[原创] 国产5G PA追上了吗，难在哪里?
2021-06-04
14:00:03
来源: 半导体行业观察
获悉射频芯片厂家唯捷创芯完成科创板上市辅导，即将成为第一家上市的国产PA公司。
回望这条国产射频芯片之路，不能忘记锐迪科（RDA），开创了2G PA的先河；不能忘记昂瑞微，成功研发2G CMOS PA，第一次打败国外公司；不能忘记唯捷创芯，让行业看到国产4G PA也能做的很好；不能忘记慧智微，走了一条连国外公司都不敢走的技术创新路线，构建起产品和技术的双重竞争力，从4G PA走到5G PA，第一次在产品和技术上追平国外公司。
更多的国产射频PA公司正赶在上市的路上，有慧智微，有昂瑞微，还会有很多……。
从2004年起，国产射频PA走过了16个年头，一路艰辛，一路收获，从2G PA走到了5G PA。2006年，国产2G PA量产；2011年，国产3G PA量产；2016年，国产4G PA量产；2020年是5G元年，国产5G PA量产，慧智微成为第一家与Skyworks和Qorvo同步推出产品的国产射频PA公司。
从2G PA到5G PA，产品集成度越来越高，技术难度越来越高。国产射频PA公司要在5G PA上完全追上国外公司还是有难度的，难在哪里呢？
技术研发难
对于射频PA来讲，频率越高，带宽越宽，芯片设计难度越大；集成度越高，技术研发难度也就越高。可以从频段和器件集成度来看射频5G PA技术研发难度。
GSMA是全球运营商的联盟，每年MWC的组织方，是最有权威价值的移动通信统计机构。GSMA的数据显示，3.5GHz是5G通讯最主流的选择。
3.5GHz频段包含在5G的Sub-6GHz 5G新频段中。Sub-6GHz的5G新频段，通常又被称作UHB（Ultra High Band，超高频）频段。截止2021年3月31日，全球运营商发布的5G频段可使用数目为196个，其中UHB频段数目为112个，占所有发布的5G频段数目的57%，为5G部署的主要选择。供使用的毫米波频段数目只有11个，主要是美国、韩国运营商在推广。短期来看，毫米波只是一个小范围的应用，难以普及。此外，还有未公布的频段数目有76个。
从上图能看到，UHB频段是为5G新开的频段，不是原来的4G频段升级，具有更大的带宽，更适合5G协议应用。
通过频段对比，可以看到射频PA芯片设计难易程度不同：
1、位于Sub-3GHz的n41/n3/n1/n8/n5等，是在原来4G频段上做的重耕，带宽窄。
带宽最大的n41也只有194M，只有n79频段是1/3，n77频段的1/4.5。所以，
n41 PA相对n77/78/79的UHB频段PA，技术研发难度要低很多。
2、n77/78/79 PA频率更高，带宽更宽，设计难度更大。
在相同天线增益和传输距离的情况下，信号的衰减与信号的频率成正比。
对于n77/78/79 频段，更高的频率意味着更大的损耗。
为了保证信号覆盖问题，5G 终端的发射功率等级从PC3提升至PC2，即提升了3dB。
对于射频PA设计来说，每提升1dB线性功率都是极大的挑战。
n77的带宽/载波频率比达到24%，远高于n41的7.5%。对于高集成度的L-PAMiF方案，需要兼顾各个功能子模块的带宽和匹配。
采用相同的制造工艺， 通常PA的效率会随着频率的升高而下降。特别是在n79频段，PAE
的提升受到很多限制。
5G NR定义了终端要求支持上行占空比30%甚至更高，在PC2的发射功率要求下，PA的散热问题变得非常重要。
5G UHB频段的L-PAMiF集成度最高，也是最具挑战的5G PA模组。无法在原有4G PA模组上来做优化和提升。UHB频段的5G PA模组需要全新设计，非常考验射频芯片公司的综合设计能力，根本就不是在原来基础上小修小改就可以实现的。
下表列出了常见的收发模组对比，4G LTE方案中常用的是PAM和PAMiD，分别对应高性价比方案和高性能方案。而n77/78/79双频L-PAMiF是目前5G NR集成度最高的商用芯片之一。
目前国产厂商所发布的5G PA主要也可以大致分为三类：
UHB L-PAMiF、n41 PAMiF、Phase5N分立。
产品量产难
国内5G手机推出已经一年多了，哪些国产5G PA进入客户端量产了？
早在2019年，多家国产射频PA公司都宣告自己推出了5G PA。时至今日，从媒体报道和行业了解的信息，看到三家国产5G PA公司正式进入手机客户端量产。
2020年3月，搭载慧智微5G PA模组的首批手机终端批量生产。根据拆解机构eWisetech的报告显示，OPPO K7x手机首次采用了国产5G射频前端器件。K7x采用慧智微电子S55255 5G频段射频前端集成收发模组L-PAMiF，覆盖5G UHB 新频段n77/78/79频段，是集成度最高的5G射频前端模组。这也是拆解5G手机以来，首次见到国产5G射频芯片在手机上面应用。
于2020年推出5G Sub-3GHz Phase5N产品，覆盖4G重耕频段。据了解，2021年开始唯捷创芯的Phase5N产品已经在OPPO、vivo等厂商实现量产。
锐石创芯推出支持n41频段的射频功放滤波器模组(PAMiF)RR58041-11，并已在国内手机客户端量产。5G n41频段模块中内置功率放大器、收发开关、CMOS控制器及高性能滤波器。
从样品到量产，国产5G PA模组至少历经一年的时间。相比4G PA，5G PA模组量产难表现在两个方面：
1、产品集成度高，高性能模组需要用到Flipchip技术
FlipChip的优势主要在于：小尺寸，性能增强（互联短，寄生效应好），散热能力高（芯片正面通过铜柱与基板直接互联），高可靠性（相较于打线工艺更稳定）。
Qorvo、高通、Broadcom均采用Flipchip技术来做高性能射频前端产品，而目前Skyworks只有在SOI器件部分采用Flipchip技术，HBT PA部分没有，通过自己特有的技术和工艺来实现高性能射频5G PA模组。据了解，真正掌握Flipchip技术的国内射频公司很少，在5G PA模组量产上遇到很大挑战，也会花费很长时间。
之前，国内射频PA公司还是分立为主或者通过基板绑定打线的方式，没有Flipchip的技术和经验积累，更没有全集成模组的量产经验。因此，
5G PA模组能否真正进入量产将成为国内射频PA公司的分水岭。
5G PA模组面对的都是国内头部的手机客户，他们对产品性能、可靠性、供应链等的要求很高，量产交付质量要求是100ppm以下。对于数字芯片来讲，100ppm以下这个要求很低，但对于射频PA来说，是很有挑战的，更何况是5G PA模组产品，这道坎，不是所有射频PA公司都能跨过去的。
要服务好这些手机大公司，必须有一个专业的质量和生产团队来支持。这个团队的规模需要几十人，分工很细，专业性很强。
国产射频PA公司正在从过去几十人的规模，增加到现在200人的规模。不管是产品、销售额，还是公司员工规模，国产射频PA公司这几年发展迅速。在未来的2~3年，国产射频PA公司还会进入一个高速成长期，公司员工规模将达到500人，各部门配套更加完善和专业。未来2年，国产射频PA格局将形成，半导体投资热也将告一段落。
客户导入难
手机客户向头部集中，没有原来的“小白鼠”客户了，新产品导入手机客户端越来越难。
现在国内的手机客户，屈指可数。第一梯队的品牌客户有华为、小米、OPPO、vivo、荣耀、传音等。第一梯队的手机ODM厂家：闻泰、华勤、龙旗、中诺等。随着这些企业的规模越来越大，产品导入进入门槛提高，产品需要进行全面性、系统化验证。
规模越大的手机客户，对可靠性的要求越高，产品性能测试和评估相对比较简单，对产品稳定性和可靠性的测试和评估耗财耗力，更耗时间。
尤其是5G PA模组，现在上5G的手机都是旗舰机或者主力机型，对性能和可靠性要求极高。国内射频PA公司在推广5G PA模组时，有个很深很直白的感受，手机客户是“拿着放大镜”做评估。
首先，头部手机客户在技术上对国产5G PA公司不信任，技术测试更仔细，一些技术问题，对于国际厂商是解释过了就好，对于国内厂商就要深挖到底。这样，国产5G PA模组在客户端导入会很难，俗话说得好“玉不琢，不成器”，国产射频PA产品和公司就是这样成长起来的。
其次，手机客户在产品导入流程上，对国产射频PA也是不利的。选择国际厂商的射频PA，不存在对与错，各部门是免责的。5G PA模组，选择Skyworks和Qorvo是第一选项，选择他们产品出了问题，对个人和部门来说，就是没有问题。如果选择国产5G PA模组，出了问题，个人和部门就会很有压力，会承担相应责任。
再次，越复杂的产品导入越难，技术要求越高的产品导入越难。难度高低依次是5G PA > 4G PA > 3G PA > 2G PA。5G PA模组的复杂性和高技术性在手机里的调试工作量很大，要把性能和稳定性调试好，需要手机厂商更多研发投入和时间投入。
趁着这一波国产替代契机，国产射频PA公司要努力抓住机会，把产品做好，把公司规模做大，向国际厂商看齐，规范公司流程，专业和完善每个部门，加大研发力度，抓好质量管理和提升交付能力。这一次新供应商导入之后，头部手机客户很难开启5G PA模组新品牌导入。5G PA模组新品牌导入，对头部手机客户来说，投入和风险都很大。
结语
国产射频芯片走过了2G PA和3G PA，正在从4G PA主战场迁移到5G PA。
2G 和3G PA成就了昂瑞微，4G PA成就了唯捷创芯，5G PA又会成就谁呢？
听闻，国内某公司5G PA模组产品被国际大品牌5G手机采用并已经量产，惊讶之余，心中有欣喜，眼中有未来，中国芯正在成为世界芯。
作者：
钟林，晋江三伍微电子有限公司
zhonglin@gsrmicro.com
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