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這一戰(zhàn)場,中國本土射頻芯片爭先

發(fā)布時(shí)間:2022-09-05作者來源:金航標(biāo)瀏覽:1923


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小小的射頻開關(guān),在全球射頻前端市場占據(jù)重要位置,中國廠商更是給力。

作者:暢秋

5G越來越普及,手機(jī)內(nèi)部各個(gè)功能塊也越來越復(fù)雜,因?yàn)檎w性能要不斷提升,芯片元器件數(shù)量也在增加,與此同時(shí),對小體積、高集成度又有越來越高的要求。這一點(diǎn)在射頻前端體現(xiàn)得尤為凸出。

通常情況下,智能手機(jī)的射頻前端主要包括功率放大器(PA)、濾波器(Filter)、射頻開關(guān)(switch)、低噪聲放大器(LNA)等。其中,濾波器的價(jià)值量占比較高,達(dá)到53%,其次是功率放大器(33%)、射頻開關(guān)(7%)。

就價(jià)值量和設(shè)計(jì)難度而言,射頻開關(guān)要遜色于濾波器和功率放大器,但前者在射頻前端中的使用數(shù)量卻很大,更重要的是,中國廠商在射頻開關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高的市占率,與濾波器和功率放大器相比,有更多的話語權(quán)。

射頻開關(guān)的價(jià)值

射頻開關(guān)又稱微波開關(guān),主要用于控制微波信號(hào)通道轉(zhuǎn)換,廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)等移動(dòng)終端。按用途劃分,射頻開關(guān)可分為移動(dòng)通信傳導(dǎo)開關(guān)、Wi-Fi開關(guān)、天線開關(guān)等;按刀數(shù)和擲數(shù)劃分,又可分為單刀單擲、單刀雙擲、單刀多擲和多刀多擲開關(guān)。

射頻開關(guān)由傳導(dǎo)開關(guān)(Switch)和天線調(diào)諧開關(guān)(Tuner)兩部分組成,Tuner的技術(shù)難度高于Switch,因?yàn)門uner有極高的耐壓要求,導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電容對性能影響極大,對產(chǎn)品提出了更高的設(shè)計(jì)和工藝要求。

受到模塊化趨勢影響,目前,過半Switch集成在模組之中。而分立式的Switch則主要應(yīng)用在中低端手機(jī)中。

在智能手機(jī)中,射頻開關(guān)處于射頻前端的關(guān)鍵位置且必不可少,其插損、回?fù)p、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對射頻前端鏈路有重要影響。射頻開關(guān)的主要作用在于通過控制邏輯,實(shí)現(xiàn)對不同方向(接收或發(fā)射)、不同頻率的信號(hào)進(jìn)行切換,以達(dá)到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。

一般情況下,智能手機(jī)每多支持一個(gè)頻段,其射頻芯片就要增加一條接收通道,為了減少芯片面積,降低成本,一個(gè)接收通道往往會(huì)支持多個(gè)頻段,這就需要在射頻前端增加開關(guān)數(shù)量,以滿足對不同頻段信號(hào)接收、發(fā)射的需求。

5G手機(jī)所支持的頻段在4G LTE 66個(gè)的基礎(chǔ)上增加了50個(gè),由于5G要全部向下兼容,全球2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)合計(jì)支持的頻段數(shù)量超過110個(gè),因此,相對于4G手機(jī),5G的射頻開關(guān)數(shù)量將在10個(gè)基礎(chǔ)上再提升50%,達(dá)到15個(gè),而且,隨著技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展,未來這一數(shù)字還會(huì)進(jìn)一步增加。

另外,隨著封裝尺寸的減小,射頻前端呈現(xiàn)出模組化的趨勢,未來,射頻開關(guān)性能和單機(jī)價(jià)值量有望進(jìn)一步提升。

制程工藝

制造工藝層面,射頻開關(guān)主要分為兩種類型:機(jī)電式和固態(tài)射頻開關(guān)。固態(tài)開關(guān)使用半導(dǎo)體技術(shù)制造,例如硅或PIN二極管、場效應(yīng)晶體管 (FET) 和混合技術(shù)(即PIN二極管和場效應(yīng)晶體管的結(jié)合),并使用硅基基板構(gòu)建。

射頻開關(guān)制造工藝技術(shù)主要有CMOS、GaAs、RF SOI、RF MEMS,其中,RF SOI是主流技術(shù),CMOS技術(shù)占據(jù)少量份額,GaAs已經(jīng)面臨淘汰。隨著射頻開關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不斷創(chuàng)新,RF MEMS技術(shù)更能滿足未來射頻系統(tǒng)多模多頻通信的需要,正成為業(yè)界布局的重點(diǎn)。

RF SOI是一種具有獨(dú)特的硅/絕緣層/硅三層結(jié)構(gòu)的硅基半導(dǎo)體工藝材料,它通過絕緣埋層(通常為SiO2)實(shí)現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離,在器件性能上具有諸多優(yōu)點(diǎn),主要包括:減小了寄生電容,提高了運(yùn)行速度,與體硅材料相比,SOI的運(yùn)行速度提高了20%-35%;具有更低的功耗,由于減小了寄生電容,降低了漏電,SOI器件功耗可減小35%-70%;消除了閂鎖效應(yīng);抑制了襯底的脈沖電流干擾,減少了錯(cuò)誤的發(fā)生;與現(xiàn)有CMOS硅工藝兼容,可減少13%-20%的工序。

隨著RF SOI工藝的不斷改進(jìn),這種射頻開關(guān)的性能也在穩(wěn)步提升。

RF SOI工藝可以滿足當(dāng)下的頻段及性能要求,但也遇到了一些新的挑戰(zhàn)。射頻開關(guān)本身包含場效應(yīng)晶體管(FET),F(xiàn)ET會(huì)受到不需要的溝道電阻和電容的影響,通常情況下,射頻開關(guān)中堆疊了10到14個(gè)FET,隨著FET數(shù)量的增加,器件可能會(huì)遇到[敏感詞]損耗和電阻帶來的一系列問題。

另外,寄生電容也是一個(gè)問題,Skyworks(思佳訊)公司認(rèn)為,在射頻開關(guān)中,30%或更多的寄生電容來自于器件中的互連,互連包括金屬層或bonding線,這些也是RF SOI工藝存在的問題。目前,射頻開關(guān)的主流制造工藝是基于8英寸晶圓的180nm和130nm制程。許多互連層基于鋁材質(zhì),鋁價(jià)格便宜,但具有較高的寄生電容,因此,銅被用于射頻開關(guān)中一些特定層,銅是更好的導(dǎo)體,并且電阻小于鋁。

近些年,RF SOI晶圓代工廠已經(jīng)從8英寸晶圓遷移到12英寸,制程節(jié)點(diǎn)也從130nm遷移到45nm。通常情況下,12英寸晶圓廠只使用銅互連,這樣,射頻開關(guān)制造商可以降低電容。不過,12英寸晶圓提高了制造成本,這就形成了一對矛盾關(guān)系,即成本敏感的手機(jī)OEM廠商需要射頻開關(guān)保持較低的價(jià)格,但射頻開關(guān)制造商和晶圓代工廠希望保持利潤。

與RF SOI相比,RF MEMS的一些優(yōu)秀特性就凸顯了出來,這為射頻開關(guān)拓寬了發(fā)展道路。

RF MEMS開關(guān)種類繁多,它們可以用不同的機(jī)制來驅(qū)動(dòng)。由于具備功耗低、尺寸小的特性,靜電驅(qū)動(dòng)常用于射頻MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)。MEMS開關(guān)也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來控制打開或關(guān)閉。

RF MEMS能夠提供非常低的Ron(導(dǎo)通電阻),這也意味著更低的insertion loss([敏感詞]損耗)。但RF MEMS還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),因?yàn)榭紤]到風(fēng)險(xiǎn),主流OEM廠商很難選擇新技術(shù)和小供應(yīng)商,除非與RF SOI相比,RF MEMS開關(guān)能提供極具吸引力的價(jià)格,且其可靠性和供貨穩(wěn)定性有足夠保障。

中國本土廠商崛起

2020年,全球射頻開關(guān)市場規(guī)模為20多億美金,中國市場至少占到50%。除了傳統(tǒng)分立式射頻開關(guān),射頻前端模塊化的發(fā)展趨勢,使得越來越多的開關(guān)被集成進(jìn)模組,特別是手機(jī)PA模組,今后,PA模組里集成的開關(guān)會(huì)越來越多。這是國際大廠發(fā)展的方向,中國本土廠商也在快速跟進(jìn)。

目前,國際知名的射頻開關(guān)供應(yīng)商主要包括:Skyworks、Broadcom(博通)、Murata(村田)、卓勝微、韋爾股份等。

由于技術(shù)難度相對較低、射頻開關(guān)國產(chǎn)化率較高,卓勝微已經(jīng)占據(jù)了全球射頻開關(guān)(包含Switch和Tuner,分立式及模組中的開關(guān))約15%市場份額,紫光展銳、昂瑞微、艾為、飛驤科技、唯捷創(chuàng)芯、韋爾股份、迦美信芯等廠商也具備開關(guān)生產(chǎn)能力,整體國產(chǎn)化率約為20%。但把開關(guān)作為主要產(chǎn)品的公司較少,如卓勝微、迦美信芯、韋爾股份(開關(guān)/LNA是公司射頻產(chǎn)品線的主要產(chǎn)品)、艾為電子(開關(guān)/LNA是公司射頻產(chǎn)品線的主要產(chǎn)品),其它廠商大多把開關(guān)作為副線產(chǎn)品。

之所以如此,卓勝微的強(qiáng)大是一個(gè)重要原因。其射頻開關(guān)毛利率超過50%,年銷售額超過50億元人民幣,是[敏感詞]的產(chǎn)業(yè)龍頭。

在市場需求的推動(dòng)下,中國本土射頻開關(guān)廠商數(shù)量不斷增長,目前已超過15家。不過,除了卓勝微,分立式開關(guān)年銷售額超過1億元的公司還未出現(xiàn)。以小米為代表的OEM廠商,為它們供貨的中國本土射頻開關(guān)企業(yè)中,除了卓勝微,其它家拿到的份額都很小,目前來看,大客戶把卓勝微作為第一供應(yīng)商的策略不會(huì)變,剩余的部分由10多家公司瓜分。

卓勝微的射頻開關(guān)業(yè)績是在2017年開始快速增長的,在2015年之前,RDA、飛驤科技、唯捷創(chuàng)芯都已經(jīng)出貨射頻開關(guān)產(chǎn)品,直到今天,這些公司的射頻開關(guān)產(chǎn)品還在市場上推廣,但分立式射頻開關(guān)業(yè)務(wù)增長乏力。

綜上,在射頻開關(guān)領(lǐng)域,中國企業(yè)市占率較高。在這樣的基礎(chǔ)上,本土企業(yè)應(yīng)該再接再厲,對射頻前端中具有更高技術(shù)含量和利潤的芯片和模組加大投入力度,以期實(shí)現(xiàn)更高水平的發(fā)展。

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