经过十年的发展,智能手机已经成为了半导体元器件的主要购买商。根据市场研究机构 Gartner 的数据显示,2017 年全球半导体的采购支出高达 4197 亿美元,当中三星电子和苹果持续位列前两名。前十名的半导体采购厂商中,有四家是智能手机领域的全球名列前茅的玩家,可见智能手机对半导体公司的强大影响力。
 
更重要的一点,智能手机引入的新功能,推动了半导体厂商走向了“芯”生巅峰。例如移动网络的需求发展成就了高通,指纹识别成就了 FPC 和汇顶,高性能的拍照需求让 SONY 重生。十年之后,以 iPhone X 为代表的新智能手机时代将开启新征程,一批半导体公司也会趁机崛起。
 
 
智能手机的新发展趋势
现在的智能手机缺乏创新,影响了手机的整体出货量和前景。据 IDC 的数据显示,全球智能手机 2017 年出货量接近 15 亿部,但这是自 2007 年苹果推出 iPhone 以后的首次回落。Strategy Analytics 随后发表的报告也表示,去年第四季,全球智能型手机出货量创出了有史以来的最大年增率跌幅。根据 Strategy Analytics 的观点,这主要是由中国市场大跌所导致。主要就在于中国市场由于手机更换周期变长,营运商减少补贴,缺乏令人惊叹的机型,中国消费者的购机需求大跌了 19%。归根到底就是缺乏了创新。
 
曾经多点触摸屏、指纹识别带来的那种惊艳,已经很久没有见到了,直到去年 iPhone X 的亮相,半导体和手机厂商似乎又找到了新的“激情”。
 
 
从 iPhone X 的构造上看,全面屏、OLED、3D 面部识别和无线充电是最大的吸引点,而现在的安卓阵型也将蠢蠢欲动,大力推动这几大特性在安卓手机的普及。也就是说,这些催生的新需求将会为半导体产业带来一些新贵。
 
以苹果 iPhone X 为例,从 Techinsights 的拆解我们可以看到,在苹果的 Face ID 系统中,红外相机和 ToF 由 ST 提供、OLED 屏幕和驱动由三星提供、OLED 屏幕 PMIC 由 TI 提供、环境光传感器来自 ams、无线充电芯片由博通提供,当中最重要的一个部件就是 Dot projector,这是成就苹果 Face ID 功能的关键部件。
 
据介绍,在该方案中,使用高功率的垂直共振腔面射型激光发射红外光激光,经由晶圆级光学(Wafer Level Optics,WLO)、绕射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)等结构,产生大约 3 万个“结构”(Structured)光点投射到使用者的脸部,利用这些光点所形成的阵列反射回红外光相机(Infrared camera),计算出脸部不同位置的距离(深度)。其中的 WLO 光学镜头就是 ams 供应的。
 
除了以上的机会外。在即将到来的 5G 方面,也有一批新的厂商迎来巅峰。
 
谈到 5G,射频前端会是一个重要的考量,例如在滤波器方面,BAW 将会迎来更多的基于。在 PA 方面,砷化镓和氮化镓 PA 也将携手并进。在基带方面,Intel 也获得了一席之地。再加上人工智能的引入,很多“新”厂商会在新一代智能手机中受益。
 
3D 传感器方案带来的推动
用于脸部识别的 3D 传感器方案是 iPhone X 上最大的革新,这也是给半导体业者带来更多新贵的部分。其中首先受益的是 ams(中文名艾迈斯半导体)。
 
这家奥地利企业在过去的三十多年里一直从事模拟传感器业务,产品包括了光学、环境、成像和音频等方面。公司拥有近万名员工,服务超过了八千家客户。据介绍,公司的一半营收来自于消费电子,另一半则来自汽车、工业和医疗等。
 
ams 的产品线
 
在 2017 年以前,ams 并不为全球大多数人所熟悉,但自从苹果划时代的 iPhone X 采用了他们的光学传感器以后,这家欧洲公司的知名度、业绩和股价都有了突破性的增长。据公司最新财报显示,2017 年第 4 季度,公司营收年增 252%至 4.703 亿欧元 ,全年营收营收年增 93%至 10.638 亿欧元,而这一切主要是拜 iPhone 所赐。据 Baader 分析师 Guenther Hollfelder 预估,艾迈斯半导体 2017 年营收有高达 40%是来自苹果。
 
ams 过去两年股价的变化
 
这次看好 ams 的一个观点来自于苹果 Face ID 是用的 3D 结构光方案,根据以往经验,这将会引领整个行业的潮流,催生庞大的市场,而当中的 WLO 晶圆级光学透镜就来自 ams,这是他们在收购 Heptagon 中获得的。其实为了迎接 3D 传感器,ams 还收购了 VCSEL 供应商 Princeton Optronics 和脸部识别软件公司 KeyLemon。另外还和国内的舜宇光学合作,共同为手机设备及汽车,开发和销售 3D 感应镜头解决方案,这让他们在提供整体 3D 传感方案的时候,比其他竞争者更有优势。
 
3D 结构光成像原理图
 

 

其次受益的 VCSEL 供应链。
VCSEL 是 Vertical Cavity Surface Emitting Laser 的简称,也就是垂直腔面发射激光器。这种激光器是使用三五族材料(砷化镓)为材料生产的,这就让它拥有其他传统激光器所不具备的低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤等优点,使其在半导体激光器中占有很重要的地位。这也让它成为了 3D 传感方案光源的首选。
 
边发射激光器和面发射激光器 VCSEL
 
BCC Research 公司的分析师认为,目前全球 VCSEL 的总收入已接近 8 亿美元,预计到 2020 年该值会增长到 21 亿美元。这就给相关供应链带来了巨大的成长空间,首先就是 VCSEL 供应商。
 
现在的苹果 VSCEL 的主要供应商是 Lumentum,这也是全球市占最大的 VCSEL 的供应商。Piper Jaffray 分析师 Troy Jensen 表示,Lumentum 原本拥有苹果 100% 的低功率 VCSEL 订单以及 75% 的高功率 VCSEL(用于 iPhone X)订单。它能取得这样的成绩,与其产品的优越表现有关。据介绍,其他竞争对手的 VCSEL 无论是良率或品质都落后于 Lumentum。Rosenblatt 分析师 Jun Zhang 发表的研究报告指出,苹果未来 2-3 个月开始为 2018-19 年预下 VCSEL 订单时,Lumentum 将继续保有领先位置。在中国 OEM 的出货量方面,更有希望在今年暴增三倍。
 
另一个 VCSEL 供应商是苹果正在力顶的 Finisar,这家公司创建于 1988 年,总部位于加州桑尼韦尔市,拥有约 1.4 万名员工。当前,Finisar 是苹果 iPhone X 手机的激光芯片供应商,更在去年十二月获得了苹果近四亿美元的订单,这将会推动其成为 Lumentum 的主要竞争对手。
 
除这两个厂商之外,前面提到的 ams、总部位于美国宾州的 II-VI 也将会使 vcsel 的竞争者。
 
磊晶厂也是 VCSEL 的受益者,要谈这方面,就需要从其制备说起。
 
就技术来说,VCSEL 和 LED 一样,都是结合光学材料的三五族半导体制程。但不同于纯硅的半导体制程良率往往可达到 99%,三五族磊晶制程良率普遍不高,低于九成是常有的事,甚至,要维持 VCSEL 芯片的特性及可靠性,VCSEL 还必须包含有外延技术、氧化工艺、保护绝缘工艺等关键技术,其中,氧化工艺是LED完全没有的技术,保护绝缘工艺更是大多数厂商几乎是无法克服的地方。最上游的磊晶厂中,英国的 IQE 就以高达五成的市占居第一位,在过去一年里,它们股价暴涨,最近几个月他们的股价有所回落,但这并不影响其总体增长态势。
 
IQE 过去一年的股价走势
 
但后来者的追踪,让 IQE 倍感压力。
 
台厂全新拥有 20%的市场份额、日厂 Sumika 份额则有 17%、台厂联亚和英特磊仅有 1%,至于大陆,除了新窜起的纵慧光电有所建树,其他则一无所获。
 
来到 VCSEL 代工方面,则是稳懋和宏捷科的天下,前者作为 Lumentum 的代工厂,在市场拥有很高的地位和份额,后者则据闻会是 ams 的代工厂。两者在未来将会有更大的成长机遇。值得一提的是,他们也是大型的 PA 代工厂,5G 时代的到来,对他们来说也是巨大利好。
 
5G 带给半导体的商机
5G 这个万亿市场,带给半导体的影响也是巨大的,当中主要受益者是射频厂商,这主要是由其高频特性带来的,首先体现在氮化镓和砷化镓的 PA 上面。
 
联发科旗下络达科技技术长林珩之在接受台湾新电子采访的时候表示,5G 基站的功率放大器将会以砷化镓与氮化镓制程为主,因其是功率主导(Power Handle),并以表现度为主要衡量指针。 但这样的制程需更多的校准(Calibration)程序,成本会比较高。 不过,基站的整体数量相较于手机应用是比较少的,因此即便其成本略高,仍在客户能接受的范围内。在手机功率放大器部分,目前 2G 是以互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程为主,3G、4G 则是砷化镓制程,5G 因为高频的关系,络达十分看好氮化镓制程,该技术同时还能让电压撑得更久,林珩之强调。
 
“未来 5G 时代,手机功率放大器采用的半导体制程,预估将会是砷化镓 / 氮化镓占一半、CMOS 占一半。 小于 6GHz 频段的半导体技术,会是以砷化镓与氮化镓制程为主,因天线与电磁波的波长是成正比的,且高频的天线比较大,也就须采用高功率的技术来达成,因此很有机会变成砷化镓与氮化镓制程的天下”,林珩之说。
 
据 Yole Développement (Yole)新出炉的《射频氮化镓市场:应用、竞争者、技术与衬底 2018 年 -2023 年》的报告中宣称,截止 2017 年末为止,射频氮化镓总市值已近 3.8 亿美元。5G 的出现,将会推动这个市场快速增长,根据他们的数据显示,从 2017 年到 2023 年的年複合增长率将高达 22.9%,届时市场总之也会达到 13 亿美元。
 
RF GaN 市场规模预测
 
从 Yole 的报告看到,这个市场主要由住友电工、Qorvo 和科锐(Cree)等 IDM4 公司主导,目前正处于关键阶段。而随着代工厂的加入,产业未来前景必将又是另一番景象。
 
至于砷化镓 PA 方面,来到 5G 时代,通讯速度将达到 4GLTE 的 100 倍以上,如此高速的信息传输已经突破硅基器件的频率限制,市场对砷化镓这种拥有更优高频增益材料的需求预计将大大增加。strategy analytics 甚至预测 5G 单机需要 16 颗 PA。过去在 2G 的功率放大器还可采用硅材料的产品(因为硅的成本较砷化镓低),但在 3G 和 4G 的功率放大器则是以砷化镓材料为主,来到 5G 更不必说,这就将给高通、SKYWORKS 和 Qorvo 供应商带来巨大的空间。
 
因为 5G 的频段可能更高,传统的 SAW 滤波器就有点捉襟见肘,这就给 BAW 滤波器方面带来了新的需求。据东东吴电子介绍,相比 SAW 滤波器,BAW 滤波器更适合于高频率。跟 SAW/TC-SAW 滤波器一样,BAW 滤波器的大小也随着频率增加而减少。另外,BAW 滤波器有对温度变化不敏感,插入损耗小,带外衰减大(steep filter skirts)等优点。这就让其成为 5G 的的首选。
 
东吴电子进一步指出,假设 2018 年全球智能手机出货量 16 亿部,每台手机所用滤波器(SAW/BAW 滤波器)平均按照 7 美元估算,预计全球智能手机用滤波器(SAW/BAW 滤波器)市场达到 112 亿美元。未来 5G 手机普及之后滤波器数量又将进一步增加,会为这一市场带来新的一轮高增长,Technavio 也在研究报告中指出,射频滤波器市场 2016-2020 的年复合增长率可达 15%,并且已经超越 PA 成为整个射频前端模块市场中最重要的组成部分。这也会给 Qorvo 和新博通等仅有的几家厂商带来机遇。
 
另外,无线充电和快充带动的中国半导体芯片厂商的发展,也将在未来成为一个亮眼的增长点,有没有厂商在新应用世行脱颖而出,这就得看厂商的布局。
 
但我们可以看到,在新终端形态下,半导体市场正在缓慢改变,巨头可能现在依然是巨头,但如果没有与时俱进地扩充产品、布局未来,也许就被新贵这个后浪冲到沙滩上。