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国产5G射频,举全产业链之力强攻!但这颗射频器件却被“卡脖子”
2023-05-18 来源:电子发烧友
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关键词:5G芯片集成电路

从2013年我国正式成立5G推进工作组以来,开始自己的研发和标准实施,在2、3、4G由西方国家主导的技术标准应用的经验来判断,跟着别人屁股走始终受制于人。所以在2016年的时候各项技术试验研发全面铺开,尤其是由华为主导的5G通信标准的技术研发能力为我国的5G发展打下坚实的基础。

从2018年华为发布首款5G手机开始,到2019年工信部正式颁发给三大运营商的5G拍照,开启式我们国家5G时代的立兴之路。截止2022年初我们国家部署5G基站达到140万多的设备。超过了世界总数了50%之高。手机移动5G用户超过了4.3亿户,比漂亮国的总人口还多。

从上面的数据表面看,在5G领域我们国家的发展确实非常乐观,而且5G技术专利和通信标准也是由我们为主导,核心技术实力被拥有雄厚研发实力的华为所掌握。但是川普上台后期,针对华为5G芯片限制的措施一发布,突然就像关上一扇门,5G的发展出现停顿,原来硬件中的核心5G芯片主要还是来源了西方国家。想要追上、赶超还有很大的距离。



据了解,到目前为止涉及到高尖端芯片或者5G智能手机中的RF射频器件方面的芯片技术,我们国产化程度还非常低,高达95%的市场需要从西方国家进口,这个芯片的主要作用就是能把射频信号和素质信号进行转化的芯片,也是核心的通信芯片。这直接决定了移动设备所需要支持的通信模式是什么,接受的信号强度有多高,通话的稳定性和功率等各种重要指标都离不开它。这些加起来直接影响了用户是使用体验和手机的市场拓展情况,没有达标的射频器件,响应的产品就没法满足市场需求,也就会被市场所淘汰。以至于后面华为减少、甚至停止了5G手机的销售,重回4G领域。目前逐渐开始有所改善。


5G第一大国在射频领域难以突破

目前掌握这些5G射频器件的主要厂商来源于这四大企业:Broadcom、Skyworks、Murata、Qorvo。他们基本把相关设备的市场占据了90%的份额,里面重要的SAW和BAW等滤波器基本都是被日本和其他如博通等企业所垄断。短期不容其他发展中国家插手发展。

射频前端的设计和工艺复杂,有着相当高的生产门槛。从设计上来说,不同频段产品的种类繁多。射频器件具体包括RF收发机、 功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、滤波器、射频开关(Switch)等。不同器件之间差异很大,需要投入大量时间研发、调试,而且研发结果的不确定性也很大;从制造工艺上来说,部分器件需要特殊工艺,国内下游代工企业并不成熟,即便相对比较成熟的器件工艺,国内产能也无法满足全部市场需求。

中国在起跑时也比国际领先的巨头晚了一大截,发达国家早在上世纪六七十年代 开始研发射频芯片,在技术、专利方面遥遥领先,这些大型厂商多以IDM模式经营,拥有设计、制造和封测的全产业链能力。而国内 射频产业起步较晚,无论是技术积累还是人才培养都与发达国家有明显差距。

2020年年报显示,Skyworks、Qorvo两大巨头全年研发支出高达4.6亿、5.7亿美元,收入占比分别为13.8%、14.2%,而同年国内巨头卓胜微研发投入为1.82亿元,占比仅为7%。研发投入低,造成国内 射频器件产品主要集中在中低端市场,同质化现象严重、盈利能力差,这又使得相当数量的公司无力在研发上增大投入。随着射频领域的全球市场竞争越来越激烈,近些年各大公司更是掀起了一场并购整合狂潮。  面对白热化的国际竞争,长期受制于人的国内企业正在不断加大自主研发的力度。



2018年,华为海思射频前端团队成立,首款PA模组Hi6D03已应用于Mate 20X上,其他如卓胜微、唯捷创芯等龙头企业规模近两年迅速扩大,已逐渐接近国外一些二线厂商。研发难度最大的SAW滤波器,也有一批国内厂商陆续进入市场,卓胜微依靠自筹和定增资金投入了滤波器研发和生产;旷达科技在2020年收购了日本NDK旗下SAW滤波器业务,已具备量产经验。此外,锐时创芯、芯朴科技等加入射频赛道的新玩家也在不断增多。


高集成度PA模组量产出货

随着5G的商用和普及,具备无线通信功能的终端设备种类愈加丰富。同时,在移动终端设备设计持续小型化的趋势下,射频前端模组化的趋势日益明显,PA模组为射频前端最大的细分市场。

2019年,锐石创芯推出同时支持5G SA和NSA ENDC的射频前端产品RR88643-91,这也是业内首颗兼容5G N41及支持N41/B41 PC2的射频前端模块,在同等功率下其效率优势明显,有利于降低5G应用的功耗。2019年底慧智微推出Sub-6GHzn77/78/79 5G双频L-PAMiF模组产品,是业界集成度最高的模组产品,并于2020年率先实现量产,应该是目前5G PA模组出货量最多的国内芯片公司。

2020年3月,搭载慧智微5G PA模组的首批手机终端批量生产。根据拆解机构eWisetech的报告显示,OPPO K7x手机首次采用了国产5G射频前端器件。K7x采用慧智微电子S55255 5G频段射频前端集成收发模组L-PAMiF,覆盖5G UHB 新频段n77/78/79频段,是集成度最高的5G射频前端模组。这也是拆解5G手机以来,首次见到国产5G射频芯片在手机上面应用。

2020年底,昂瑞微的Phase5N射频前端模组已经在多家手机厂商和ODM方案商实现量产。在eWiseTech对荣耀50手机的拆解显示,射频芯片部分,采用了昂瑞微的射频功放芯片OM9901-11与OM9902-11。OM9901和OM9902是昂瑞微在2020年推出的5G Sub-3GHz Phase5N解决方案。OM9901-11为2G频段设计,低频段支持GSM850/EGSM900,高频段支持DCS1800/PCS1900频段。OM9902-11支持3G/4G/5G NR频段。据介绍,昂瑞微拥有完整的PA/FEM产品线系列,其产品覆盖2G、3G、4G、5G Phase5N、L-PAMID和L-PAMIF全系列。是国内首家同时拥有大规模量产的CMOS PA和GaAs PA技术的厂商。



唯捷创芯在4G射频功率放大器产品出货量位居国内厂商第一。基于对 5G 前沿技术和市场的前瞻性布局,公司于2020年初实现5G射频功率放大器模组的量产销售,5G射频功率放大器模组累计出货超过1亿颗。2021 年上半年实现接收端模组的量产销售,快速推动新技术下的射频前端产品面市。唯捷PA模组以MMMB PA和TxM中集成度的PA模组产品为主。 此外,公司已在高集成度的L-PAMiF等产品上实现了量产销售。高集成度L-PAMiD模组处于向客户送样验证阶段。2021 年1-6月,公司高集成度PA模组开始向头部手机厂商及ODM厂商批量出货,销售数量超过 1,000万颗。

飞骧科技于2020年6月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和第一套采用国产工艺实现5G性能的射频前端模块。FX6779/FX6777/FX6728/FX6727等产品进行组合,可以完整满足Sub-6GHz频段1T4R、2T4R等方式的任意5G NR应用;在Sub-3GHz频段,FX6241和FX5627H可以覆盖所有频段,同时组合满足EN-DC应用需求;6种5G开关全面覆盖所有5G开关应用场景,并能提供低于2us的极速切换速度。

卓胜微的模组产品包括接收端模组产品LFEM、LNA BANK、DiFEM,以及WiFi连接模组产品,其中接收端射频模组产品已于2020年在多家知名手机厂商实现量产并出货,适用于5G通信制 式的LDiFEM 产品(集成射频低噪声放大器、射频开关和滤波器),已在部分客户实现量产出货。同时,公司持续丰富适用于5G NR频段的LFEM 产品组合,优化产品结构,提高产品覆盖度。不过,卓胜微新推出的适用于5G NR频段的主集发射模组(L-PAMiF)产品仍处于推广送样阶段。


滤波器成国产5G射频模组之痛

唯捷创芯表示,4G 时代,仅头部手机厂商旗舰机可能采用高度集成PAMiD射频前端解决方案。而在5G时代,L-PAMiD和L-PAMiF等更高集成度的射频前端解决方案或将成为中高端手机的标配,进一步提高射频前端企业中高端市场的准入门槛。唯捷在中低集成度PA模组方面自主完成芯片设计,仅SMD和高集成度模组中的LTCC滤波器属于直接对外采购的配套器件,在L-PAMiF、L-PAMiD等集成滤波器的模组中,唯捷需向外部厂商采购滤波器、多工器进行集成。



相较国际领先厂商,唯捷创芯在滤波器、多工器供应商产能保障、成本和部分超薄、 超小的高性能产品获取等方面存在一定竞争劣势。同时,Skyworks、Qorvo等领先厂商已量产迭代多款 DiFEM、PAMiD 等模组产品,5G智能手机对高集成度PA模组产品及架构方案的需求预计将逐步上升,唯捷将面临更高的技术挑战。而这一劣势,应当是唯捷进行研发突破的方向之一。

由此可见,即便是在高集成度L-PAMiF模组的核心元件供应上,国内 射频前端厂商也并没有完全自主。

而在Sub-3GHz模组上,更是遇到了滤波器难题。慧智微公开信息指出,相比于Sub-6GHz,虽然Sub-3GHz模组频率更低、功率更低,不需要复杂的SRS开关等,但由于Sub-3GHz频段较多,需要集成的滤波器及双工器更多,并且是SAW、BAW及FBAR等声学滤波器,对滤波器资源的获取、多频段的系统设计能力提出了高的要求。

由于在全模块子电路的设计和量产能力、强大的系统设计能力以及小型化滤波器资源方面的欠缺,国内厂商例如慧智微、唯捷创芯、卓胜微等在Sub-3GHz只能提供分立方案,而还不能提供Sub-3GHz 模组产品。在这里用于Sub-3GHz频段集成滤波器技术所需要的是SAW、BAW或FBAR产品,主要是WLP(Wafer Level Package,晶圆级封装)或CSP(Chip Scale Package,芯片级封装)两种封装结构的滤波器。WLP滤波器尺寸小、与模组内其他模块的设计中有优势,是未来模组内滤波器的发展方向。

滤波器方面,国内厂商有好达电子、麦捷科技、卓胜微、三安集成、诺思等等,它们在SAW、BAW、FBAR等产品的市场应用和产能建设方面都在加速发展。但目前国内滤波器还没有完全突破小型化、性能等问题可用于5G射频前端模组的集成,而国外厂商基本以提供模组产品为主,或受限于竞争以及供应等因素,国内厂商在模组方案上短时间难以突破。

俗话说,芯片等半导体领域就是西方手上的最后一张王牌,只要我们能坚持住,突破他们限制的瓶颈,我们将无惧任何对手,可以傲世天下走自己的发展之路!你们觉得我们工业2025能完成既定目标吗?



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