半導體行業觀察 發表於 2020-12-03 17:08:02
射頻前端的「價值密度」
既然5G手機PCB面積是受限制的資源，同時我們需要在5G手機內「擠入」更多的射頻功能器件，因此我們評價每一類型射頻器件時，需要建立一個參數來進行統一描述，作為反映其價值與PCB佔用面積的綜合指標。
ValueDensity=（平均銷售價格ASP）/（晶片封裝大小）
接下來，我們使用VD值這個工具，分別分析一下濾波器、功率放大器、射頻模組三類產品的情況。
1. 濾波器的VD值
首先說明一點，由於通常情況下濾波器還需要外部的匹配電路，實際的VD值比器件的VD值還要再低一些。我們先忽略這個因素。根據以上的數據，我們可以得到一些結論：從LTCC到四工器，VD值持續增加，從1.2到10.0，增加比較快速。
2. 功率放大器的VD值
根據以上數據，也可以看到：
a） 從2G到4G，VD值從0.6增加到了1.5。
b） 4G向CAT1演進的小型化產品，以及向HPUE或者Phase5N演進的大功率PA，VD值增加到了2附近。
3. 射頻模組的VD值
根據以上數據，可以觀察到：
a） 接收模組普遍的VD值在5附近;
b） 接收模組中的小封裝H/M/L LFEM，VD值非常突出，大於10;
c） 發射模組（除FEMiD以外），VD值在4~6之間;
d） FEMiD具有發射模組最高的VD值。因此當FEMiD與VD值較低的MMMB PA混搭時，也能達到合理的PCB布圖效率。
表格匯總的同時，我們也增加了技術國產化率和市場國產化率的參考數據。一般來講，市場國產化率較低的、或者技術國產化率遠遠超過國產化率數字的細分品類，VD值會虛高一些。在本土相應產品市佔率提高以後，未來還會有比較明顯的降價空間。
射頻發射模組的五重山
發射1：PA與LC型濾波器的集成，主要應用在3GHz~6GHz的新增5G頻段，典型的產品是n77、n79的PAMiF或者LPAMiF。這些新頻段的5GPA設計非常有挑戰，但由於新頻段頻譜相對比較「乾淨」，所以對濾波器的要求不高，因此LC型的濾波器（IPD、LTCC）就能勝任。綜合來看，這類產品屬於有挑戰但不複雜的產品，其技術和成本均由PA絕對掌控。
發射2：PA與BAW（或高性能SAW）的集成，典型產品是n41的PAMiF或者Wi-Fi的iFEM類產品，頻段在2.4GHz附近。這類產品的頻段屬於常見頻段，PA部分的技術規格有一定挑戰但並不高。由於工作在了2.4GHz附近，頻段非常擁擠，典型的產品內需要集成高性能的BAW濾波器來實現共存。這類產品由於濾波器的功能並不複雜，PA仍有技術控制力;但在成本方面，濾波器可能超過了PA。綜合來講，這類產品屬於有挑戰但不複雜的產品，PA有一定的控制力。
發射3：LowBand發射模組。LB （L）PAMiD通常集成了1GHz以下的4G/5G頻段（例如B5、B8、B26、B20、B28等等），包括高性能功率放大器以及若干低頻的雙工器;在不同的方案裡，還可能集成GSM850/900及DCS/PCS的2GPA，以進一步提高集成度。低頻的雙工器通常需要使用TC-SAW技術來實現，以達到最佳的系統指標。根據系統方案的需要，如果在LB PAMiD的基礎上再集成低噪聲放大器（LNA），這類產品就叫做LB LPAMiD。可以看到，這類產品的複雜度已經比較高：PA方面，需要集成高性能的4G/5GPA，有時候還需要集成大功率的2GPA Core;濾波器方面，通常需要3~5顆使用晶圓級封裝（WLP）的TC-SAW雙工器。總成本的角度來看（假設需要集成2GPA），PA/LNA部分和濾波器部分佔比基本相當。LB （L）PAMiD是需要有相對比較平衡的技術能力，因此第三級臺階出現在了PA和Filter的交界處。
發射4：FEMiD。這類產品通常包含了從低頻到高頻的各類濾波器/雙工器/多工器，以及主通路的天線開關;並不集成PA。FEMiD產品通常需要集成LTCC、SAW、TC-SAW、BAW（或性能相當的I.H.PSAW）和SOI開關。村田公司定義了這類產品，並且過去近8年的時間內，佔據了該市場的絕對主導權。三星、華為等手機大廠，曾經或正在大量使用這類產品在其中高端手機中。如前文所述，有競爭力的PAMiD供應商主要集中在北美地區;出於供應鏈多樣化的考慮，一些出貨量非常大的手機型號，就可能考慮使用MMMB（Multi-Mode Multi-Band） PA加FEMiD的架構。MMMB PA的合格供應商廣泛分布在北美、中國、韓國，而日本村田的FEMiD產能非常巨大（主要表現在LTCC和SAW）。又如前文所述，FEMiD的VD值非常高，整體方案的空間利用率也在合理範圍內。
發射5：M/H （L）PAMiD。這類產品是射頻前端最高市場價值也是綜合難度最大的領域，是射頻前端細分市場的巔峰。M/H通常覆蓋的頻率範圍是1.5GHz~3.0GHz。這個頻段範圍，是移動通信的黃金頻段。最早的4個FDDLTE 頻段Band1/2/3/4在這個範圍內，最早的4個TDD LTE頻段B34/39/40/41在這個範圍內，TDS-CDMA的全部商用頻段在這個範圍內，最早商用的載波聚合方案（Carrier Aggregation）也出現在這個範圍（由B1+B3四工器實現），GPS、Wi-Fi 2.4G、Bluetooth等重要的非蜂窩網通信也都工作在這個範圍。可以想像，這段頻率範圍最大的特點就是「擁擠」和「幹擾」，也恰恰是高性能BAW濾波器發揮本領的廣闊舞臺。由於這個頻率範圍商用時間較長，該頻率範圍內的PA技術相對比較成熟，核心的挑戰來自於濾波器件。
先解釋一下為什麼這段頻率是移動通信的黃金頻率。在很長的發展過程中，移動通信的驅動力來自移動終端的普及率，而移動終端普及的核心挑戰在於終端的性能和成本。過高的頻率，例如3GHz以上、10GHz以上，半導體電晶體的特性下降很快，很難做出高性能;而過低的頻率，例如800MHz以下、300MHz以下，需要天線的尺寸會非常巨大，同時用來做射頻匹配的電感值和電容值也會很大，在終端尺寸的約束下，超低頻段的射頻性能很難達到系統指標。簡而言之，從有源器件（電晶體）的性能角度出發，希望頻率低一些;從無源器件（電容電感和天線）的性能角度出發，希望頻率高一些。有源器件與無源器件從本質上的衝突，到應用端的折衷，再到模組內的融合，恰如兩股強大的冷暖洋流，在人類最波瀾壯闊的移動通信主航道上，相匯於1.5~3GHz的頻段，形成了終端射頻最複雜也最有價值的黃金漁場：M/HB （L）PAMiD。多麼地美妙！
這類高端產品的市場，目前主要由美商Broadcom、Qorvo、RF360等廠商佔據。下圖是Qorvo公司在其官方公眾號上提供的晶片開蓋分析。可以看到，該類產品包含10顆以上的BAW，2~3顆的GaAs HBT，以及3~5顆SOI和1顆CMOS控制器，具有射頻產品最高的技術複雜度。該類產品通常需要集成四工器或者五/六工器這類超高VD值的器件。
責編AJX
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