射频PA国产化走到哪一步了？（附盘点）

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以下文章来源于机器人网 ，作者Momo Zhong

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为了摆脱“缺芯少魂”困境，自2014年以来中国集成电路制造业正全面加速“国产替代”的进程，如今不少细分领域已小有成绩。就拿射频前端(RFFE)主要器件之一的功率放大器(Power Amplifier，PA)来看，其主要用于实现发射通道的射频信号放大，近年来经历了三次发展提速。

最先是2017年的政策提速，国家发改委公布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录(2016版)》，将移动通信用宽频带功率放大器、滤波器等列为新型元器件。接着2018下半年起“中美贸易摩擦”打响，国产替代需求猛增，叠加5G通讯市场需求井喷，导致不少本土PA厂家走向台前。2020年全球疫情大爆发，海外PA工厂复产有限，最先复工的国产PA厂家拥有先发优势，在全球供应链上的影响力逐渐增强……

工艺选择：GaAs必死、GaN逆袭?

射频PA可以将微弱信号放大为功率较高的信号，其性能直接决定信号的强弱、稳定性等重要因素，直接影响终端的用户体验。

目前PA市场主要由国外厂商主导，市场份额集中在Skyworks、Qorvo和博通等国际厂商;国内PA厂商基本是Fabless设计公司，在技术/产品成熟度、解决方案以及市场推广能力、稳定供货等多方面存在一定程度的短板。

事实上，PA发展的第一个争论点，在于工艺技术。根据所用半导体材料不同，射频PA可以分为CMOS、GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)三大技术路线(表1)。如今性能更优异的GaN如期而至，SOI和SiGe的射频前端芯片应用也越发普遍，主流工艺GaAs的未来会像“老前辈”CMOS一样骤然沉寂吗?国内射频PA公司该选择什么工艺更有前景?


1.CMOS PA

CMOS是使用廉价的沙子作为原材料制备硅的第一代半导体材料。CMOS PA于2000年前后问世，于2G时代正式进入手机市场。虽然CMOS PA发展成熟且成本优势相对较大，但由于其线性度、输出功率、效率等性能比较差，无法满足3G、4G终端的应用需求，市场份额逐渐被新兴工艺瓜分。

如今，CMOS PA已经逐渐成为前人走过的一条“老路”。不是不能走，而是要走出花样、走出成效。例如在GSM通信中，国内的锐迪科(现紫光展锐)和汉天下(现昂瑞微)等芯片设计企业曾凭借RF CMOS制程的高集成度和低本优势，打破了采用国际龙头厂商传统的GaAs制程完全主导射频功放的格局，在2G PA市场一举取得半壁江山。(如今这两家的工艺已经升级迭代到GaAs、GaN技术。)

可见，没有落伍的技术，只有局限的思维。集成CMOS PA在WIFI、蓝牙、NB-IoT、LoRa等主芯片应用上还是有潜在的市场空间的。

2.GaAs PA

随着手机信号从3G、4G进化到5G，虽然电子设备中的其他原件仍然可以使用硅，但硅已经难以满足射频器件的技术要求。CMOS击穿电压弱、电子迁移率低、饱和电子速率低，特别是带宽会随着频率增加迅速减少，仅在3.5GHz频率内有效;而GaAs电子迁移率比硅高6倍，有较高的击穿电压，更适合使用在超高速、超高频器件应用上。

GaAs作为最成熟的化合物半导体材料之一，已经是射频PA的重要基石。GaAs在全球半导体市场占比较小，市场份额由几家射频IDM厂商瓜分：Skyworks、Qorvo和博通等(图1)。而全球76%的GaAs晶圆片代工由稳懋完成，另外两家也是来自中国台湾的制造商宏捷科技和环宇。可以说，GaAs器件市场被美国产业垄断，而GaAs代工市场被台系厂商承包。

来到2020年，由于贸易战、疫情、需求下滑的叠加影响，GaAs射频前端市场出现萎缩，导致相关射频前端器件IDM大厂与制造代工厂营收受到影响，GaAs产业格局或将重新洗牌。(图2)

集邦咨询披露，虽然美系IDM厂因贸易战导致中国区域营收下降，但中国手机品牌厂仍不得不采用美系PA产品，使其营收维持一定水平。不过，随着国产PA产业的蓬勃发展，这一发展格局或将改变，国内PA厂家有望在5G赛道上大步快跑，从而翻转“卡脖子”局面。


3.GaN PA

第三代半导体材料GaN在性能上显著强于前两者。GaN的禁带宽度更宽、击穿电压更强、饱和电子速率更快，能承受更高的工作温度(热导率高)。业界普遍共识，随着技术攻关进程加快，GaN将成为高射频、大功耗应用的主要方案。(图3)


不过，目前GaN PA仍在导入阶段，成本较高，主要在部分5G基站端应用率先实现替代GaAs。数据显示，5G基站对射频PA需求大幅增长，从4G基站的12个到5G基站的192个，所需PA数量有望增长16倍以上。

而在GaN供应链上，海外和国内的玩家势均力敌。境外厂家在制造端有明显优势，而国内厂商在末端的封测和应用上后来居上。(图4)


设计赛道：竞争激烈，需求鲜明

国内射频PA有手机、基站、Wi­-Fi、NB-IoT四大市场。根据调研机构Yole统计，手机PA市场约占65%，Wi­-Fi PA市场约占20%，基站市场约占10%，其他为5%。

1.手机PA

得益于5G换机周期和5G手机内PA所需量增加，2020年手机PA市场有望持续增长。据稳懋预计，5G手机所需PA数量将至少比4G手机多2-5颗。若4G LTE高端手机中PA价值量计算为3.3美元，那5G高端手机中PA价值量已经达到8.3美元以上。

如今的手机PA主要采用GaAs工艺。因为射频PA在5G面临新挑战有线性度失真、互调、功率要求提升、降低功耗等，这导致射频PA设计呈模组化趋势，以便缩小RF元件体积，加快手机产品上市时间等。

根据晋江三伍微电子有限公司的钟林在业内观察到：在这一赛道里，国外公司2G PA基本不再供货;而国内本土的2G PA在各方面性能都不输国外产品，成本更低、优势更大。而本土的3G PA整体性能已媲美国外产品，具有成本优势;国外主要是Qorvo CMOS 3G PA。至于4G PA要分成两档：在中功率4G PA，国产产品与国外基本已不相上下，能替换的都已经替换了;在高功率4G PA，国产PA整体性能上还是有点差距的，但也能满足手机客户的需求，最终取决手机客户的选择，是否对性能有极致追求。最后5G PA，国内产品差距还是很明显的，Skyworks和Qorvo在去年已经量产交货，国内公司今年才开始有样品。

尽管如此，国内手机PA厂商由于在2G、3G手机PA里沉淀了不少优势，同时还靠近需求市场，有望在5G和国产替代的红利下加速发展。(表2)


2.基站PA

5G基站建设需求旺盛，国内商用速度超过美国、韩国。工信部数据显示，国内三大运营商将在2020年新建超过60万个5G基站，相当于每周新增1.5万座基站。

据悉，5G基站区域的天线将以10个以下骤增到百个以上，对PA的需求提升了15倍以上。同时，天线的数量上升意味着需要尺寸更小的元器件，因此GaN工艺的PA在5G基站的建设中具有很高的地位。

基站PA的GaN、LDMOS、GaAs三种工艺的技术含量高，被国外厂家垄断。国内市场主要仍从恩智浦、日本住友、Amploen、Qorvo等公司进口。近些年国内公司也开始研发，真正批量出货的很少，国内PA厂商基本是Fabless设计公司和代工厂。(表3)


3.Wi-Fi PA

Wi-Fi PA是除手机PA外的第二大增长点。随着IEEE协议从802.11n演进到802.11ac，双频路由器(2.4GHz+5GHz)得到普遍使用，同时传统的两条2.4G天线逐渐转发为两条2.4G和两条5G天线配置，每条天线均需要对应一颗PA芯片。如今802.11acx被定义为Wi-Fi 6，更是对Wi-Fi PA的性能要求和数量需求提出更高的标准。

同样是来自三伍微电子的钟林行业观察：国产Wi-Fi PA与国际相比，Wi-Fi 4 PA/FEM的中功率产品性能不差于国际产品，完全可以替代，成本优势明显;但高功率产品还有少许差距。Wi-Fi 5的竞争赛道最拥挤，很多本土公司都在抢市场，各显神通但脱颖而出的不多;高功率差距更为明显。至于行业大热的Wi-Fi 6，中功率的国内厂家已经初露锋芒;国产高功率Wi-Fi FEM估计要到明年，预估与国外厂家的差距至少有3年。发展相对滞后的是Wi-Fi 7 FEM，Skyworks在客户端已经可以提供样品，但国内厂家仍在布局之中。(表4)


4.NB-IoT PA

由于2G、3G退网已定，5G建设进程加速，NB-IoT作为物联网的一个重要分支也将迎来产业化发展的新阶段。NB-IoT PA主要覆盖市场为智能燃气表、智能水表、智能烟感器、智能锁等细分行业。

在NB-IoT应用中，往往将PA集成进SoC中，从而提高集成度，大幅降低了模块的成本和开发复杂度，同时缩小了模组体积，降低了功耗。(表5)


不难发现，对于国产NB-IoT PA来讲，超宽带、低电压、极端温度和低成本是重点要考虑的方向。

最后来看国产PA的封测端。从工艺来分，CMOS工艺的代表企业有台积电、中芯国际、联电;GaAs工艺有台湾稳懋、台湾宏捷科、三安集成、海威华芯;SOI工艺有格罗方德、TowerJazz、中芯国际、华虹宏力;SiGe工艺有格罗方德、TowerJazz。封测端主要有大陆的长电科技、华天科技以及台湾地区的矽格半导体、同欣、菱生、日月光、京元电等。

总的来说，目前国内PA产品大多停留在中低端应用，布局高端应用的PA厂商暂且不够突出，需要玩家们持续性投入。不过，华为自行设计PA、5G应用带给更多替代的机会，必定会给国内PA厂商打上一剂强心针，使得PA产业再度加速发展。

作者：Momo Zhong
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