《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 業(yè)界動(dòng)態(tài) > 手機(jī)中FEM越來越重要 國產(chǎn)射頻的機(jī)會(huì)在哪里

手機(jī)中FEM越來越重要 國產(chǎn)射頻的機(jī)會(huì)在哪里

2016-12-29
關(guān)鍵詞: 半導(dǎo)體 射頻 Skyworks FEM

Skyworks說起

Skyworks是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)射頻元器件巨頭。近來,隨著全球手機(jī)制式從3G逐漸轉(zhuǎn)換到4G,Skyworks的業(yè)務(wù)在不斷變強(qiáng),營收和利潤則不斷增加。Skyworks的凈收入在2015財(cái)年達(dá)到了32億美金之后在2016財(cái)年保持高位,而毛利潤率則在不斷攀升,2016財(cái)年達(dá)到了51%。

Skyworks的增長和中國市場密不可分。在之前《最依賴中國市場的十家美國半導(dǎo)體公司》一文中,我們指出Skyworks是最依賴中國市場的美國半導(dǎo)體公司,在2015年中國市場收入占其總收入竟達(dá)到了84%。

在2016年,Skyworks在中國的收入繼續(xù)增長。Skyworks在2016財(cái)年第四季度財(cái)報(bào)中表示,它在中國進(jìn)入了華為,Oppo和Vivo等出貨量排名前茅的手機(jī)的供應(yīng)鏈,由此獲得了顯著的利潤,并且將在未來把注意力集中在滿足中國前五手機(jī)廠商的需求。

Skyworks的中國市場究竟是什么

Skyworks在中國的主要收入究竟來自哪里?請(qǐng)看其官方網(wǎng)站上的圖片:

_GMYBUX7UOPNY1{5@I{~$7Q.png

這是一張華為榮耀手機(jī)的拆解圖,其中Skyworks的模塊在圖中都已標(biāo)出。從圖中可見,華為手機(jī)中使用的Skyworks模塊主要是射頻前端模組(FEM),包括天線調(diào)諧器(Antenna Tuner),射頻開關(guān)(SKY13xxx系列),PA模組以及SkyOne系列集成化FEM。這些FEM在一部手機(jī)中的價(jià)值達(dá)到了8美元以上,即每賣出一臺(tái)這樣的手機(jī)Skyworks就可以獲得8美元的收入。在中國,Skyworks打入了華為,Oppo和Vivo這些手機(jī)巨頭的供應(yīng)鏈,它的FEM業(yè)務(wù)也跟著這些手機(jī)巨大的年出貨量(三巨頭每一家2016年的年出貨量都可望超越7000萬臺(tái))而賺得缽滿盆滿。

什么是射頻前端模塊

隨著CMOS RFIC的普及,越來越多的模塊從分立器件轉(zhuǎn)到了集成電路上。然而,有一些器件由于各種各樣的原因,目前還無法集成到傳統(tǒng)CMOS RFIC上。這些無法集成到RFIC上的射頻器件通常稱為射頻前端模塊(RF Frontend Module, RF FEM)。一個(gè)完整的商用射頻系統(tǒng)包括使用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的基帶Modem,RFIC收發(fā)機(jī),以及由非傳統(tǒng)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的FEM。FEM離基帶較遠(yuǎn)而離天線較近,這也是FEM器件被稱為“前端”的原因。一個(gè)典型的包含F(xiàn)EM以及RFIC/Modem的射頻系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖所示。

[@{VN_C08XRY4[[ALB}]_%E.png

一個(gè)典型的包含F(xiàn)EM以及RFIC/Modem的射頻系統(tǒng)架構(gòu)圖

典型的FEM包含如下器件:

1. 天線相關(guān)的器件:天線調(diào)諧器(Antenna Tuner)與天線開關(guān)(Antenna Switch)。由于現(xiàn)代射頻系統(tǒng)(如手機(jī)的射頻系統(tǒng))通常要覆蓋多個(gè)頻帶(2G的GSM 900MHz,PCS/DCS 1.7/1.8GHz,3G的2.1GHz,4G TD-LTE的2.6GHz等等),而每個(gè)天線的頻率覆蓋范圍都有限,因此必須使用多組天線來覆蓋全部頻率,這樣就需要天線開關(guān)來控制在不同的應(yīng)用時(shí)切換到不同的天線。同時(shí),即使在使用同一組天線時(shí),對(duì)于覆蓋頻帶范圍內(nèi)的不同信道頻率,天線的特征阻抗也會(huì)發(fā)生一些變化。為了保證最大功率傳輸,一般會(huì)要求特征阻抗保持在50 Ohm ,這時(shí)候就需要天線調(diào)諧器幫忙來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。對(duì)于天線開關(guān),當(dāng)與發(fā)射機(jī)配合使用時(shí)必須保證足夠的線性度(發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可達(dá)30 dBm),而與接收機(jī)配合使用時(shí)必須保證足夠小的衰減,而這些要求一般CMOS工藝很難實(shí)現(xiàn),因此必須使用非CMOS工藝。

2. 多路器(diplexer)與收/發(fā)開關(guān)(T/R Switch)。多路器和收/發(fā)開關(guān)的目的都是實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)與天線信號(hào)之間的定向傳播。多路器通常用于頻分多路(FDM)系統(tǒng),其中接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的載波頻率不同,但是可以同時(shí)工作。多路器可以將發(fā)射機(jī)信號(hào)耦合到天線,或者將天線信號(hào)耦合到接收機(jī),并且將發(fā)射機(jī)信號(hào)與接收機(jī)進(jìn)行隔離以避免接收機(jī)鏈路被發(fā)射機(jī)干擾。收/發(fā)開關(guān)則是用于時(shí)分多路(TDM)系統(tǒng),其中在同一時(shí)刻接收機(jī)和發(fā)射機(jī)只會(huì)有一個(gè)在工作,因此需要把接收機(jī)或者發(fā)射機(jī)其中的一個(gè)接到天線。多路器與收/發(fā)開關(guān)都必須滿足很高的隔離度與很低得衰減,因此無法用傳統(tǒng)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。

3. 濾波器。濾波器必須能夠?qū)崿F(xiàn)非常陡峭的頻率響應(yīng)曲線,這樣才能把頻帶外信號(hào)衰減到足夠小,同時(shí)噪聲和插入損耗必須足夠小。濾波器所需的品質(zhì)因數(shù)(Q)非常高,目前主流的實(shí)現(xiàn)方案是SAW(表面聲波濾波器)與BAW(體聲波濾波器)。

4.功率放大器(PA)。功率放大器是射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊,它需要把發(fā)射機(jī)的信號(hào)功率放大到足夠大(如20dBm),才能滿足通訊協(xié)議的要求。隨著無線通訊協(xié)議的發(fā)展,數(shù)據(jù)率越來越高,同時(shí)無線調(diào)制方式也越來越復(fù)雜,這導(dǎo)致了功率放大器的線性度必須足夠好才能滿足協(xié)議的需求。另一方面,功率放大器的放大效率也不能太差,否則在放大信號(hào)的同時(shí)會(huì)消耗太多電池電量,導(dǎo)致手機(jī)一會(huì)兒就沒電了。CMOS工藝目前還無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足線性度和放大效率的功率放大器,因此必須使用其他工藝(如GaAs)來做功率放大器。

5.低噪聲放大器(LNA)。低噪聲放大器是接收機(jī)的關(guān)鍵模塊,決定了整個(gè)接收機(jī)的靈敏度。低噪聲放大器必須在噪聲系數(shù)很低的同時(shí)滿足線性度的需求。目前在中低端射頻系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將LNA完全集成到RFIC上,但是在高端射頻系統(tǒng)(例如在iPhone的一些型號(hào)中)還是使用了片外LNA模組以滿足系統(tǒng)對(duì)于性能的需求。

射頻前端模塊的趨勢(shì)

射頻前端模塊發(fā)展的總體趨勢(shì)是,手機(jī)中FEM越來越重要,F(xiàn)EM在手機(jī)中所占的成本越來越高,而各大廠商在嘗試各種新的技術(shù)以獲取更多利潤。

隨著4G日漸成熟,5G離我們?cè)絹碓浇漕l系統(tǒng)也需要做出相應(yīng)變化。我們首先來看一下通信協(xié)議變化的趨勢(shì)。由上圖可見,手機(jī)通信協(xié)議從2G到5G的主要變化是信道帶寬不斷在變大,從2G時(shí)代的200KHz,3G時(shí)代的5MHz,到4G時(shí)代的100MHz。

到了5G時(shí)代,信道帶寬可望進(jìn)一步變寬,甚至可能接近1GHz。為了實(shí)現(xiàn)越來越寬的帶寬需求,可以有兩種方法。其一是使用更多的載波聚合技術(shù)。載波聚合技術(shù)是指使用多個(gè)不相鄰的載波頻段,每個(gè)頻段各承載一部分的帶寬,這樣總帶寬就是多個(gè)載波帶寬之和。目前載波聚合技術(shù)在4G已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,例如如果要做4G LTE Band 40(2350MHz)和Band 41(2550MHz)的兩路載波聚合,可以在Band 40和41各使用18MHz帶寬,這樣總帶寬就是36MHz。

在5G為了實(shí)現(xiàn)高帶寬,載波聚合技術(shù)的路數(shù)必須上升。這也意味著5G時(shí)的頻帶數(shù)量也會(huì)上升以滿足載波聚合的需求。第二個(gè)提高帶寬的方法就是把載波頻率移動(dòng)到毫米波范圍(例如28GHz),而毫米波頻段載波可以提供非常高的帶寬。毫米波頻率的載波可望在5G時(shí)被引入。

對(duì)于FEM來說,目前的趨勢(shì)是一個(gè)手機(jī)終端需要的FEM器件數(shù)量在快速上升。首先,為了實(shí)現(xiàn)向后兼容,目前的4G手機(jī)上還是會(huì)需要2G-3G所需的FEM。而4G時(shí)的頻帶數(shù)量大大增多,需要更多的FEM以覆蓋這些頻段。

目前,支持4G標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)的數(shù)量正在快速上升。2012 年 2G/3G/4G移動(dòng)通訊手持終端出貨量占比分別約為 44.7%、48.5%、6.8%;2014年分別為 17.1%、51.7%、31.2%; 2018 年預(yù)計(jì)為 6.2%、 19.1%和 74.7%。 4G 手持終端出貨量和市場占比逐年增加,由 2011 年 2100 萬臺(tái)迅速增長至 2015 年的 9.67 億臺(tái),預(yù)計(jì) 2018 年可達(dá) 19.8 億臺(tái), 2011年至 2018 年復(fù)合增速高達(dá) 91.45%。隨著4G的快速普及,F(xiàn)EM模組的總出貨量也在節(jié)節(jié)攀升。

另外,4G載波聚合需要收發(fā)機(jī)同時(shí)工作在多個(gè)頻段,因此也需要多個(gè)FEM同時(shí)工作在不同頻段。到了5G時(shí),需要覆蓋的頻帶數(shù)預(yù)期會(huì)大大增加,載波聚合需要的路數(shù)也會(huì)上升不少,所以FEM器件數(shù)量在5G時(shí)還會(huì)繼續(xù)快速上升。以PA模組為例,4G多模多頻終端單機(jī)所需的 PA 芯片增至 5-7 顆。而且,隨著通信制式的愈加復(fù)雜,對(duì)PA的性能需求也在逐漸攀升,從而PA在手機(jī)中站的成本也越來越高。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 2G 時(shí)代手機(jī)單機(jī) PA 芯片成本僅 0.3 美元/部, 3G 手機(jī)則提升至約 1.25 美元/部,而 4G 時(shí)代則增至 2 美元~3.25 美元/部,高端手機(jī)成本甚至更高,僅iPhone6 射頻部分就使用了 6 顆 PA 芯片。而Strategy Analytics 預(yù)測 5G 單機(jī)需 16顆 PA,這意味著5G時(shí)PA在手機(jī)成本中所占比例也會(huì)逐漸升高。

最后,5G的一個(gè)標(biāo)志性技術(shù)是大規(guī)模MIMO。大規(guī)模MIMO需要多個(gè)天線組成的天線陣列同時(shí)工作以提高信道容量,這樣可以大大提升數(shù)據(jù)傳輸率。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO,射頻系統(tǒng)必須有多組天線同時(shí)工作,因此相應(yīng)的FEM數(shù)量需求也會(huì)增加。最后,為了能覆蓋毫米波范圍的載波,也需要相應(yīng)的FEM,這也給FEM設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

隨著手機(jī)終端需要的FEM數(shù)量上升,F(xiàn)EM在手機(jī)成本的比重也越加上升,越來越多的廠商也在紛紛加大在FEM方面的投入。例如,早些時(shí)候RFIC巨頭高通和FEM大廠TDK合資成立了RF 360,這樣高通就有了能提供從基帶Modem SoC,RFIC到FEM完整解決方案的能力。因此,F(xiàn)EM的技術(shù)發(fā)展速度也會(huì)隨著廠商的投入而加快。

目前FEM的技術(shù)發(fā)展方向主要包括如何使用新工藝以及如何增加集成度。

砷化鎵一直以來都是功放,天線開關(guān)以及低噪聲放大器等FEM的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝。然而,隨著技術(shù)的發(fā)展,成本較低的RF SOI工藝在天線開關(guān),低噪聲放大器等模塊中逐漸取代了砷化鎵工藝。在天線開關(guān)和天線調(diào)諧器中,RF MEMS也有機(jī)會(huì)進(jìn)一步取代RF SOI成為新的主流。對(duì)于濾波器和多路器來說,傳統(tǒng)的SAW正在被BAW慢慢取代。

另一方面,F(xiàn)EM的集成度也越來越高。當(dāng)手機(jī)需要越來越多的FEM器件時(shí),F(xiàn)EM必須增加集成度以把整個(gè)射頻系統(tǒng)的實(shí)際尺寸控制在合適的范圍內(nèi)。目前,已經(jīng)有一些廠商在研發(fā)把低噪聲放大器和開關(guān)模組集成在一起的方案,例如Skyworks的SkyOne模組(集成了PA,開關(guān),多路器在同一模組上,如下圖所示)。未來隨著RF SOI和RF MEMS工藝的進(jìn)一步普及,我們可望看到集成度更高的FEM。

中國的機(jī)會(huì)

目前,中國在 FEM領(lǐng)域發(fā)展落后國際水平不少,僅僅紫光展銳,漢天下等發(fā)布了以PA為主的一些FEM產(chǎn)品,在中高端市場還無法與國外巨頭競爭。然而,從另一個(gè)角度來看,發(fā)展還屬初步也意味著發(fā)展?jié)摿薮?。隨著中國加大對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的投入,中國FEM的發(fā)展也會(huì)步入快車道。

首先,我們要看到中國公司并非沒有技術(shù)實(shí)力和決心做好FEM。例如,在成熟的2G PA領(lǐng)域,漢天下和展銳都有很好的市場份額。

不過,F(xiàn)EM并不是一個(gè)孤立的領(lǐng)域,而是和上下游發(fā)展有關(guān)。在2G和3G時(shí)代,通信協(xié)議和收發(fā)機(jī)SoC的核心技術(shù)都是由國外巨頭(如2G時(shí)代的諾基亞,摩托羅拉,3G時(shí)代的高通)首先研發(fā),中國廠商的角色以追隨為主,F(xiàn)EM的研發(fā)也是如此,必須先花許多時(shí)間填補(bǔ)技術(shù)空白。

在4G時(shí)代,華為等中國廠商崛起,到了5G時(shí)代,相信中國在通信協(xié)議方面會(huì)有更多話語權(quán)(例如之前華為提出的Polar碼標(biāo)準(zhǔn)就獲得了國際肯定),而在收發(fā)機(jī)SoC的核心技術(shù)上也能不再落后。相應(yīng)地隨著FEM領(lǐng)域各大公司有了自己的技術(shù)積累,也能占據(jù)客觀的市場份額。

如果把Skyworks在中國的市場收入(20億美金)搶下一半,就可以有10億美金的客觀收入。而且在5G時(shí)代隨著FEM的重要性上升,這個(gè)數(shù)字或許會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10億。

其次,F(xiàn)EM目前是IDM模式最成功的領(lǐng)域。就在其它半導(dǎo)體芯片市場(如處理器,SoC等等)Fabless占據(jù)大半江山的時(shí)候,在FEM市場仍然是IDM獨(dú)大,這是因?yàn)镕EM設(shè)計(jì)需要仔細(xì)結(jié)合器件制造工藝,有時(shí)候甚至?xí)榱嗽O(shè)計(jì)而調(diào)整工藝。

目前FEM領(lǐng)域的巨頭Skyworks, Qorvo等都有自己的生產(chǎn)線。目前,半導(dǎo)體制造工藝已經(jīng)成為限制國產(chǎn)FEM發(fā)展的重要因素。然而,隨著半導(dǎo)體大基金的持續(xù)投入,中國半導(dǎo)體制造技術(shù)可望獲得長足進(jìn)展,這也會(huì)成為國產(chǎn)FEM的一個(gè)利好因素。

而且,目前許多FEM模組都在轉(zhuǎn)向RF SoI,該制造工藝相對(duì)砷化鎵等FEM的傳統(tǒng)制造工藝而言良率更高,成本更低,而且也更適合Fabless模式。我們預(yù)期在未來,會(huì)有不少中國FEM Fabless隨著RF SoI的普及而崛起。


本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請(qǐng)及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。