[原创] 国产射频前端，攀登新高峰
2022-02-07
14:00:02
来源: 半导体行业观察
一元复始，万象更新。2022年，国产射频前端开启新篇章。
射频前端包括功率放大器（PA）、滤波器（Filter）、开关（Switch）、低噪声放大器（LNA）、天线调谐器（Tuner）。从产品市场构成来看：PA模组、RX FEM、分立式滤波器，构成射频三大主体。据Yole预计，到2025年对应的市场规模将达到89、46、42亿美元。
2021年中国大陆射频前端销售额约20亿美金（合计130亿元），预估2021年全球射频前端市场规模为190亿美金，国产射频前端约占比10.5%。卓胜微和唯捷创芯合计约80亿元，其他加起来约50亿元。其中Wi-Fi FEM约3.5亿元（立积公司10亿元除外），分立滤波器约12亿元。
有了对比才有真实感受，2018年，国产射频前端芯片销售额大约3亿美金，全球市场占有率为5%。2020年，国产射频前端芯片销售额约9亿美金，而2021年增长到了20亿美金。
一年一进步，三年大跨越，技术靠积累，科技靠创新，国产射频前端迎来快速发展期。
市场格局决定竞争格局
技术的演进，应用的改变，芯片世界的竞争没有终点，相对的平衡，格局的改变，市场格局永远都在动态变化中。
竞争格局受各方面的影响，只有真正懂得市场竞争格局的企业，才能得到应有的市场份额，在竞争白热的市场中站稳脚跟。
射频前端市场主要分为四个：智能手机市场、通讯模块市场、Wi-Fi路由器市场、宏基站和微基站市场。
目前，国内射频前端公司可以分为六类：手机PA公司、滤波器公司、Wi-Fi FEM公司、基站PA公司、Cat.1 PA公司、射频开关公司。
大胆预测三年以后，主体做分立开关和LNA的射频公司会消失。分立开关和LNA只会成为射频公司的一条产品线。
实际上，2022年国内射频前端的市场格局和竞争格局已初定，市场竞争日趋激烈。智能手机市场，唯捷创芯名列国产5G PA第一，其余都在争夺第二、第三。进不了5G PA前三的射频公司求其次，争夺4G PA市场的数一数二。如果进不了4G PA前二名，只能争抢Cat.1市场的第一名。在智能手机市场和通讯模块市场，最多6家射频PA公司能够活下来。所以，市场格局就决定了竞争格局。
基于中国的国情，会长时间存在三类国内射频前端公司：PA公司、滤波器公司、Wi-Fi FEM公司。
2021年全球手机出货量约为13.2亿部，多方预测2022年全球手机出货量在12~13亿之间。虽然手机市场出货量不容乐观，由于国产替代空间很大，国产射频前端业绩仍将高歌猛进。
5G PA又分为Sub-6GHz UHB L-PAMiF、Sub-3GHz PAMiD和Sub-3GHz Phase5N。
Sub-6GHz UHB L-PAMiF已量产的有：慧智微、唯捷创芯、卓胜微
Sub-3GHz PAMiD：国内射频前端公司正在研发中
Sub-3GHz Phase5N已量产的有：唯捷创芯、慧智微、飞骧科技、昂瑞微、锐石创芯。
信通院发布信息，2021年国内手机市场出货量报告，国内全年出货3.51亿部，5G手机出货2.66亿部，占比75.9%。2G/3G手机出货已经很少，4G手机出货8000万部。据IDC报告，2021年全球5G手机的出货量增长率达到117%，而4G手机的出货量下降22.5%，但4G手机在未来几年会继续保持每年5亿部左右的出货量。
由此可以看出，剩余的4G手机市场能支撑起2家4G PA公司，但如果进不去5G PA市场，未来迷茫。由于过度竞争，4G PA市场最大的难题是没有利润，这个问题怎么解？
Cat.1是简易版的4G LTE，模块市场2G退出，4G Cat.1顶上。80%的Cat.1模块市场在中国，2021年出货为1.17亿个模块，2022年预计达1.5亿个，此后略有增长。
来源：Techno Systems Research
针对Cat.1市场，猎芯半导体自定义了一款4*4封装的PA，开创国产射频芯片公司自定义产品的先河。这款芯片无疑是成功的，从市场获悉，至晟微、芯朴科技都已经跟进，推出跟猎芯PIN脚兼容的Cat.1 PA，市场价格也快速的杀到0.3美金以下。Cat.1 PA每年有近3亿元市场规模，最终花落谁家？
最近，猎芯半导体又新发布一款更小尺寸自定义2.5*3.5封装的Cat.1 PA。而另一家射频PA公司正准备推出一款3*3封装Cat.1 PA，市场开始出现差异化，差异化的出现是市场良性竞争的开端。也有射频公司用CMOS取代砷化镓来做Cat.1 PA，通过工艺，去实现颠覆性创新。
70%以上的基站PA需求来自华为和中兴，现有的基站PA公司已经站好队，插队进去不容易。
面对近100亿美金的滤波器市场蛋糕，很难不为之所动。滤波器创业公司多达40家，关注和加入的投资人也越来越多。滤波器是个大赛道，大赛道下面分小赛道，每个小赛道最多容下三家。
LTCC跟半导体行业不相关；IPD是半导体技术的一种应用形态；滤波器实际上就是SAW和BAW/FBAR。由于工艺和技术的原因，BAW/FBAR一定是走高频高端路线。SAW分为RX Filter、TX Filter、双工器、四工器等，也分为Normal SAW、TC-SAW、IHP-SAW等。
国内滤波器公司做的最多的是RX Filter，少数公司做TX Filter，个别公司做双工器和四工器。做了，不代表把滤波器频段做全了，把性能和良率做好了。
有了RX SAW滤波器资源，才能做好RX FEM，RX FEM包括DiFEM和L-FEM。卓胜微是国产RX FEM的佼佼者，好达、德清华莹和麦捷科技也在进入该市场。这几家都有自己的SAW滤波器，只是卓胜微先做开关/LNA，再做SAW滤波器；而好达、德清华莹和麦捷科技是先做滤波器，再做开关和LNA。
一些没有开关/LNA技术和产品的SAW滤波器公司，通过外购或者合作也进入RX FEM赛道。射频开关没有太高技术门槛，招3个研发就可以搞定，滤波器公司一旦把RX FEM做起来了，一定会自己做开关和LNA，否则也做不大。
Wi-Fi FEM公司的存在，在于技术一直在演进，在于技术难度不比5G PA低。
Wi-Fi FEM赛道也分为两种公司，一种是专注于该赛道的Wi-Fi FEM公司，像康希通信和三伍微；另一种是作为附加产品线的射频公司，像唯捷创芯和卓胜微。
Wi-Fi FEM赛道不大不小，唯捷创芯和卓胜微如果做不到前二名，Wi-Fi FEM的营收对于他们这种年营收几十亿的公司没啥意义。
PAMiD决定射频前端未来
相比于分立方案，射频前端模组化方案集成度高、性能好、尺寸小。射频前端模组化是射频前端未来的发展方向，而PAMiD是国产射频前端走向强大的一座技术高峰，PAMiD决定射频前端未来，也决定国产手机PA公司未来。
然而，PAMiD将成为国产射频公司的一道分水岭，有公司会止步于此，有公司会跨越这座技术高峰走向强大。PAMiD成为国产射频PA创业最后机会。
5G是射频前端最大机遇，手机终端需要支持更多频段，定义了3GHz以上，6GHz以下的超高频（UHB，Ultra-High band）频段，对射频前端性能提出了更高要求。经过两年的方案迭代，主要分为Phase7系列方案及Phase5N两种方案。两种方案在Sub-6GHz UHB新频段部分方案相同，均为L-PAMiF集成模组方案；在Sub-3GHz频段分别为PAMiD模组方案和Phase5N分立方案。
集成LNA、PA、滤波器、收发开关及SRS开关的L-PAMiF成为主流选择，国产Sub-6GHz UHB L-PAMiF已量产出货。
接下来是国产PAMiD模组的技术攻关，必须要同时掌握有源（PA及LNA）及无源（SAW、BAW或FBAR）等技术能力，才能设计出PAMiD模组。目前掌握这些技术和资源的厂商只有Skyworks、Qorvo、Broadcom及Qualcomm。
由于国内厂商和国际厂商所拿到的滤波器的资源不同、滤波器的尺寸不同，照搬国际厂商的技术路线并不能设计出同样的PAMiD射频前端模组。
对于Sub-3GHz PAMiD模组产品设计，主要的挑战有：
需要射频前端厂商有模块内每个主要电路的成熟设计及产品化能力，如各频段的PA、LNA及开关等，并且各子模块电子无性能短板。
全集成模组本身构成一个复杂的系统，涉及到发射与接收之间隔离、各频段之间的抑制及载波聚合的通路设计等等问题。射频前端不再是一个单独的功能模块，需要厂商有强大的系统分析与设计能力。
小型化可集成的滤波器资源是模组设计的稀缺资源，目前在Sub-3GHz用到的主要是WLP（Wafer Level Package，晶圆级封装）或CSP（Chip Scale Package，芯片级封装）两种封装结构的滤波器。两种滤波器的比较如下图所示。WLP滤波器尺寸小、与模组内其他模块的设计中有优势，是未来模组内滤波器的发展方向。
来源：慧智微公众号（WLP与CSP两种封装结构下的滤波器比较）
在成功研发Sub-6GHz UHB L-PAMiF并实现量产之后，慧智微、唯捷创芯和卓胜微率先进入PAMiD的研发。虽然面临诸多问题和挑战，但这三家公司利用各自的资源和优势做最大努力的技术攻关。
唯捷创芯：
高度重视研发人员的引进、研发人才的培养和研发团队的建设。截至2021 年 6 月，公司的研发人员共 171 名，占公司员工比例 53.11%。公司的研发人员深耕射频前端行业多年，核心技术人员的从业经历已经超过二十年。技术积累、资源整合能力和大量研发投入是研发成功PAMiD的基础和保障。
慧智微：
在PA模组产品方向上较早进行了积累，并形成了系列成果和优势。前端的PA/LNA模块采用可重构架构，集成度更高，晶圆更少，有助于兼容较大尺寸的滤波器；具有软件调谐特性，有助于集成之后的二次适配；多代产品持续积累，具备PAMiD的封装管控能力。公司人数规模已近300人，研发人员占比超过50%。
卓胜微：
有了UHB L-PAMiF的技术基础和研发经验，有了滤波器的资源整合，有了强大资金做后盾，有了优质的客户资源为基础，未来在PAMiD这个产品上应该会有收获。
升新高：
海外归国创业做PAMiD，在国外有成功研发PAMiD的经验，回国越晚，技术越先进。
PA产品主导滤波器产品
射频前端的两个主体是PA和滤波器，射频前端产品的主体是模组，PA模组和RX FEM。
PA模组和RX FEM，都集成滤波器，成为最大射频前端产品市场。根据Yole预测，到2025年，PA模组市场规模增长到89亿美金，RX FEM为46亿美金，分立式滤波器是42亿美元。
个人观点：无源跟着有源走，被动跟着主动走，占比小的跟着占比大的走。因此，在接收模组里是开关跟着滤波器走，在PA模组里是滤波器跟着PA走。
现在，国产射频前端接收模组DiFEM都是跟着村田和高通（RF360）走，国产射频前端PA模组是跟着Skyworks和Qorvo走。
尽管村田对外宣称是模组公司，而不是滤波器公司；尽管在2012年村田收购了Renesas功率放大器业务，并在2014年，又以4.71亿美元收购Peregrine半导体以加强射频前端芯片业务，其手机PA模组仍没有取得成功。
相反，Skyworks、Qorvo和高通公司通过收购或者合并滤波器业务，其手机PA模组在市场上都取得了成功。
2014年，Skyworks与松下宣布组建合资公司，共同设计、开发SAW滤波器。2017年，Skyworks宣布以7.65亿美金收购合资公司旗下松下剩余的34%股权，实现全资控股。
2015年，RFMD和TriQuint合并成立Qorvo，RFMD擅长手机端射频器件，TriQuint则在SAW Filter和BAW Filte有技术基础和优势
2017年，RF360是高通与TDK共同成立的合资企业，制造SAW滤波器，来支持高通提供完整的4G/5G射频前端解决方案。2019年高通完成收购TDK合资公司，此次收购包括体声波(BAW)、表面声波(SAW)、温度补偿表面声波(TC-SAW)以及薄膜式表面声波(Thin Film SAW)等射频前端滤波器技术。
村田在PA模组产品上落败，却在RX FEM取得成功，为什么会是这样的结果？
因为做不做UHB L-PAMiF和PAMiD是手机射频PA公司跟平台一起决定的，不是滤波器公司决定。如果搞不定集成滤波器，射频PA公司可以采用分立方案，而且在高频段是采用IPD技术和LTCC滤波器，这方面不存在滤波器工艺的壁垒。村田在PA技术上没有竞争力，导致PA模组不成功。可以从发射部分和接收部分来具体分析：
1. 发射通路是一个复杂的系统，涉及到功率、功耗、线性度、不同频段间的隔离等复杂指标，这些指标之间相互影响，需要综合考虑。
2. 这些指标中，大多数重要指标与PA相关，比如功率、效率、线性度等，这些指标难度高，对系统影响大，所以一般发射通路的标准和方案由PA公司和平台共同制定。
3. 滤波器作为发射系统中的子模块，承担分解过后的滤波器部分指标实现，很难参与到全局系统指标的定义中来。
1. 接收部分不涉及大功率的输出指标，不需要考虑大信号对其他频段的干扰，所以接收部分系统指标定义中需要综合考虑的指标较少。
2. 对于接收部分，射频前端公司容易单独完成指标拆解和定义。
3. DiFEM包含开关和滤波器，显然和开关相比，滤波器是核心资源，谁掌握核心资源谁就掌握主导权。
但是，对于L-FEM，包含LNA、开关、滤波器三部分构成，由于LNA本身涉及到一些平台系统配合指标的设计，所以PA公司与滤波器公司均发挥自己优势，在这个产品形态中展开竞争，目前势均力敌。
最终，是手机射频PA公司走向滤波器，还是滤波器公司走向手机射频PA？
除非并购一家不错的滤波器公司，否则手机射频PA公司也很难从零开始去做滤波器。PA公司只要关注设计并采用成熟供应链就行。滤波器公司做的是全流程，从EDA到设计，从工艺到封测，这四部分哪个环节都很重要，哪个环节都要自己搞定，滤波器设计不一定是最重要的部分，某大厂做滤波器，仅EDA研发就投入200人。这几年下来，行业认知已达成一致，国内滤波器公司都开始搞工厂建自己产线，打通全产业链。做滤波器，是大资金和长时间的投入，一个也不能少。
至于滤波器公司去做手机PA，难度同样相当大，村田的案例就摆在眼前。
写在最后
时间从来不语，却见证了中国射频芯片的崛起。攀登上PAMiD这座技术高峰，一起坐看云淡风轻。滤波器是我们心中的一片海，波澜壮阔又深情款款；长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。
作者：
钟林，晋江三伍微电子有限公司
zhonglin@gsrmicro.com
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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