射頻前端被禁?華為手機難以承受之殤!|半導體行業觀察

半導體行業觀察 2019-05-27 02:03:10

來源:內容由 公眾號 半導體行業觀察 (ID:icbank)原創,謝謝!

隨著中美關係的發展,晶片和半導體器件國產自主化成為了近期人們關注的熱點。華為以及海思是中國半導體國產化的先鋒,的核心半導體器件中,國產化的比例居於同行前列。然而,如果我們仔細分析華為手機中的半導體器件,會發現射頻前端仍然是國產化的瓶頸。本文將分析射頻前端的重要性,並展望未來射頻前端器件國產化的發展。

射頻器件——難以繞過的門檻

作為一個例子,我們首先來看一下華為P30的拆解報告(來自iFixit)。在核心半導體晶片和元器件部分,我們發現在核心SoC(處理器+調製解調)、射頻SoC晶片、音訊晶片等都實現了自研,其儲存晶片分別來自於海力士()和美光(美國),感測器晶片來自於(歐洲),而射頻前端則完全來自於美國(Skyworks和Qorvo)。一旦中美關係緊張,我們認為儲存器晶片還有機會去找日韓的其他供貨商來代替來自美國的鎂光,但是射頻前端,尤其是在濾波器部分,非常難以找到來自美國之外的其他貨源,因此射頻前端部分可能會成為華為手機中受到美國影響最大的部分。

射頻前端器件是手機中的核心器件之一。 射頻前端器件直接與天線連線,一方面擔任手機內無線接收鏈路的先鋒大將,完成天線開關調諧、濾波、低噪聲訊號放大的工作,並把完成初步放大處理的訊號交給射頻SoC做進一步下變頻和數字化處理;同時,射頻前端器件也在發射鏈路端負責訊號的最後把關,實現訊號的濾波和功率放大。與射頻SoC相比,射頻SoC通常會使用CMOS工藝實現,而射頻前端由於效能和指標的要求,往往會使用專用工藝實現。

過去,射頻前端器件都傾向於使用分立器件實現,每個前端器件設計公司都走IDM的路線。而目前,射頻前端的發展路徑是向高整合度發展,廠商也在向Fabless的路線前進,工藝也在標準化,可以說與晶片行業發展的常規路線越來越接近。LNA、PA(功放)、開關等器件都在向整合化方向發展,例如使用SOI技術將LNA和開關器件整合在一塊晶片上,而PA也在向標準化工藝(如標準III-V族工藝甚至CMOS)方向前進。目前,不少射頻前端公司推出的射頻前端模組都是高度整合化的,例如使用在華為P30中的Qorvo 77031模組就包括了三路PA,BAW濾波器以及天線開關。

然而,濾波器卻不受射頻前端器件標準化趨勢的影響。在射頻前端器件中,需要非常高效能(即高品質因素)的濾波器以保證無線訊號滿足通訊協議對於干擾的要求。這類濾波器通常必須使用聲濾波器(低頻段用SAW,高頻段用BAW)實現。在濾波器領域,尤其是BAW濾波器領域,美國仍然佔據技術優勢,尤其是用在4G/5G高頻段的BAW濾波器,基本是美國的和Qorvo等公司獨佔鰲頭,目前尚未見到來自其他國家的BAW濾波器能進入大規模商用。

因此,在這一點上,濾波器又成為了射頻前端中最受制於美國的器件。舉例來說,華為P30中使用的Qorvo 77031模組包含了PA,BAW濾波器以及天線開關。如果美國政府出口禁令影響華為,那麼該射頻前端模組中的PA和天線開關都有機會使用來自於其他國家的供貨商,甚至使用國產模組替代,但是BAW濾波器卻會成為一個難以找到其他供貨源的弱點。一旦真的BAW被禁運,解決方法要麼是在系統設計上做巨大的努力,使用加入特別設計的射頻SoC配合SAW濾波器去做2.5GHz以上的高頻段,但是這會非常困難;或者就先退一步再進一步,在4G和5G直接退一步放棄2.5GHz-6GHz之間的頻段,由於4G和5G頻段眾多,結合無線的支援或許可行,當真正需要高頻寬的時候直接進一步使用5G毫米波來滿足使用者需求(5G毫米波由於頻帶衰減特性無需濾波器支援)。

濾波器有多難做

根據中國晶片的發展歷程,我們會發現在晶片工藝和晶片設計這兩項上,我們更擅長在晶片設計領域追趕。舉例來說,20年前我國在無線調製解調晶片是一片空白,而到了今天華為已經有能力釋出效能領先全球的5G調變解調器晶片了。從經濟和社會角度分析這個問題,這是因為晶片設計可以走Fabless的商業模式,Fabless的商業模式允許晶片設計公司無需承擔建造Fab的風險和鉅額費用,因此晶片設計公司需要的資本量比較低,資產主要是設計IP等虛擬資產,換句話說少量資本即可撬動晶片設計公司去獲取大量收入並帶來回報。因此,晶片設計公司無需國家資本的大量資助就能做得有聲有色,光靠社會力量也能把晶片設計這項事業做得很好。射頻器件中的LNA、PA等都比較偏重於晶片設計方向,因此我們會比較容易在這個領域實現國產化。與之相對的是晶片工藝領域需要大量的資本去建廠、購買裝置等,因此資產較重,光靠社會資本的力量在落後世界領先水平多年的情況下很難趕上。

而射頻前端中的濾波器則是屬於同時需要晶片設計和晶片工藝的積累,這是因為濾波器本身更像是一個半導體器件,因此需要在器件設計和工藝方面都有深厚積累。例如,BAW濾波器中的主流技術FBAR需要在有源區下方做高精度蝕刻,這就對晶片工藝方面提出了很高要求;另一方面,也需要能有同時瞭解器件物理和工藝的工程師來完成結合工藝的器件設計,來實現高效能濾波器。因此,為了實現高效能的BAW濾波器,通常需要工藝和器件設計的協同優化,BAW濾波器廠商需要有自己的Fab已完成定製化的工藝來生產濾波器。而需要Fab則意味著需要很高的資本投入。

正是因為BAW濾波器對於技術的高要求和對於資本投入的高需求,因此在全球的競爭格局上形成了寡頭壟斷的局面,僅有Qorvo和博通能大量出貨,即使Skyworks在BAW領域也缺乏話語權。

射頻前端器件的國產化之路

如我們之前所分析,射頻前端器件中離晶片設計方向較近的、可以通過標準化工藝加Fabless模式實現的部分,國產化會比較輕鬆。這些器件包括LNA、PA、天線開關等。例如,Vanchip、漢天下等中國公司已經能在4G PA上真正打入主流市場,而華為海思在LNA、PA、天線開關等領域有不錯的進展。在P30中,華為用的就是自研的LNA Hi6H01s晶片。隨著這些器件走向工藝標準化,我們認為這些器件國產化只是時間問題。目前,Qorvo等公司的競爭策略之一就是高整合度,即把PA等器件和濾波器器件放在同一模組中捆綁銷售,這樣可以藉助他們在濾波器領域的優勢去佔領LNA、PA的市場。

我國需要真正下大力氣追趕的是濾波器,尤其是BAW濾波器。如前文所述,射頻前端中的濾波器可以分為SAW和BAW兩類。SAW濾波器的歷史比較悠久,目前主要是日本(如Murata、TDK)和美國(如Skyworks)廠商主導。我國原先一些基站SAW的IDM供應商,例如好達電子、中電科德清華瑩等企業,近些年也積極擴產進軍終端消費類市場。同時,中國也有卓勝微、華遠微電、開元通訊、宜確等設計公司通過fabless模式切入SAW濾波器市場,並取得了不錯的進展,據悉已經進入了不少主流手機的供應鏈。然而,在BAW領域,中國廠商還需要加緊追趕 。

如前文所討論的,BAW濾波器需要的是工藝和設計的協同優化,同時需要長時間的技術積累,應該說指望在幾年內實現國產化替代基本不現實。在BAW濾波器領域,我們一方面應該看到其重要性,需要不遺餘力地支援,而從另一方面也應該給相關廠商以足夠的時間,讓他們的有時間把技術做好做紮實。因為在濾波器的現有技術路徑上,國際巨頭公司不僅壟斷了市場更是壟斷了絕大部分專利,所以開闢新的技術路徑並實現自主智慧財產權就成為濾波器國產化的必經之路,國內的初創公司,比如雲塔科技、開元通訊和晶訊聚震,在這方面做出了一些卓有成效的嘗試。目前我們看到重慶聲光電、開元通訊、中科漢天下等公司在FBAR BAW領域正在積極努力,希望我們能早日看到他們的努力得到回報!

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