探討射頻器件未來創新之路（設計、工藝、材料）

發布時間：2021-12-29作者來源：金航標瀏覽：1563

射頻器件只有材料創新一條路可走嗎？當然不是。暫且拋開專業問題不談，但凡任何事情被認為只有一條路可走的時候，這個觀點都值得我們去質疑和討論。那么，關于射頻器件未來的創新之路，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，是實現信號發送和接收的基礎零件，有著廣泛的應用。射頻器件包括射頻開關和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負責發射通道的信號放大，濾波器負責發射機接收信號的濾波。目前，射頻器件的主要市場如下：手機和通訊模塊市場，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技術的日趨成熟，商業化趨勢正在加速。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、天線、調諧器等核心器件成為當前市場的風口。分析機構預測，到2023年射頻前端市場規模有望突破352億美元，年復合增長率達到14%。快速增長的市場讓行業看到了機會，新的射頻公司在不斷地涌現出來，國[敏感詞]頻廠商打造自主射頻供應鏈就成為很多廠商的追求，但縱觀現狀，差距仍舊明顯。著眼國內市場，在本土射頻廠商的合力下，2G射頻器件替代率高達95%，3G替代率85%，4G替代率只有15%，而在5G射頻領域替代率基本為零。

國[敏感詞]頻器件廠商大致如下：濾波器廠商

SAW濾波器國內廠商：好達，26所與麥捷，三安集成，55所；
BAW濾波器國內廠商：天津諾思、廈門開元通信、蘇州漢天下

4G PA主要廠家

唯捷創芯：4G PA出貨量是國內最大的，已經與洛達整合
絡達：被MTK收購，基于MTK平臺進行銷售。
展銳射頻產品線：基于展訊平臺銷售。
慧智微：依靠SOI架構創新，實現低成本。
昂瑞微：3G PA主要供應商，4G部分客戶采用。
飛驤科技：客戶基礎不錯。

國內3G PA主要廠家

絡達：客戶基礎好，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主要供應商。
飛驤科技：主要出貨是印度的Reliance項目。
展銳射頻產品線：出貨不多，主要出貨是印度的Reliance項目。

國內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年開始推產品，有部分客戶開始導入，目前出貨量不多。
展銳射頻產品線：2018年開始量產出貨，幾家大的網通客戶都已經導入，并做進華為。
三伍微：2018年成立，專注于WIFI PA/FEM，產品處在研發階段。

國內開關主要廠家：

卓勝微：國內最大開關供應商。
展銳射頻產品線：也是三星供應商，只占很少份額，開關出貨總量一般。
立積電子：2018年開關量產出貨，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廠商完成。國[敏感詞]頻芯片產業鏈已經基本成熟，從設計到晶圓代工，再到封測，已經形成完整的產業鏈。但是從國際競爭力來講，國內的射頻設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。

反觀國際射頻產業市場布局，根據相關機構統計數據顯示，在SAW濾波器中，全球80%的市場份額被村田（濾波器典型產品：SF2433D、SF2038C-1、SF2037C-1 等）、TDKQualcommRF360（濾波器典型產品：DEA162690LT-5057C1、DEA165150HT-8025C2、DEA252593BT-2074A3 ）、TAIYO YUDEN（射頻器件：D5DA737M5K2H2-Z、AH212M245001-T 等）等瓜分，在4G/5G中應用的BAW濾波器則被博通和Qorvo占據了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品線布局，擁有專用的制造和封裝鏈條，以IDM模式鞏固在設計能力、產品性能以及產能掌控的巨大優勢。同時，專利技術儲備也讓射頻巨頭有了更寬闊的護城河，使后來者短期內難以超越。

射頻器件的挑戰與創新

4G到5G的演進過程中，射頻器件的復雜度逐漸提升qi，產品在設計、工藝、材料等方面都將發生遞進式的變化。同時，射頻前端仍面臨許多諸如功耗、尺寸、天線數量、芯片設計、溫漂、信號干擾、不同類型信號和諧共存等技術端的難題。如何解決這些問題，成為當下業界關注的焦點，也是射頻器件的創新所在。隨著半導體材料的發展，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、發熱問題、尺寸等方面的改善之于射頻器件的發展自然是重要的創新之處。但在材料創新之外，射頻器件還有哪些創新的途徑？

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金屬半導體場效應晶體管，后面演變為HEMT（高速電子遷移率晶體管），pHEMT（介面應變式高電子遷移電晶體），目前為HBT（異質接面雙載子晶體管）。GaAs生產方式和傳統的硅晶圓生產方式大不相同，GaAs需要采用磊晶技術制造，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臺，同時砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導致GaAs成品IC成本比較高；SOI：SOI工藝的優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制程技術之一。依材料特性來看，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導熱性好，而且制程成熟、整合度高，具成本較低的優勢。SiGe既擁有硅工藝的集成度、良率和成本優勢，又具備第3到第5類半導體(如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)在速度方面的優點。只要增加金屬和介質疊層來降低寄生電容和電感，就可以采用SiGe半導體技術集成高質量無源部件。SiGe工藝幾乎能夠與硅半導體超大規模集成電路中的所有新工藝技術兼容，是未來的趨勢。不過SiGe要想取代砷化鎵的地位還需要繼續在擊穿電壓、截止頻率、功率等方面繼續努力。射頻PA采用的工藝分別是GaAs、SOI、CMOS和SiGe；射頻開關采用SOI、GaAs工藝；LTE LNA采用的工藝多為SOI、CMOS。進入5G時代，Sub-6GHz和毫米波階段各射頻元器件的材料和技術可能會有所變化。SOI有可能成為重要技術，具有制作多種元器件的潛力，同時后續有利于集成。

解決天線問題以手機為例，由于5G技術的特殊要求，從智能手機系統架構上來看，5G需求更高的數據速率，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諧方面、放大器線性和功耗，還有其他系統干擾方面上的挑戰。同時，天線數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，可以達到減少天線數量，節省空間的目的。現今毫米波天線主流成熟的方案為AiP（antenna-in-package）的模塊化設計，AiP方案主要因其RFIC與毫米波天線陣列相距較近，而有低路損的優點，故AiP方案已被眾多學者專家深入地進行研究、設計。目前AiP封裝天線技術正沿著兩個技術路徑發展。一個稱之為扇出型封裝天線技術（FO-AiP），另外一個稱之為覆晶型封裝天線技術（FC-AiP）。兩者區別在于一個有基板（Substrate），一個沒基板。

集成度未來濾波器等射頻器件將呈現向小型化、改進器件形式、組合式邁進的趨勢。就像十年前的4G，LTE連接建立在已有的3G技術之上一樣；早期的5G功能是通過添加獨立的芯片組到現有的LTE設計中實現，這意味著5G組件基本上像是用螺栓外掛在智能手機設計上，而不是被融合進核心芯片組中，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調制解調器，5G射頻收發器和單頻段5G 射頻前端，它們獨立與現有的LTE 射頻鏈路。這種初代5G調制解調器設計還需要額外的支持部件。因此，隨著行業的成熟，提高射頻器件集成度是必然的發展方向，業界將期待核心電路設計的進一步優化。一個高度集成和緊湊的射頻架構用來在一個設備中同時支持Sub 6GHz和毫米波段5G將成為人們的期待。

封裝方式5G時代，射頻廠商愈加關注射頻前端解決方案中的封裝創新，如更緊密的元件布局、雙面貼裝、共形/劃區屏蔽、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器件封裝的微型化、可量產、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的多種封裝解決方案。基于成本和成熟的供應鏈，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）。除少數廠商，大部分OSAT尚未準備好利用該技術大規模制造。在系統級封裝（SiP）部分，分為芯片/晶圓級濾波器、開關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新方式之一。