射频对于5G的重要性距我们最近的一次,体现在华为事件上。 

 

4月12日,唯捷创芯(688153.SH)在上交所科创板上市,公开发行股份4008万股,占本次公开发行后总股本的10.02%,发行价为66元/股,计划募集资金24.87亿元。 唯捷创芯主要从事射频前端芯片的研发、设计和销售,是我国射频前端领域的先行者。根据公司招股书资料显示,公司创立的时间并不长,但公司的产品已经成功导入国内智能手机四大厂“华米OV”之中,同时,这些知名智能机厂商还是公司的股东。

 

招股书显示,华为旗下哈勃投资持股为3.57%,OPPO移动持股为3.39%,小米基金持股为1.74%,昆唯管理持股为1.5%。此外,中芯海河、华芯投资也是股东。

 

射频的千亿市场

 

射频芯片有“模拟芯片皇冠上的明珠”之称,因为其技术难度高、研发时间长,尤其是射频PA技术,长时间被国外所垄断。 

 

据Yole Development数据,2018年全球移动终端射频前端市场规模为150亿美元,预计2025年有望达到258亿美元,7年CAGR达到8%。

 

据Yole Development的统计与预测,分立器件与射频模组共享整个射频前端市场。2018年射频模组市场规模达到105亿美元,约占射频前端市场总容量的70%。到2025年,射频模组市场将达到177亿美元,年均复合增长率为8%。

 

射频前端主要用于不同频率的信号收发,主要器件有功率放大器、滤波器、低噪声放大器和射频开关等。 功率放大器(PA,PowerAmplifier),是各种无线发射机的重要组成部分,将调制振荡电路所产生的射频信号功率放大,以输出到天线上辐射出去。据Yole Development预测,预计功率放大器模组市场空间将从2018年的60亿美元增长到2025年的104亿美元,年均复合增长率为8%。

 

滤波器的作用是保留特定频段内的信号,将特定频段外的信号滤除,从而提高信号的抗干扰性及信噪比。通过输入电信号被输入叉指换能器转换成同频率声波,经过输出叉指能换器转换成电信号,实现频率选择。据Yole Development预测,从2018年至2025年,滤波器从约17亿美元增长至27亿美元,年均复合增长率为7%。 低噪声放大器的功能是把天线接收到的微弱射频信号放大,尽量减少噪声的引入,在移动智能终端上实现信号更好、通话质量和数据传输率更高的效果。据Yole Development数据,伴随5G逐渐普及,市场规模将从2018年的约3亿美元,增长至2025年的8亿美元,年均复合增长率将达到16%。

 

 射频开关的作用是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通,以实现不同信号路径的切换,包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等,以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。据Yole Development预测,分立射频开关的市场规模将从2018年的6亿美元增长至2025年的9亿美元,年均复合增长率为5%。

 

射频是5G的咽喉? 

 

相比于4G,5G有着增强型移动宽带、高效地处理数据流、固定无线接入、无线基础设施,低延迟以及物联网等技术和应用。这些增量式的改进依靠于射频前端的跨越式进步。

 

射频前端是移动通信设备的的重要部件。射频前端电路需要适应更高的载波频率、更宽的通信带宽,更高更有效率和高线性度的信号功率输出,自身需要升级以适应5G的变化,在整体结构、材质以及器件数量方面都需要巨大的革新。 射频对于5G的重要性距我们最近的一次,体现在华为事件上。 

 

美国对华为的制裁让华为消费者业务大受影响,造成有市无货的局面。国内外有许多射频芯片厂商,在频芯片产业链中占据重要的市场地位。但是并非所有的技术都能自如供应,或是不符合华为合作要求,或是使用了来自美国的技术。 

 

今年3月份华为申请的射频芯片专利名称为“射频芯片、基带芯片及WLAN设备”的专利公开,这项专利对应的就是射频芯片技术,也正是华为5G手机所缺失的关键技术芯片。 然而华为轮值董事长郭平在华为年报发布会上表示,华为手机业务在射频芯片供给方面仍有困难。

 

射频芯片的设计难点 

 

射频芯片的设计面临诸多难点,其中较为突出的是:器件射频精确建模、版图寄生参数提取准确性、电磁仿真的建模精度以及封装

 

射频电路随着频率的升高,对寄生参数会越来越敏感。较大的寄生电阻、电容会使电路性能降低,因为如何准确的评估寄生参数的量就变得尤为重要。因此需要对器件进行精确射频建模和对寄生参数的精确提取。

 

器件的射频精确模型是业内的一大难题,频率越高偏差会越大,还有一些器件特性难以建模,例如亚阈值区域特性,大信号条件下的高阶非线性特性,各类噪声特性的准确建模,这些模型的问题都会带来仿真结果与实际产品之间的差异。 

 

另外一个难题就是版图寄生参数提取的准确性和电磁仿真的建模精度问题,版图寄生参数通常只是提取寄生的电阻和耦合电容,精度也非常有限,这些寄生参数对电路有着非常大的影响,可能会使高频增益严重降低,噪声急剧恶化,匹配完全偏离设计,甚至带来稳定性问题;而且工作频率升高以后分布寄生参数对电路影响的评估变得极不准确,电磁耦合干扰的问题会很严重,这时就需要电磁仿真工具来进行评估。

 

 电磁仿真严重依赖于晶圆上各层材料的建模,这个模型非常难建的准确,特别是衬底的模型,通常都会简化很多因素来建立一个相对简单实用的模型,其次电磁仿真本身就存在精度问题,这都导致了版图对电路性能影响的评估存在偏差。

 

5G射频芯片一方面频率升高导致电路中连接线的对电路性能影响更大,封装时需要减小信号连接线的长度;另一方面需要把功率放大器、低噪声放大器、开关和滤波器封装成为一个模块,才能减小体积并且方便下游终端厂商使用。 

 

在射频前端领域,国际前五大厂商占据了全球超过80%的份额。特别在5G高端市场,目前国际厂商占据了全球90%以上的市场份额。 

 

华为5G射频芯片瓶颈能否被打破?

 

近日,对于射频芯片能否实现自主供给问题众说纷纭。

 

3月4日,富满微在互动平台上明确表示:公司5G射频芯片完全自主研发,具有完整的自主知识产权,正在加快建厂进度,从而为更多的用户供货。

 

3月9日,卓胜微也在互动平台上表态:公司研发的5G射频芯片,完全自主研发,并将进一步提升公司的抗风险能力。 4月上旬华为商城上架了缺货已久的HUAWEI P40 Pro。而这部手机所搭载的芯片,是7nm的麒麟9905G。 

 

所以大家纷纷猜测麒麟9905G是华为原有的麒麟990库存,加上国产厂商的射频5G芯片。 在一系列信息链条中,不少网友猜测5G射频芯片已完成国产化,华为5G射频芯片瓶颈即将被突破。

 

部分网友所持意见则与之相悖,原因是:富满微的5G射频芯片能否完成自主量产,以及5G射频芯片对工艺的需求较高,能否搭载主流智能手机中使用? 华为究竟能否通过5G射频芯片的国产替代实现王者归来,目前看来还难下定论。 

 

通过此次的“缺芯”潮让我们深刻意识到只有真正的完全自主可控,才能将公司的未来掌握在自己手中。为形成更强竞争力“华米OV”加入“射频之战”均在加大对射频前端如:滤波器、PA、射频开关、LNA等器件、模组厂商等方面的投资,将产业链上下游紧密联系在一起。

 

5G射频芯片的发展趋势

 

随着蜂窝通信从2G、3G、4G发展到5G,射频前端的重要性不断攀升,包括器件的用量,设计和工艺的要求都随之大幅提升。到了6G时代,射频前端的需求和重要性还将进一步提升,可以预见,市场在很长一段时间都有较大增长空间。

 

集成化需求推动全产品线布局 从3G时代开始,出于节省PCB面积、降低手机厂商研发难度的考虑,射频前端逐渐由分立器件走向模组。该时期以日本厂商主导的无源器件集成化产品FEMiD(FEMiD指把滤波器组、开关组和双工器通过SIP封装在一枚芯片中。)为主流(主要集成滤波器、开关),而欧美厂商继续钻研有源器件PA产品,两者泾渭分明。但4G时代的到来,OEMs厂商产生了对PA和FEMiD进一步集成的需要,即PAMiD模组(PAMiD把PA和FEM一起打包封装,使得射频前端的集成度再一次提高。),推动了有源厂商与无源厂商的并购融合,拥有PA、滤波器及开关全产品线的四大射频前端巨头Qorvo、Skyworks、Broadcom(Avago)、Murata也由此诞生。

 

从2G到5G,射频前端经历了从分立器件到FEMiD,再到PAMiD的演变,整个射频前端的集成化趋势愈加明显。 高频趋势势不可挡,新技术应运而生 高频资源的不断解锁,需要射频前端不断推出新技术以保证性能。其中,值得重点关注射频前端的两大“兵家必争之地”,有源器件PA和无源器件滤波器: PA的性能提升主要通过新材料于新工艺的结合,而非微缩制程。

 

存储芯片、处理器等数字芯片的发展规律大致遵从摩尔定律,即每18个月芯片的性能提高一倍,但射频前端作为模拟芯片,其特征尺寸的缩小并不能带来性能的提升和成本的下降:(1)击穿电压随尺寸缩小降低,而对于PA而言,需要高工作电压才能提供高输出功率。(2)模拟电路的整体尺寸并不随着特征尺寸缩小而等比例缩小(如电感),因此先进制程下,单位芯片成本不降反升。

 

观察过去几代技术更迭,我们可以看到PA的主流发展路径为(1)终端:从SiCMOS到GaAsHBT/GaAsHEMT;(2)基站:从SiLDMOS到GaNHEMT。

 

SiGe对应的CMOS工艺兼顾Si工艺集成度、良率和成本优势和第三代半导体速度优势,目前已经较为成熟,适用于在6GHz以下低频带。但是CMOS功放版图面积较大,设计复杂因此面临的研发成本也并不低,在线性度、输出功率、击穿电压等性能上仍不及GaAs。

 

而射频材料低频段以GaAs主导,高频段GaN占优。比较GaAs与GaN,低频领域GaAs可以承受较高工作电压,且GaN目前制造成本依然较高,5GSub-6GHz频段最适用的工艺方案是GaAs。 高频段下,滤波器由SAW技术迁移至BAW技术。

 

与PA面临的挑战类似,滤波器也同样需要在高更频段、更大带宽下保持高性能。在2G时代,SAW滤波器为主流技术,以Murata为业界标准;而从3G时代开始,Qorvo和Broadcom为代表的欧美厂商则通过高频段仍能保持高性能的BAW滤波器一举登上舞台。

 

SAW的频率与速率成正比,与IDT电极间间距成反比。当间距越小是,电流密度大会产生电迁移和发热等问题,因此SAW滤波器不太适合2.5GHz以上的频率。

 

BAW滤波器适用于高频(1.5GHz以上有优势),且尺寸会随频率升高而缩小,对温度变化不敏感,拥有极低损耗与陡峭的滤波器裙边。其工艺与成本比SAW/TC-SAW复杂,价格也更高昂。

 

国产芯片突出重围

 

与数字/逻辑电路不同,射频前端器件通常具有较高的技术、经验、资金等各种壁垒,国产射频前端整体起步较晚,与国际先进水平仍存在一定的差距。但随着国内市场需求不断增长、国家对集成电路产业日益重视,来自中国公司的射频芯片公司也涌现出了一批佼佼者如:卓胜微、唯捷创芯、富满微、飞骧科技等企业为实现5G射频自主供应贡献力量。

 

2021年卓胜微推出了适用于5GNR频段的L—PAMiF产品,这是一款纯国产射频5G芯片,包含了:主集发射模组,还有集成射频功率放大器、射频开关,以及滤波器和低噪声放大器等器件。

 

飞骧科技也宣布正式发布一套完整的5G射频前端方案,实现了两个第一:第一套完整支持所有5G频段的国产射频前端解决方案,第一套采用国产工艺实现5G性能的射频前端模块。

 

唯捷创芯也表示,其将对现有产品进行技术升级,包括应用于5G移动终端设备的高功率、高效率的线性功率放大器、低功耗的低噪声放大器模组,完善公司在射频前端的产品布局,为客户提供完整的射频解决方案,满足客户对高性能、高集成度的5G射频前端解决方案的需求。

 

5G射频芯片的突围,只是一个时间问题。 中国半导体企业发展正在加快步伐,即使在未来很长一段时间,我们中国的芯片企业势必还会面临很多的困难,但是国家的重视力度和大力发展集成电路的决心与日俱增,就连微软公司的创始人比尔盖茨则都说:“老美的做法只会加速中国芯片产业的自给自足。”所以我们的国产芯片定能够突破当时市场技术壁垒,芯片国产化的趋势也会越来越强,行业的景气度也会越来越高,进一步推动市场的发展,助力我国科技产业的发展。

 

作者:丰宁