[原创] GaAs PA还有未来吗？
2020-04-07
14:00:03
来源: 半导体行业观察
无线的世界，无限的世界，射频PA因无线电而生，生活因无线通信而精彩。
行业文章和讨论纷纷，GaN（氮化镓）来了，SOI和SiGe射频前端芯片应用越来越多了，
GaAs（砷化镓）还有未来吗？
应邀请，与法国
Yole
进行了探讨和交流，数据分析和未来预测，写此文章，抛砖引玉，欢迎交流指正。
数字芯片是基于CMOS工艺选择制程，并非制程越先进越好，取决于芯片的定位和应用。目前射频PA的主流工艺是GaAs，主流之外还有CMOS、SOI和SiGe工艺应用于射频PA。
国内射频PA公司选择什么工艺，面对的就是什么样的路。选择GaAs工艺，就是艰辛之路，你追我赶，很难拉开差距。选择其他工艺，就是风险之路，要么成功要么失败。
正如德鲁克所言，企业只有两项基本职能：创新和营销
。国外芯片公司热衷创新，中国芯片公司热衷营销。常常听到一句话，没有卖不出去的产品，只有不会做销售的人。
GaAs PA有了Avago、RFMD（Qorvo）、Skyworks之后，国外多家初创公司选择的都是致力于用CMOS PA替代GaAs PA这条路。
只有创新，才有价值
。
2009年Skyworks收购Axiom Microdevices，当时AXIOM已经在2G手机上实现了千万级的CMOS PA出货量。
2013年4月， Avago Technologies 完成对Javelin Semiconductor的收购。RFMD收购CMOS PA初创公司Amalfi。
2014年6月，美国高通（Qualcomm）宣布收购BlackSand。成立于2005年的BlackSand发布了全球首款3G CMOS PA，并将效率做到39%，使得CMOS替代GaAs成为现实。其BST34系列功率放大器被设计为现有3G GaAs射频功率放大器的替代产品，而且实现了完全的功能及管脚兼容。由GaAs转换到CMOS，能够从改善的供应链和更低的成本中获益。
同年，高通RF360射频前端解决方案正式获中兴旗舰级手机Grand S II LTE采用，当时给市场一种感觉，未来CMOS PA将在LTE及LTE-A载波聚合(CA)技术的移动终端市场应用中大行其道，颠覆射频前端产业版图。
结果呢？2017年，美国高通（Qualcomm）推出一系列全面性的射频前端（RFFE）解决方案，包括首度推出砷化镓（GaAs）多模功率放大器（MMPA）模块。宣告高通CMOS PA之路彻底失败。
2016年5月，Skyworks宣布收购RFaxis。创办于2008年的RFaxis，立志成为新一代无线射频芯片的先锋。网上可以查到其高管的之前相关言论：“从2007年iPhone问世至今，大家都在讨论如何让RF简单化。传统的无线芯片一直采用的是砷化镓（GaAs），这导致成本高、产能低。硅是上帝送给人类的礼物，整个芯片业几乎都拿到这份礼物，无线通信领域应该尽快得到这份礼物。就像物联网是‘自然进化’的必然结果一样，虽然砷化镓是美国政府花了几十亿美元（用于国防）研制出来的，但是随着人们掌握更多如何应用硅的技术，‘GaAs之死’是必然的。”
GaAs没死，那些做CMOS PA的国外初创公司却都已消失，但创新的精神不会消失，芯片行业需要创新。国外CMOS PA初创公司失败在哪里呢？因为无线通信技术的车轮是滚滚向前的，对射频PA技术指标要求越来越高，
设计要弥补工艺的不足是很难的，工艺要弥补设计的不足相对要容易很多
。
国内射频PA公司集中在两个赛道：手机射频PA和WIFI射频PA。这两个赛道上都有不少于10家射频PA设计公司。因为谁都没有成功，谁都有机会。因此，射频芯片投资，看起来更像一场赌局。
收购或者并购国内芯片创业公司，鲜有发生，等待的要么是成功要么是失败，没有收购这个中间选项。为何？因为绝大多数国内芯片创业公司没有创新，没有差异化，走的是重复之路。
国内射频PA公司，有两家选择了工艺差异化路线。一家是
汉天下
，另一家是
慧智微
。汉天下走的是国外公司走过的路，慧智微走的是国外公司没有走过的
无人区
。
汉天下的成功在于2G PA，2G PA的成功在于选择CMOS工艺。尽管手机已经从2G到3G，再到4G，现在进入5G时代。这几年2G PA的市场需求始终保持在80KKpcs/M左右。汉天下通过CMOS 2G PA在性能上可以媲美GaAs PA，在成本上可以辗压2G GaAs PA，一举取得60%以上的市场份额。2016年汉天下也因2G CMOS PA曾获得“第十届（2015年度）中国半导体创新产品和技术项目奖。
再谈国内射频PA技术，避不开慧智微，一位射频PA公司创始人曾跟我说，国内射频PA竞争过度，长远来看慧智微会有优势。他是砷化镓射频领域的资深专家，又是友商，此言一出，我颇为惊讶。有言道，外行看热闹，内行看门道。市场的人看市场，技术的人看技术，我是产品人，喜欢从产品的角度来看技术和工艺。
基于SOI的RF性能特性和成本介于CMOS和GaAs之间，慧智微创新4G PA架构，一二级采用SOI，第三级放大采用GaAs，相比于三级放大都采用GaAs工艺的4G PA来说，成本上会有优势。但搞新东西，一是冒风险，二是需要持续的高强度研发投入。走这条路线，比跟随Skyworks的其他国内射频PA厂商要付出更多，没有学习和模仿的对象，全靠自己摸爬滚打和坚持。一旦产品成功，就会建立技术壁垒。
创业之后才知创业的苦，创新之后才知创新的难
。创业走别人同样的路是很难有机会的，
要想成功，唯有创新
。三伍微选择走pHEMT工艺路线，很多人不解，也不看好。ESD就是第一个拦路虎，SKY用pHEMT做的开关ESD只有120V，三伍微做到了1000V，以至于闳康测试完ESD，看到结果都怀疑是测试错了。因为不相信，海外客户拿到三伍微开关样品又重新做ESD测试。在pHEMT上做LDO和控制电路，难度不小，一遍一遍的研发测试，技术攻关，就是为了走出一条特色之路。每个工艺有每个工艺的优势，取其长处，避其短处，目的是为了寻找市场机会，定义出高度契合工艺和技术的产品。
砷化镓（GaAs）分为三类：HBT、pHEMT、MESFET。频谱范围：1GHz到100GHz，满足低频到高频应用。射频前端芯片产品中，射频PA采用HBT工艺，RF switch和LNA采用pHEMT工艺。
RF switch和LNA已转向SOI工艺，这是大势所趋。据悉，SONY关闭了pHEMT工艺线。SiGe抢食了一部分GaAs HBT份额，而且有扩大趋势。CMOS已经抢走了低频GaAs HBT市场。随着5G的到来，Qorvo 预测，8GHz以下砷化镓仍是主流，8GHz以上氮化镓替代趋势明显。氮化镓（GaN）作为一种宽禁带半导体，因具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持更宽带宽等特点，国际射频PA巨头已经在GaN上投入了巨额资金研究。
GaAs HBT工艺基于其稳定性与不错的性价比，未来将维持一定比重。作为射频PA的主流工艺，其研发工作仍在不断的进行中，必将拓展GaAs HBT的应用空间。GaAs pHEMT也是很好的工艺，如果能持续加以开发和利用，也会有不错的市场前景。
根据全球砷化镓6寸晶圆消耗数量和预测，法国调研机构Yole做了一个初步的统计和分类，由于疫情影响，2020年全球手机出货量会下滑，下面的数据会进一步更新。
Yole预测，从
2019
年到
2025
年，GaAs wafer 6"消耗量将保持
4%
的复合年增长率，晶圆需求量从
74.4
万片/年增加到
94.1
万片/年。
其中，
手机PA
对砷化镓晶圆需求量是最大的，占
57%
，预测2020年晶圆消耗量为
45.9
万片（会下修数据）。手机PA之外，
手机WIFI PA
和
路由器WIFI PA
消耗砷化镓晶圆的数量占比为
26.5%
，预测2020年晶圆消耗量为
21.2
万片（会下修数据）。
虽然随着物联网的到来，例如LTE Cat.1对GaAs PA的需求增加，但整体来看，集成CMOS PA的WIFI、蓝牙、NB-IoT、Lora等主芯片应用是趋势，GaAs晶圆消耗是负增长，预测复合年增长率为-7%。
根据预测，基站对GaAs PA和GaAs射频前端芯片的需求也有7%的年增长率，从2019年的3.4万片增长到2025的5.2万片。
出乎意外的是，Yole预测汽车雷达几乎将抛弃GaAs工艺，从2018年的6900片减少到2025年的800片。
根据一家有代表性晶圆厂的数据统计，WIFI PA对砷化镓晶圆的需求并不小，
数据改变我们以往的认知，WIFI PA市场其实不是小众市场。
2018年的时候，该晶圆厂的WIFI PA占比为25-30%，比手机PA只少10个百分比。手机上采用的是砷化镓WIFI PA，苹果、三星和华为等品牌都是。路由器上采用的更是砷化镓WIFI PA。
2019年，路由器主芯片开始集成5.8G PA，WIFI PA需求减少。手机上，除了苹果继续采用Murata的砷化镓WIFI PA，其他手机厂商已经转向SiGe工艺的WIFI FEM，因此2019年前两季度WIFI PA所需的砷化镓晶圆下降。随着WIFI6的到来，砷化镓WIFI PA的需求大幅增加，对应的砷化镓晶圆消耗量在2019年Q3季度又占到20-25%，比手机PA少了15个百分比，手机PA占比为35-40%。
选择决定命运，环境造就人生。在射频的世界里，工艺是我们要面对的选择。国外射频PA巨头可以有不同的团队做不同的工艺方向，并驾齐驱；国内射频PA创业公司，团队有限，资金有限，只能朝着一个工艺前进，工艺选择决定射频PA公司命运。
我看好每一个工艺，每一个工艺都有自己适合的产品和市场。不要奢望每一个工艺都能快速成为未来市场的主流，未来在我们的未知世界里。大梦想引领小梦想，小梦想助就大梦想。晶圆厂是大梦想，射频芯片设计公司是小梦想，只要晶圆厂坚定方向，就会有芯片设计公司跟随；只要有工艺的土壤，设计的种子就会生长。美好的世界，在彼此之间成就。
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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