射頻器件只有材料創(chuàng)新一條路可走嗎？

當(dāng)然不是。

暫且拋開專業(yè)問題不談，但凡任何事情被認(rèn)為只有一條路可走的時候，這個觀點都值得我們?nèi)ベ|(zhì)疑和討論。

那么，關(guān)于射頻器件未來的創(chuàng)新之路，我們不妨來討論一下。

射頻器件概述

射頻器件是無線連接的核心，是實現(xiàn)信號發(fā)送和接收的基礎(chǔ)零件，有著廣泛的應(yīng)用。

射頻器件包括射頻開關(guān)和LNA，射頻PA，濾波器，天線Tuner和毫米波FEM等，其中濾波器占射頻器件市場額約50%，射頻PA占約30%，射頻開關(guān)和LNA占約10%，其他占約10%。

可以看到，濾波器和PA是射頻器件的重要部分，PA負(fù)責(zé)發(fā)射通道的信號放大，濾波器負(fù)責(zé)發(fā)射機(jī)接收信號的濾波。

目前，射頻器件的主要市場如下：

手機(jī)和通訊模塊市場，約占80%；

WIFI路由器市場，約占9%；

通訊基站市場，約占9%；

NB-IoT市場，約占2%。

如今隨著5G技術(shù)的日趨成熟，商業(yè)化趨勢正在加速。

5G需要支持新的頻段和通信制式，作為無線連接的核心，射頻前端中的濾波器、功率放大器、開關(guān)、天線、調(diào)諧器等核心器件成為當(dāng)前市場的風(fēng)口。

分析機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2023年射頻前端市場規(guī)模有望突破352億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到14%

快速增長的市場讓行業(yè)看到了機(jī)會，新的射頻公司在不斷地涌現(xiàn)出來，國內(nèi)射頻廠商打造自主射頻供應(yīng)鏈就成為很多廠商的追求，但縱觀現(xiàn)狀，差距仍舊明顯。

著眼國內(nèi)市場，在本土射頻廠商的合力下，2G射頻器件替代率高達(dá)95%，3G替代率85%，4G替代率只有15%，而在5G射頻領(lǐng)域替代率基本為零。

國內(nèi)射頻器件廠商大致如下：

濾波器廠商

SAW濾波器國內(nèi)廠商：55所，26所，好達(dá)；

BAW濾波器國內(nèi)廠商：天津諾思、廈門開元通信、蘇州漢天下

4G PA主要廠家

唯捷創(chuàng)芯：4G PA出貨量是國內(nèi)最大的，已經(jīng)與洛達(dá)整合絡(luò)達(dá)：被MTK收購，基于MTK平臺進(jìn)行銷售。展銳射頻產(chǎn)品線：基于展訊平臺銷售。慧智微：依靠SOI架構(gòu)創(chuàng)新，實現(xiàn)低成本。昂瑞微：3G PA主要供應(yīng)商，4G部分客戶采用。

·飛驤科技：客戶基礎(chǔ)不錯。

國內(nèi)3G PA主要廠家

絡(luò)達(dá)：客戶基礎(chǔ)好，價格偏高。昂瑞微：通過CMOS工藝把PA成本做低，性能不錯，市場上3G PA主要供應(yīng)商。飛驤科技：主要出貨是印度的Reliance項目。

展銳射頻產(chǎn)品線：出貨不多，主要出貨是印度的Reliance項目。

國內(nèi)WIFI PA/FEM主要廠家：

立積電子：臺灣上市公司，出貨量尚可，逐步蠶食SKY市場。

康希電子：2018年開始推產(chǎn)品，有部分客戶開始導(dǎo)入，目前出貨量不多。

展銳射頻產(chǎn)品線：2018年開始量產(chǎn)出貨，幾家大的網(wǎng)通客戶都已經(jīng)導(dǎo)入，并做進(jìn)華為。

三伍微：2018年成立，專注于WIFI PA/FEM，產(chǎn)品處在研發(fā)階段。

國內(nèi)開關(guān)主要廠家：

卓勝微：國內(nèi)最大開關(guān)供應(yīng)商。展銳射頻產(chǎn)品線：也是三星供應(yīng)商，只占很少份額，開關(guān)出貨總量一般。

·立積電子：2018年開關(guān)量產(chǎn)出貨，有一定出貨量。

此外，射頻器件各工藝制造和封測均可由國內(nèi)廠商完成。

國內(nèi)射頻芯片產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本成熟，從設(shè)計到晶圓代工，再到封測，已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

但是從國際競爭力來講，國內(nèi)的射頻設(shè)計水平還處在中低端，上述射頻器件廠商，銷售額和市場占比與國際大廠相比仍存在較大差距。

可見，國內(nèi)廠商依然在起步階段，還有很大的成長空間。

反觀國際射頻產(chǎn)業(yè)市場布局，根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在SAW濾波器中，全球80%的市場份額被村田（濾波器典型產(chǎn)品：SF2433D、SF2038C-1、SF2037C-1 等）、TDK（濾波器典型產(chǎn)品：DEA162690LT-5057C1、DEA165150HT-8025C2、DEA252593BT-2074A3 ）、TAIYO YUDEN（射頻器件：D5DA737M5K2H2-Z、AH212M245001-T 等）等瓜分，在4G/5G中應(yīng)用的BAW濾波器則被博通和Qorvo占據(jù)了95%的市場空間，PA芯片則超過全球90%的市場集中在Skyworks、Qorvo和博通手中。

在占據(jù)絕大部分市場之余，上述射頻廠商基本完成了射頻前端全產(chǎn)品線布局，擁有專用的制造和封裝鏈條，以IDM模式鞏固在設(shè)計能力、產(chǎn)品性能以及產(chǎn)能掌控的巨大優(yōu)勢。

同時，專利技術(shù)儲備也讓射頻巨頭有了更寬闊的護(hù)城河，使后來者短期內(nèi)難以超越。

射頻器件的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

4G到5G的演進(jìn)過程中，射頻器件的復(fù)雜度逐漸提升qi，產(chǎn)品在設(shè)計、工藝、材料等方面都將發(fā)生遞進(jìn)式的變化。

同時，射頻前端仍面臨許多諸如功耗、尺寸、天線數(shù)量、芯片設(shè)計、溫漂、信號干擾、不同類型信號和諧共存等技術(shù)端的難題。

如何解決這些問題，成為當(dāng)下業(yè)界關(guān)注的焦點，也是射頻器件的創(chuàng)新所在。

隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，Si、GaAs、GaN等射頻材料，陶瓷、玻璃等封裝基板材料更迭帶來的功耗、效率、發(fā)熱問題、尺寸等方面的改善之于射頻器件的發(fā)展自然是重要的創(chuàng)新之處。

但在材料創(chuàng)新之外，射頻器件還有哪些創(chuàng)新的途徑？

制造工藝

目前，射頻器件涉及的主要工藝為GaAs、SOI、CMOS、SiGe等。

GaAs：GaAs的電子遷移速率較好，適合用于長距離、長通信時間的高頻電路。

GaAs元件因電子遷移速率比Si高很多，因此采用特殊的工藝，早期為MESFET金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，后面演變?yōu)镠EMT（高速電子遷移率晶體管），pHEMT（介面應(yīng)變式高電子遷移電晶體），目前為HBT（異質(zhì)接面雙載子晶體管）。

GaAs生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式大不相同，GaAs需要采用磊晶技術(shù)制造，這種磊晶圓的直徑通常為4-6英寸，比硅晶圓的12英寸要小得多。

磊晶圓需要特殊的機(jī)臺，同時砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導(dǎo)致GaAs成品IC成本比較高；

SOI：SOI工藝的優(yōu)勢在于可集成邏輯與控制功能，不需要額外的控制芯片；

CMOS：CMOS工藝的優(yōu)勢在于可以將射頻、基頻與存儲器等組件合而為一的高整合度，并同時降低組件成本；

SiGe：近年來，SiGe已成了最被重視的無線通信IC制程技術(shù)之一。

依材料特性來看，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導(dǎo)熱性好，而且制程成熟、整合度高，具成本較低的優(yōu)勢。SiGe既擁有硅工藝的集成度、良率和成本優(yōu)勢，又具備第3到第5類半導(dǎo)體(如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)在速度方面的優(yōu)點。

只要增加金屬和介質(zhì)疊層來降低寄生電容和電感，就可以采用SiGe半導(dǎo)體技術(shù)集成高質(zhì)量無源部件。

SiGe工藝幾乎能夠與硅半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路中的所有新工藝技術(shù)兼容，是未來的趨勢。不過SiGe要想取代砷化鎵的地位還需要繼續(xù)在擊穿電壓、截止頻率、功率等方面繼續(xù)努力。

射頻PA采用的工藝分別是GaAs、SOI、CMOS和SiGe；

射頻開關(guān)采用SOI、GaAs工藝；L

TE LNA采用的工藝多為SOI、CMOS。

進(jìn)入5G時代，Sub-6GHz和毫米波階段各射頻元器件的材料和技術(shù)可能會有所變化。

SOI有可能成為重要技術(shù)，具有制作多種元器件的潛力，同時后續(xù)有利于集成。

解決天線問題

以手機(jī)為例，由于5G技術(shù)的特殊要求，從智能手機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)上來看，5G需求更高的數(shù)據(jù)速率，需要更多的天線。

這些天線包括多頻帶載波聚合、4x4 MIMO與Wi-Fi MIMO。

從而帶來了在天線調(diào)諧方面、放大器線性和功耗，還有其他系統(tǒng)干擾方面上的挑戰(zhàn)。

同時，天線數(shù)量增多留給天線空間越來越小。

因此，射頻廠商可以把GPS、WiFi、中頻、高頻和超高頻等射頻通道共用一個天線，可以達(dá)到減少天線數(shù)量，節(jié)省空間的目的。

現(xiàn)今毫米波天線主流成熟的方案為AiP（antenna-in-package）的模塊化設(shè)計，AiP方案主要因其RFIC與毫米波天線陣列相距較近，而有低路損的優(yōu)點，故AiP方案已被眾多學(xué)者專家深入地進(jìn)行研究、設(shè)計。

目前AiP封裝天線技術(shù)正沿著兩個技術(shù)路徑發(fā)展。

一個稱之為扇出型封裝天線技術(shù)（FO-AiP），另外一個稱之為覆晶型封裝天線技術(shù)（FC-AiP）。

兩者區(qū)別在于一個有基板（Substrate），一個沒基板。

集成度

未來濾波器等射頻器件將呈現(xiàn)向小型化、改進(jìn)器件形式、組合式邁進(jìn)的趨勢。

就像十年前的4G，LTE連接建立在已有的3G技術(shù)之上一樣；

早期的5G功能是通過添加獨立的芯片組到現(xiàn)有的LTE設(shè)計中實現(xiàn)，這意味著5G組件基本上像是用螺栓外掛在智能手機(jī)設(shè)計上，而不是被融合進(jìn)核心芯片組中，但對于芯片尺寸、性能和功耗都帶來了一定影響。

例如單模5G調(diào)制解調(diào)器，5G射頻收發(fā)器和單頻段5G 射頻前端，它們獨立與現(xiàn)有的LTE 射頻鏈路。這種初代5G調(diào)制解調(diào)器設(shè)計還需要額外的支持部件。

因此，隨著行業(yè)的成熟，提高射頻器件集成度是必然的發(fā)展方向，業(yè)界將期待核心電路設(shè)計的進(jìn)一步優(yōu)化。

一個高度集成和緊湊的射頻架構(gòu)用來在一個設(shè)備中同時支持Sub 6GHz和毫米波段5G將成為人們的期待。

封裝方式

5G時代，射頻廠商愈加關(guān)注射頻前端解決方案中的封裝創(chuàng)新，如更緊密的元件布局、雙面貼裝、共形/劃區(qū)屏蔽、高精度/高速SMT等。

5G頻段分為毫米波和sub-6G，越高頻段對于小型化封裝的要求也就越高，通過新型封裝形式去逐步實現(xiàn)器件封裝的微型化、可量產(chǎn)、低成本、高精度、集成化。

為將天線元件與射頻組件集成用于5G移動通信，市場上提出了不同架構(gòu)的多種封裝解決方案。基于成本和成熟的供應(yīng)鏈，扇出型WLP/PLP封裝得益于較高的信號性能、低損耗和縮小的外形尺寸，是一種很有前景的AiP集成解決方案，但它需要雙面重布線層（RDL）。

除少數(shù)廠商，大部分OSAT尚未準(zhǔn)備好利用該技術(shù)大規(guī)模制造。

在系統(tǒng)級封裝（SiP）部分，分為芯片/晶圓級濾波器、開關(guān)和放大器等各種射頻器件的一級封裝以及在表面貼裝（SMT）階段進(jìn)行的二級SiP封裝，其中各種器件與無源器件一起組裝在SiP基板上。

SiP提供了所需要的小尺寸、更短的信號路徑和更低的損耗。

同時由于不斷增加的功能對集成度有了更高要求，市場對SiP封裝方法也提出了更多需求。

可見，關(guān)于射頻器件封裝的理想解決方案近年來有許多研究，致力于在成本、體積和性能需求之間謀求平衡，未來也將是射頻器件的創(chuàng)新方式之一。

結(jié)語

射頻器件的追趕與替代，要求國內(nèi)廠商有“坐冷板凳”的決心和毅力，也需要政府和投資機(jī)構(gòu)給予企業(yè)更多的耐心，在5G和物聯(lián)網(wǎng)的大趨勢下，抓住射頻器件在新設(shè)計、新工藝、新材料、新封裝等方面的突破點，以市場機(jī)遇為契機(jī)，在不斷創(chuàng)新中去追趕。

芯片失效分析實驗室介紹，能夠依據(jù)國際、國內(nèi)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實施檢測工作，開展從底層芯片到實際產(chǎn)品，從物理到邏輯全面的檢測工作，提供芯片預(yù)處理、側(cè)信道攻擊、光攻擊、侵入式攻擊、環(huán)境、電壓毛刺攻擊、電磁注入、放射線注入、物理安全、邏輯安全、功能、兼容性和多點激光注入等安全檢測服務(wù)，同時可開展模擬重現(xiàn)智能產(chǎn)品失效的現(xiàn)象，找出失效原因的失效分析檢測服務(wù)，主要包括點針工作站（Probe Station）、反應(yīng)離子刻蝕（RIE）、微漏電偵測系統(tǒng)（EMMI）、X-Ray檢測，缺陷切割觀察系統(tǒng)（FIB系統(tǒng)）等檢測試驗。

實現(xiàn)對智能產(chǎn)品質(zhì)量的評估及分析，為智能裝備產(chǎn)品的芯片、嵌入式軟件以及應(yīng)用提供質(zhì)量保證。

編輯：黃飛

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