获取大量收入并带来回报。因此,芯片设计公司无需国家资本的大量资助就能做得有声有色,光靠社会力量也能把芯片设计这项事业做得很好。射频器件中的LNA、PA等都比较偏重于芯片设计方向,因此我们会比较容易在这个领域实现国产化。与之相对的是芯片工艺领域需要大量的资本去建厂、购买设备等,因此资产较重,光靠社会资本的力量在落后世界领先水平多年的情况下很难赶上。

而射频前端中的滤波器则是属于同时需要芯片设计和芯片工艺的积累,这是因为滤波器本身更像是一个半导体器件,因此需要在器件设计和工艺方面都有深厚积累例如,BAW滤波器中的主流技术FBAR需要在有源区下方做高精度蚀刻,这就对芯片工艺方面提出了很高要求;另一方面,也需要能有同时了解器件物理和工艺的工程师来完成结合工艺的器件设计,来实现高性能滤波器。因此,为了实现高性能的BAW滤波器,通常需要工艺和器件设计的协同优化,BAW滤波器厂商需要有自己的Fab已完成定制化的工艺来生产滤波器。而需要Fab则意味着需要很高的资本投入。

3

正是因为BAW滤波器对于技术的高要求和对于资本投入的高需求,因此在全球的竞争格局上形成了寡头垄断的局面,仅有Qorvo和博通能大量出货,即使Skyworks在BAW领域也缺乏话语权。

射频前端器件的国产化之路

如我们之前所分析,射频前端器件中离芯片设计方向较近的、可以通过标准化工艺加Fabless模式实现的部分,国产化会比较轻松。这些器件包括LNA、PA、天线开关等。例如,Vanchip、汉天下等中国公司已经能在4G PA上真正打入主流市场,而华为海思在LNA、PA、天线开关等领域有不错的进展。在P30中,华为用的就是自研的LNA Hi6H01s芯片。随着这些器件走向工艺标准化,我们认为这些器件国产化只是时间问题。目前,Qorvo等公司的竞争策略之一就是高集成度,即把PA等器件和滤波器器件放在同一模组中捆绑销售,这样可以借助他们在滤波器领域的优势去占领LNA、PA的市场。

我国需要真正下大力气追赶的是滤波器,尤其是BAW滤波器。如前文所述,射频前端中的滤波器可以分为SAW和BAW两类。SAW滤波器的历史比较悠久,目前主要是日本(如Murata、TDK)和美国(如Skyworks)厂商主导。我国原先一些基站SAW的IDM供应商,例如好达电子、中电科德清华莹等企业,近些年也积极扩产进军终端消费类市场。同时,中国也有卓胜微、华远微电、开元通信、宜确等设计公司通过fabless模式切入SAW滤波器市场,并取得了不错的进展,据悉已经进入了不少主流手机的供应链。然而,在BAW领域,中国厂商还需要加紧追赶 。

如前文所讨论的,BAW滤波器需要的是工艺和设计的协同优化,同时需要长时间的技术积累,应该说指望在几年内实现国产化替代基本不现实。在BAW滤波器领域,我们一方面应该看到其重要性,需要不遗余力地支持,而从另一方面也应该给相关厂商以足够的时间,让他们的有时间把技术做好做扎实。因为在滤波器的现有技术路径上,国际巨头公司不仅垄断了市场更是垄断了绝大部分专利,所以开辟新的技术路径并实现自主知识产权就成为滤波器国产化的必经之路,国内的初创公司,比如云塔科技、开元通信和晶讯聚震,在这方面做出了一些卓有成效的尝试。目前我们看到重庆声光电、开元通信、中科汉天下等公司在FBAR BAW领域正在积极努力,希望我们能早日看到他们的努力得到回报!

继续阅读
射频器件——国产手机难以绕过的门槛

随着中美关系的发展,芯片和半导体器件国产自主化成为了近期人们关注的热点。华为以及海思是中国半导体国产化的先锋,华为手机的核心半导体器件中,国产化的比例居于同行前列。然而,如果我们仔细分析华为手机中的半导体器件,会发现射频前端仍然是国产化的瓶颈。本文将分析射频前端的重要性,并展望未来射频前端器件国产化的发展。

5G将至,小基站迎来发展机遇

5G商用日期越来越近,市场上对small cell(小基站)的关注度也日益倍增。这主要是因为运行在频率较高频段的5G会面对信号覆盖问题,这时候Small cell就可以充当一个“补充者”的角色,扩大信号覆盖范围。这也可以让移动设备避免因为信号过弱、增强射频发射功率而带来的功耗过大问题。而这其实只是small cell的众多好处之一。

5G单基站射频侧PCB价值量约9120元,单基站价值量提升7倍以上

5G时代即将到来,第一批拥抱5G的企业在抓紧布局。本文从天线、滤波器、PCB、连接器等方向,深度探讨5G基站端射频产业链的发展新机遇。

与Roger Hall先生畅谈:GaN技术或将受到持续关注

MPD:5G 已经在为射频和微波行业的一些领域创造收入,明年这一收入应该会增加。您认为实施 5G 在未来几年对业务会有何影响?

5G信号怎么跑?会威胁气象预报准确性吗?

据《自然》杂志4月26日报道,气象学家发出警告称,美国联邦通信委员会(FCC)即将拍卖的5G通信网络频段,可能威胁到全球的天气预报能力。相关报道援引气象专家的言论表示:将难以预测灾害性寒潮等极端天气现象,将造成人类生死攸关的问题。