5G萬物互聯(lián)時代對射頻PA市場影響分析報告

1、5G萬物互聯(lián)時代對射頻PA市場影響分析報告技術(shù)創(chuàng)新 變革未來目錄16從手機、基站到物聯(lián)網(wǎng)，萬物互聯(lián)時代射頻PA市場廣闊通信技術(shù)持續(xù)迭代，射頻PA行業(yè)技術(shù)革新永不止步到2035年5G將拉動12萬億美元的經(jīng)濟活動17資料來源：HIS，華西證券研究所圖：5G拉動經(jīng)濟增長情況預測HIS發(fā)布的報告5G經(jīng)濟：5G技術(shù)將如何助力全 球經(jīng)濟預測，未來5G技術(shù)將給全球經(jīng)濟帶來12 萬億美元的經(jīng)濟增長，而2020-2035年間5G技術(shù) 帶來的全球GDP增長量相當于一個印度的GDP。到 2035年，5G價值鏈本身將創(chuàng)造3.5萬億美元經(jīng)濟 產(chǎn)出，同時創(chuàng)造2200萬個工作崗位，其中中國總 產(chǎn)出9840億美元，就業(yè)機會9

2、50萬個，居全球首 位。圖：5G拉動產(chǎn)出與就業(yè)預測5G應用場景18資料來源：Yole，華西證券研究所5G關(guān)鍵技術(shù)19資料來源：Yole，華西證券研究所5G新增高頻頻段20資料來源：Qualcomm，華西證券研究所5G 新 增 頻 段 主 要 劃 分 為 sub-6GHz 和 毫 米 波 ， sub-6GHz 的 全 球 主 流 頻 段 主 要 包 括 n1/n3/n8/n20/n28/n41/n77/n78/n79等，國內(nèi)5G網(wǎng)絡的頻段主要是中國電信（3400MHz-3500MHz） 和中國聯(lián)通（3500MHz-3600MHz）使用的n78頻段、中國移動使用的n41（2515MHz-2675M

3、Hz）和n79（4800MHz-4900MHz）頻段。除n41頻段靠近4G頻段外，n78、n79頻段相對比4G頻段屬于更高的頻 譜。圖：全球5G頻段5G具有更大的帶寬21資料來源： Qorvo ，搜狐網(wǎng)，華西證券研究所4G走向5G時另一個重大的變化是 手機必須支持更大的帶寬，提高 帶寬是實現(xiàn)以全新5G頻段為目標 的更高數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵。LTE 頻 段不高于 3GHz，單載波帶寬僅為 20MHz，到了5G時代，F(xiàn)R1的信道/ 單載波帶寬高達 100MHz，F(xiàn)R2 的 單載波帶寬高達 400MHz。圖：4G與5G帶寬對比圖運營商5G頻段帶寬5G頻段號中國移動2515MHz-2675MHz160MHz

4、n414800MHz-4900MHz100MHzn79中國電信3400MHz-3500MHz100MHzn78中國聯(lián)通3500MHz-3600MHz100MHzn78中國電信、中國聯(lián)通的5G頻段n78帶寬分 別為100MHz ； 中國移動n79 頻段帶寬為 100MHz， n41頻段帶寬高達160MHz。圖：國內(nèi)三大運營商5G頻段帶寬智能手機市場規(guī)模大，5G將刺激換機22資料來源：Strategy Analytics ，華西證券研究所14.415.0714.313.30%14.881.30%-5%14.13-1.30%-5%0%5%1314151620152016201720182019Yol

5、e數(shù)據(jù)顯示，2018年全球智能手機銷售額4220億美元（約合3萬億元人民幣），以出貨量14億部計算，智能手機平均售價達到301美元（約合2000元人民幣）。愛立信數(shù)據(jù)顯示，2018年全球智能手機存量50億部，預計到2024年全球智能手機存量將達到 72億部。2018、2019全球智能手機出貨量同比均出現(xiàn)下滑，我們判斷主要原因是智能手機階段性創(chuàng)新 乏力、性能過剩導致的換機周期拉長，手機市場急需新動力。5G將有望刺激消費者換機，為 市場增長注入動力。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Strategy Analytics近日發(fā)布的最新報告稱，全球5G手機需求2020年一季 度大漲，其今年首季出貨量，超過去年的1870

6、萬臺至2410萬臺。圖：全球智能手機出貨量出貨量（億臺）同比5G全網(wǎng)通手機至少要新增3大頻段2018年12月中國三大運營商獲得n41、n78、n79三個頻段；工信部規(guī)定手機滿足攜號轉(zhuǎn)網(wǎng)，實現(xiàn)全網(wǎng)通功能，新的5G手機不僅要 向下兼容2G、3G、4G，也要兼容5G全部頻段。23資料來源：Qorvo，華西證券研究所4G時代的1T2R，1路發(fā)射、2路接收24資料來源：英飛凌，華西證券研究所典型的4G手機需要支持約40個頻段，如B1、B3、B5、B8、B38、B41等，每個頻段都需要有1 路發(fā)射和2路接收。發(fā)射通路上需要濾波器、功率放大器、開關(guān)等，接收通路需要開關(guān)、低 噪放、濾波器等器件。圖：4G時代1

7、T2R示意圖部分頻段的射頻前端可以共用25資料來源：RESONANT，華西證券研究所在4G LTE頻段劃分中，有部分頻率相近或重合的頻段，可以形成射頻前端器件共用，業(yè)界通常 將4G頻段劃分為低頻（698960Mhz）、中頻（17102200MHz）和高頻（24003800MHz），相應 的，對應射頻前端器件可以形成低頻模組、中頻模組和高頻模組。圖：4G手機射頻架構(gòu)5G新增頻段，且SA模式要求2T4R26資料來源：RESONANT，華西證券研究所歸根結(jié)底，由于5G增加了新頻段，支持新頻段就需要增加配套的射頻前端芯片。簡化來看，射頻發(fā)射通路主要是PA和濾波器，接收通路主要是LNA和濾波器，其他如射

8、頻開 關(guān)、RFIC、電阻、電容、電感均為核心芯片的配套。圖：5G手機射頻架構(gòu)圖：簡化示意圖手機射頻PA單機用量大幅增加27新增一個頻段將會增加2顆PA的使用量，新增三個頻段大概增加6顆左右 的PA芯片，4G多模多頻手機需要5-7顆PA，預測5G多模多頻手機內(nèi)的PA芯 片最多或?qū)⑦_到16顆。圖：3G、4G、5G手機射頻前端器件大幅度增多資料來源：MWRF ，華西證券研究所射頻PA市場增長穩(wěn)定28根據(jù)QYR Electronics Research 數(shù)據(jù)，2011-2018 年，全球射頻功率放 大器的市場規(guī)模從25.33億美元增長至31.05億美元，年均復合增長率 2.95%；預計至2023年，市

9、場規(guī)模將達35.71億美元。PA市場整體增速較 其他射頻前端芯片增速低，主要是因為高端4G和5G PA市場將保持增長， 但是2G/3G PA市場將會逐步衰退。圖：20112023年P(guān)A市場空間（億美元）資料來源： QYR ，華西證券研究所2531362520151050303540201120182023E手機射頻PA模組市場有望超百億美元29由于射頻前端模塊化是大勢所趨，且射頻PA是主動元器件，是射頻前端功耗最大的器件，決定了手機通信質(zhì)量，因此射頻PA廠商往往主導了PA模組的市場。根據(jù)Yole Development的統(tǒng)計與預測，2018年射頻前端市場為150億美元，并將以8的 年均復合增長

10、率增長，到2025年有望達到258億美元。其中，功率放大器模組市場規(guī)模 預計104億美元，接收模組預計29億美元，WiFi連接模組預計31億美元，天線模組預計 13億美元，分立濾波器及雙工器等預計51億美元，分立射頻低噪聲放大器及普通開關(guān)預 計17億美元，天線調(diào)諧開關(guān)預計12億美元。圖：20172023年智能手機射頻前端市場資料來源：Yole ，華西證券研究所理論上5G基站覆蓋范圍低于4G基站30資料來源：Qualcomm，華西證券研究所基站電磁波的自由空間損耗可以從Friis Transmission Equation(弗林斯傳輸方 程)得到電磁波波長與傳輸距離成正比，也即是電磁波頻率與傳輸

11、距離成反比。 理論上，當其他條件相同時，頻率越高基站覆蓋范圍越小，也即是5G基站覆蓋范 圍理論上低于4G基站。通過采用3D MIMO技術(shù)提升天線增益以提升下行覆蓋和下行用戶體驗，使得下行 覆蓋可以接近4G，不過考慮到終端（手機等）功率限制，上行鏈路是擴大覆蓋的 瓶頸。圖：3D MIMO技術(shù)圖：Friis Transmission EquationGIV預測2025年全球?qū)⒂?50萬個5G基站31資料來源：華為giv2025，華西證券研究所中國基站建設數(shù)量全球領(lǐng)先32資料來源：工信部，中商產(chǎn)業(yè)研究院，華西證券研究所35146655961966784185177263328372544900800

12、700600500400300200100020142015201820192016移動電話基站數(shù)20174G基站數(shù)省份2019年已建2020年目標廣東3.6萬個新建6萬個浙江1.57萬個新建5萬個山東1萬個新建3萬個重慶2萬個新建3萬個廣西2500個建成2萬個以上北京1.74萬個建成3萬個以上上海1.6萬個建成2萬個遼寧3000個建設2萬個深圳5450個建設約3萬個湖南2000個完成超1萬個河北-建設1萬個福建-建成1萬個2019年，全國凈增移動電話基站174萬個，總數(shù)達841萬個，其中4G基站總數(shù)達到544 萬個。中國4G的基站數(shù)量占到全球4G基站數(shù)量的一半以上。中國5G基站建設在全球占比

13、有望延續(xù)4G的格局。根據(jù)賽迪顧問的數(shù)據(jù)顯示，到2020年 底，全球5G商用網(wǎng)絡將從2019年的60個增至170個，基站會從2019年的50萬個增長到 150萬個，全球5G用戶預計將會從1000多萬增至2.5億，而中國將占全球整個5G基站建 設的50%以上，在用戶的發(fā)展數(shù)量上占世界的70%以上。圖：部分省份2020年5G基站建設目標圖：20142019年中國4G基站建設數(shù)量（萬個）宏基站單站PA使用量大幅度提升33資料來源：51CTO，搜狐，華西證券研究所根據(jù)中國聯(lián)通5G基站設備技術(shù)白皮書， 對于6GHz以下頻段， AAU設備主要包括 64T64R、32T32R、16T16R三種類型，這三種類型

14、設備主要區(qū)別在于設備收發(fā)通道數(shù)的差 異。相對比4G基站采用4T4R方案，收發(fā)通道數(shù)大幅度增加，每一個收發(fā)通道對應一個射 頻單元，5G宏基站單站射頻PA使用量對比4G基站有大幅度提升。圖：基站每個收發(fā)通道對應一個射頻單元圖：中興通訊 Pre5G Massive MIMO2.0基站射頻市場未來幾年有望翻番34資料來源：知乎，賽迪顧問，華西證券研究所由于基站建設呈現(xiàn)一定的周期性，因此基站射頻市場也相應的呈現(xiàn)一定的周期性。 根據(jù)賽迪顧問的數(shù)據(jù)顯示，中國基站射頻市場規(guī)模有望從2020年的不到50億元增長 到2023年的超過110億元，整體市場份額增長超過一倍，之后每年的市場份額將逐年 下降。圖：基站射頻

15、子系統(tǒng)構(gòu)成圖：2020-2027年中國5G細分環(huán)節(jié)市場規(guī)模預測（億元）5G時代室內(nèi)流量占比高達80%35資料來源：室內(nèi)5G網(wǎng)絡白皮書，華西證券研究所和發(fā)展的一個方向。5G技術(shù)將廣泛用于智慧家庭、遠程醫(yī)療、遠程教 育、工業(yè)制造和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體包括千兆級移動 寬帶數(shù)據(jù)接入、3D視頻、高清視頻、云服務、增強 現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）、工業(yè)制造自動化、 緊急救援、自動駕駛、現(xiàn)代物流等典型業(yè)務應用。 其中，高清視頻、AR、VR、遠程醫(yī)療、工業(yè)制造自 動化、現(xiàn)代物流管理等主要發(fā)生在建筑物室內(nèi)場 景。圖：室內(nèi)不同應用場景流量占比2019中國無線電大會上，中國鐵塔 通信技術(shù)研究院無線技術(shù)總監(jiān)鄒勇 發(fā)表

16、演講表示，相比4G時代的70%， 5G時代室內(nèi)流量占比高達80%，包括 語音、ARVR等應用，對網(wǎng)絡時延提 出了更高要求。而5G的頻段非常高，傳播損耗、穿透損耗都很大， 難以從室外傳到室內(nèi)。因此解決室 內(nèi)信號覆蓋是5G時代需要重點解決圖：5G應用場景小基站預計將迎來發(fā)展時機4T4R以上的室內(nèi)數(shù)字化分布基站有望 得到部署。根據(jù)工信部通信科技委常務副主任韋 樂平在2019中國光網(wǎng)絡研討會上的預 測2021到2027年國內(nèi)將建設數(shù)千萬級 小基站。36資料來源：室內(nèi)5G網(wǎng)絡白皮書，5G超密集組網(wǎng)技術(shù)研究，華西證券研究所圖：微微協(xié)同下的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖：宏微協(xié)同下的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖：室內(nèi)網(wǎng)絡運營平臺Wi-Fi網(wǎng)絡建

17、立了分布式連接架構(gòu)Wi-Fi全稱為wireless fidelity,在無線局域網(wǎng)的范疇是指“無線相容性認證”，實 質(zhì)上是一種商業(yè)認證，同時也是一種無線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。 Wi-Fi主要定位成小范圍、熱 點式的覆蓋，工作在2.4GHz或5GHz兩個未授權(quán)頻段。 Wi-Fi標準由IEEE標準協(xié)會制定。Wi-Fi網(wǎng)絡建立了分布式連接架構(gòu)，使Wi-Fi能承載絕大部分無線流量，并在住宅內(nèi)、 建筑物內(nèi)、設備密集的室外區(qū)域等提供寬帶連接。Wi-Fi 已成為當今世界無處不在的技術(shù)，為數(shù)十億設備提供連接，也是越來越多的用戶上網(wǎng)接入的首選方式，并且有逐步取代有線接入的趨勢。37資料來源： IT百科，搜狐網(wǎng)，華西證券研

18、究所圖：WI-FI應用圖：華為無線路由器Wi-Fi技術(shù)不斷發(fā)展以滿足更多需求38資料來源：百度文庫，華為WIFI 6技術(shù)白皮書，華西證券研究所時間標準頻段最大傳輸命名1997年802.112.4GHz2Mbps1999年802.11b2.4GHz11Mbps1999年802.11a5GHz54Mbps2003年802.11g2.4GHz54Mbps2009年802.11n2.4GHz 和5 GHz540 MbpsWi-Fi 42013年802.11ac wave15 GHz1.73GbpsWi-Fi 52015年802.11acwave25 GHz3.47Gbps2019年802.11ax2.

19、4GHz 和5 GHz9.6GbpsWi-Fi 6表：Wi-Fi標準發(fā)展隨著視頻會議、無線互動VR、移動教學等業(yè)務應 用越來越豐富，Wi-Fi接入終端越來越多，IoT的 發(fā)展更是帶來了更多的移動終端接入無線網(wǎng)絡， 甚至以前接入終端較少的家庭Wi-Fi網(wǎng)絡也將隨著 越來越多的智能家居設備的接入而變得擁擠。因 此Wi-Fi網(wǎng)絡仍需要不斷提升速度，同時還需要考 慮是否能接入更多的終端，適應不斷擴大的客戶 端設備數(shù)量以及不同應用的用戶體驗需求。圖：不同Wi-Fi標準下的接入量與人均帶寬關(guān)系為適應新的業(yè)務應用 和減小與有線網(wǎng)絡帶 寬的差距， 每一代 802.11的標準都在大 幅度的提升其速率。Wi-Fi

20、6性能全面提升39資料來源：華為WIFI 6技術(shù)白皮書，華西證券研究所Wi-Fi 6是新一代802.11 ax標準的簡稱，核心技術(shù)包括OFDMA頻分復用技術(shù)、DL/UL MU MIMO技 術(shù)、更高階的調(diào)制技術(shù) (1024 QAM)、空分復用技術(shù)SR BSS Coloring著色機制、擴展覆蓋范圍（ER）等，支持2.4 GHz頻段，具有目標喚醒時間（TWT）功能。Wi-Fi 6連接數(shù)翻倍，傳輸速率 最高可達9.6Gbps，低時延，更低功耗。于2019年Q3正式開啟認證計劃。802.11ax設計之初就是為了適用于高密度無線接入和高容量無線業(yè)務，比如室外大型公共場所、 高密場館、室內(nèi)高密無線辦公、電

21、子教室等場景。根據(jù)預測，到2020年全球移動視頻流量將占 移動數(shù)據(jù)流量的50%以上，其中有80%以上的移動流量將會通過Wi-Fi承載。圖：不同WI-FI標準下應用場景Wi-Fi6滲透率持續(xù)提升40資料來源：IDC，華西證券研究所IDC在3月4日發(fā)布2019年第三季中國WLAN市場季度追蹤報告顯示，WLAN市場整體規(guī)模仍處平穩(wěn) 增長趨勢，其中Wi-Fi 6在去年第三季開始從一些主流廠商陸續(xù)登場，首次登場的Wi-Fi 6產(chǎn)品在去 年第三季便有470萬美元的銷售規(guī)模。IDC 預計，今年Wi-Fi 6將在無線市場中大放異彩，僅在中國 市場的規(guī)模就將接近2億美元。IDC預測國內(nèi)到2023年Wi-Fi市場

22、規(guī)模將超過12億美元，Wi-Fi 6將在 未來幾年快速滲透。圖：2014-2023年中國網(wǎng)絡無線市場規(guī)模預測目錄41從手機、基站到物聯(lián)網(wǎng)，萬物互聯(lián)時代射頻PA市場廣闊通信技術(shù)持續(xù)迭代，射頻PA行業(yè)技術(shù)革新永不止步5G給射頻PA設計帶來了更大難度42資料來源：集微網(wǎng) ，華西證券研究所5G除了新頻段增加射頻PA的用量外，由于手機輕薄化趨勢下留給各器件的空間越來越小， 如何在更小的空間里面增加更多的PA、LNA等是一個很大的挑戰(zhàn)；多天線導致后端插損更大，因此PA需要更高的功率；PA是大信號電路，帶寬越大對設計的要求越高，帶寬從20MHz提升到100MHz是一個量級的提升，PA設計上需要進行升級。圖：

23、5G給射頻前端帶來的挑戰(zhàn)射頻PA的工藝及演進43資料來源：GLOBALFOUNDRIES ，華西證券研究所圖：射頻PA工藝演進目前射頻PA的常見工藝有GaAs、 SiGe BiCMOS、CMOS和RF-SOI。GaAs 具有射頻性能好、擊穿電壓高等優(yōu) 勢，但成本高、難于集成，未來發(fā) 展方向主要在于開發(fā)更大尺寸晶圓 技術(shù)降低制造成本。其他三者均是 以硅為基礎(chǔ)的半導體工藝，具有集 成度好、成本低等優(yōu)勢，但材料性 能局限明顯。四者優(yōu)劣勢及發(fā)展方向見下表：工藝優(yōu)勢劣勢發(fā)展方向GaAsRF性能好、擊穿電壓高成本高、難于集成開發(fā)200mm晶圓技術(shù)，更大的尺寸將降低制造成本SiGe BiCMOS高頻特性好、

24、集成度高、 良率和成本優(yōu)勢截止頻率與擊穿電壓過低， 功率消耗較高提高截止頻率和擊穿電壓，降低功 耗CMOS低成本、高集成度高噪聲、低絕緣度與Q值、改 善性能將增加制程成本、功 放面積與GaAs比過大短期在對性能不十分苛求的市場領(lǐng) 域依靠成本優(yōu)勢開拓市場，長期需 要CMOS PA架構(gòu)重大的突破和創(chuàng)新RF-SOI功耗、易于集成在擊穿電壓方面面臨挑戰(zhàn)提升它們的擊穿電壓，以實現(xiàn)好的 線性度和大信號處理能力砷化鎵仍將是手機端PA的主流工藝44Si CMOS PA存在低崩潰電壓、高頻損耗、訊號隔離度不佳、低輸出功率密度等缺點。 GaN特性參數(shù)雖然好，但目前成本高，需要較高電壓驅(qū)動，智能手機驅(qū)動電壓較低導致

25、 GaN PA的性能打折。其他SiGe、BiCMOS、RF-SOI短期內(nèi)都需要進一步突破性能局限。 GaAs具有載波聚合和多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)所需的高功率和高線性度，因此未來 一段時間將維持GaAs材料工藝主導的格局。據(jù)Strategy Analytics之研究報告中指出，2018年全球砷化鎵元件市場(含IDM廠之組 件產(chǎn)值)總產(chǎn)值約為88.7億美元。圖：20132018年全球砷化鎵元件總產(chǎn)值及增長情況（億美元）64.574.281.582.188.388.79.23%15.03%9.80%0.74%7.52%0.45%0%4%8%12%16%020406080100201320142

26、015資料來源：Strategy Analytics，華西證券研究所201620172018通信領(lǐng)域目前是砷化鎵工藝主戰(zhàn)場45資料來源：前瞻經(jīng)濟學人，華西證券研究所相對比硅半導體，砷化鎵半導體具有高頻、抗輻射、耐高電壓等特性，因此廣泛應用在主流的商 用無線通訊、光通訊以及先進的國防、航空及衛(wèi)星用途上，其中無線通訊的普及更是催生砷化鎵 代工經(jīng)營模式的重要推手。砷化鎵具有不同于硅等其他半導體之晶圓代工技術(shù)、設計流程與驗證模式。在砷化鎵的晶圓尺寸上，六寸晶圓是目前主流尺寸。圖：砷化鎵終端應用市場占比60%10%30%通信領(lǐng)域國防與航空航天領(lǐng)域其他砷化鎵半導體擁有獨立的全套產(chǎn)業(yè)鏈46資料來源：百度文庫

27、，華西證券研究所與硅材料大規(guī)模集成電路制造不同，砷化鎵微波功率半導體多為分立器件，制 造工藝相對簡單。另一方面，由于材料性能差異較大，砷化鎵晶圓制造中設備 及工藝與硅有極大的不同。所以砷化鎵半導體擁有自己獨立的全套產(chǎn)業(yè)鏈。砷化鎵器件制備包括拉單晶、外延、設計、晶圓代工和封裝測試環(huán)節(jié)。圖：砷化鎵半導體制造流程砷化鎵單晶生長工藝資料來源：前瞻經(jīng)濟學人，知乎，華西證券研究所從20世紀50年代開始就開發(fā)出了多種砷化鎵單晶生長方法。目前主流工業(yè)化生長工藝包括：液封 直拉法（LEC）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等住友電氣、費里博格和AXT等龍頭廠商以VGF/

28、VB/LEC工藝為主。日本住友電氣GaAs單晶生產(chǎn)以VB法和LEC法為主，德國費里博格以VGF和LEC法為主，而美國AXT則以VGF法為主。表：砷化鎵襯底主流生長工藝對比大類工藝特點LECHBVGFVB工藝 水平低位錯差好很好很好位錯均勻性差中等好好長尺寸好差好好大直徑好差好好監(jiān)控可觀察可觀察不可觀察不可觀察生產(chǎn) 水平直徑（英寸）3、4、62、32、3、4、5、62、3、4、5、6生產(chǎn)規(guī)模批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)優(yōu)缺點優(yōu)點可靠性高，容易生長 較長的大直徑單晶， 晶體碳含量可控，晶 體的半絕緣特性好位錯密度比LEC砷化鎵單晶 的位錯密度低一個數(shù)量級以 上適合生長超低位錯的砷化鎵單晶既可以

29、生長低阻砷 化鎵單晶，也可以 生長高阻半絕緣砷 化鎵單晶缺點化學劑量比較難控制、 熱場的溫度梯度大（100150 K/cm）、 晶體的位錯密度高達 104以上且分布不均勻難以生長非摻雜的半絕緣砷 化鎵單晶，所生長的晶體界 面為D形，在加工成晶體過 程中將造成較大的材料浪費。難以生長大直徑的晶體晶體生長過程中無 法觀察與判斷晶體 的生長情況，同時 晶體的生長周期較 長晶體生長過程中無 法觀察與判斷晶體 的生長情況，同時 晶體的生長周期較長 47砷化鎵基板主流生長工藝圖示48圖：液封直拉法（LEC）圖：水平布里其曼法（HB）圖：垂直布里奇曼法（VB）圖：垂直梯度凝固法（VGF）資料來源：知乎，華西

30、證券研究所GaAs單晶襯底市場三廠商主導49資料來源：Semiconductor TODAY，華西證券研究所全球半絕緣GaAs單晶襯底市場方面，根據(jù)Semiconductor TODAY數(shù)據(jù)，目前全球半絕緣單晶GaAs 襯底市場集中度高達95%，日本的住友電氣（SumitomoElectric）、德國費里伯格（Freiberger Compound Materials）以及美國的AXT公司占據(jù)了95%以上的市場份額。圖：三廠商占據(jù)GaAs單晶襯底市場95%以上份額其他, 5%Freiberger、 AXT 、 Sumitomo 合計, 95%砷化鎵外延過程復雜形成單獨環(huán)節(jié)50外延是指一種用于半

31、導體器件制造過程中，在原有芯片上長出新結(jié)晶以制成新半導體層的技術(shù)。 此技術(shù)又稱外延成長（Epitaxial Growth），或指以外延技術(shù)成長出的結(jié)晶，有時可能也概指以 外延技術(shù)制作的晶粒。外延技術(shù)可用以制造硅晶體管到CMOS集成電路等各種組件，尤其在制作化合物半導體例如砷化鎵外延晶圓時，外延尤其重要。外延成長技術(shù)大致有幾種：化學氣相沉積、分子束外延技術(shù)、液相外延或稱液態(tài)外延（LPE）、固 相外延（SPE）。其中，分子束磊晶法（MBE）及化學氣相沉積法（MOCVD）是目前僅存的關(guān)鍵且成 熟的-族化合物半導體磊晶代工技術(shù)。兩種技術(shù)各有其特殊且不可取代的優(yōu)點。磊晶片廠商主要有英商IQE、臺商VPE

32、C（全新光電）、日商Sumitomo Chemicals、臺商IntelliEPI（英特磊）。其中， Sumitomo Chemicals和全新光電皆為MOCVD廠商，英特磊是MBE廠商，IQE兩 種技術(shù)都有。圖：全球砷化鎵磊晶廠市場份額（2018年）IQE, 54%VPEC, 25%SumitomoChemicals,13%IntelliEPI, 6%其他, 2%資料來源：Strategy Analytice，華西證券研究所分子束磊晶法及化學氣相沉積法51資料來源：維基百科，百度，華西證券研究所MBE成長條件是透過元素加熱方式，藉由超高真空環(huán)境的腔體，將所需磊晶元素加熱升 華形成分子束，當分

33、子束接觸基板后，就可以形成所需磊晶結(jié)構(gòu)。MOCVD成長條件是由氣相方法進行，透過氫氣或氮氣等特定載氣引導，使三族和五族氣 體均勻混合后，再導入反應腔體中，接著透過適當?shù)姆磻獪囟龋?00800度），讓氣體 裂解并成長于基板上。圖：分子束磊晶法（MBE）從量產(chǎn)速率來看，MOCVD為氣相方式導入反應腔體，其速度較MBE快1.5倍；但以磊晶品質(zhì)來說，由于MBE可精 準控制分子束磊晶成長，因此比MOCVD有更佳結(jié)果。圖：化學氣相沉積法（MOCVD）代工成熟，穩(wěn)懋是砷化鎵最大的代工廠WIN（71.1%）52GCS（8.4%）AWSC（8.7%）Qorvo（2%） （9.8%）資料來源：Strategy A

34、nalytics，穩(wěn)懋公告，華西證券研究所以砷化鎵晶圓代工市場而言，2018年代工市場規(guī)模為7.47億美元，其中穩(wěn)懋2018 年市占率為71.1%，為全球第一大砷化鎵晶圓代工半導體廠商。AWSC（宏捷科技）、GCS（環(huán)宇通訊半導體，主要運營在美國）合計占有17.1%的市場份額。這三家代工廠合計占有88.2%的市場份額。圖：砷化鎵代工市場格局（2018年）Others砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈53資料來源：穩(wěn)懋公告，華西證券研究所上游IC設計：高通、 聯(lián)發(fā)科、立積、 華為海思、卓 勝微等中游下游Solution(全智矽格)、King Yuan(京元電)基 板 ： Freiberger、晶元制造：WIN Sem

35、i.(穩(wěn)懋)、封裝：Tong Hsing、手機射頻前端、 基站等AXT Inc.、AWSC(宏捷)、LingsenSumitomoGCS(環(huán)宇)、Precision磊晶片：IQE、VPEC、SCIOCS、Wavetek (聯(lián)穎)測試：GigaSumika、英特)、 ASE(日月磊、聯(lián)亞光)、Sigurd(終端圖：砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈Skyworks、Qorvo、Broadcom、Lumentum II-VI、Finisar終端FablessIDM射頻芯片：分立式和模組54資料來源： Broadcom ，華西證券研究所射頻前端模組是將射頻開關(guān)、低噪聲放大器、濾波器、雙工器、功率放大器等兩種或者兩種以上的

36、分 立器件集成為一個模組，從而提高集成度與性能并使體積小型化。根據(jù)集成方式的不同可分為DiFEM（集成射頻開關(guān)和濾波器）、LFEM(集成射頻開關(guān)、低噪聲放大器和濾波器)、FEMiD（集成射頻開關(guān)、濾波器和雙工器）、PAMiD（集成多模式多頻帶PA和FEMiD）等模組組合。持續(xù)增加的射頻前端器件數(shù)量和PCB板可用面積趨緊之間的矛盾促進射頻前端模組化發(fā)展，越來越多 的分立式射頻前端芯片通過SiP技術(shù)封裝在同一顆大芯片里面。從Broadcom的發(fā)展來看，20072010年 主要是分立的射頻前端器件，20112013年是單顆PA模組，2014年以來持續(xù)升級，已經(jīng)實現(xiàn)多頻段PA 模組整合。與此同時，Sk

37、yworks、Qorvo、村田、高通等射頻前端芯片大廠均已推出多品類射頻前端 模組產(chǎn)品。圖：Broadcom射頻前端器件演進射頻芯片：分立式和模組55資料來源： Yole ，華西證券研究所據(jù)Yole Development的統(tǒng)計與預測，分立器件與射頻模組共享整個射頻前端市場。2018年射頻模組市 場規(guī)模達到105億美元，約占射頻前端市場總?cè)萘康?0%。到2025年，射頻模組市場將達到177億美 元，年均復合增長率為8%；2018年分立器件市場規(guī)模達到45億美元，約占射頻前端市場總?cè)萘康?0%。到2025年，分立器件仍將保留81億美元的市場規(guī)模。圖：2018-2025年射頻前端芯片分立式和模組的

38、市場規(guī)模對比（百萬美元）452753396101663970097392777280991047311396124501369115166161861711217745050001000015000200002500030000201820192020E2021E2022E2023E2024E2025E分立式模組不同射頻器件可構(gòu)成不同模組56資料來源：慧智微官網(wǎng)，Murata官網(wǎng)，華西證券研究所射頻前端模組按集成器件不同大致分為：L-PAMiF（PA、LNA、開關(guān)、濾波器等高集成度模塊）、PAMiD（帶集成雙工器的功率放大器模塊）、PAM（功率放大器模塊）、Rx DM（接收分集模塊）、ASM（

39、開關(guān)復用器、天線開關(guān)模塊）、FEM（射頻開關(guān)、濾波器）、 天線耦合器（多路復用器）、LMM（低噪聲放大器-多路復用器模塊）、MMMB PA（多模、 多頻帶功率放大器）和毫米波前端模組。其中L-PAMiF、PAMiD等都是高集成度模組。圖：慧智微n77/n79雙頻L-PAMiF芯片圖：村田的PAMiD模組（虛線內(nèi)）接收模組（FEM）57資料來源：Techinsights，Yole，華西證券研究所2529252423292827263020182025E接收模組主要指承擔下載功能的射頻模組，不含PA。以手機為例，與基站通信的過 程中，分為上行（上傳）和下行（下載），手機上傳數(shù)據(jù)需要手機PA將信號放

40、大， 基站處于接收狀態(tài)；下載數(shù)據(jù)需要基站方面的PA將信號放大，手機處于接收狀態(tài)。 接收模組主要是射頻開關(guān)、濾波器、LNA等芯片產(chǎn)品的排列組合。據(jù)Yole Development數(shù)據(jù)，預計射頻前端接收模組市場空間將從2018年的25億美元 增長到2025年的29億美元，年均復合增長率為2%。圖：小米10中用到的接收模組圖：2018-2025年接收模組市場空間（億美元）功率放大器模組（PAM）58資料來源：Qorvo，Yole，華西證券研究所圖：射頻濾波器原理圖功率放大器模組主要指承擔上傳信號功能的射頻模組，包含PA。以手機為例，與基站通信的 過程中，分為上行（上傳）和下行（下載），手機上傳數(shù)據(jù)需

41、要手機PA將信號放大，基站處 于接收狀態(tài)；下載數(shù)據(jù)需要基站方面的PA將信號放大，手機處于接收狀態(tài)。功率放大器模組 主要是射頻開關(guān)、濾波器、PA等芯片產(chǎn)品的排列組合。以Qorvo某款M/HB PA模組為例，在一 顆大SiP封裝內(nèi)，包含有12個濾波器、3個PA、1個控制芯片、1個天線開關(guān)和3個射頻開關(guān)。據(jù)Yole Development數(shù)據(jù)，預計功率放大器模組模組市場空間將從2018年的60億美元增長到 2025年的104億美元，年均復合增長率為8%。圖：2018-2025年功率放大器模組市場空間（億美元）6010460402001008012020182025EAiP模組（毫米波天線模組）59資

42、料來源：卓勝微，Yole，華西證券研究所圖：AiP模塊構(gòu)成由于毫米波頻率高，傳輸損耗大，因此天線和射頻前端集成化，典型設計上，將毫米波天線與毫米波芯片封裝在一起，業(yè)內(nèi)稱之為AiP（antenna-in-package）?，F(xiàn)階段美國5G網(wǎng)絡主推毫米波建設，三星美國版搭載AiP模組支持美國5G頻段。預計2020年 iPhone新品美國版本同樣需要配置AiP模組。據(jù)Yole Development數(shù)據(jù)，AiP模組于2019年開始產(chǎn)生銷售，主要是美國市場，預計到2025年 市場空間將達到13億美元，年均復合增長率為68%。0.6130212108641420192025E圖：20192025 AiP模

43、組市場空間（億美元）WiFi模組60資料來源：Yole，華西證券研究所圖 ：iPhone SE 主 板 ， 黃 色 框 為 USI 339S00648 WiFi/藍牙 SoC，支持最新WiFi 6WiFi功能是智能手機的必備，最新一代標準為WiFi 6，小米10、華為P40、iPhone SE 2代等2020年新上市手機全面支持。每一次標準升級都會帶動相關(guān)芯片創(chuàng)新和價值量提升，隨著WiFi 6新標準的普及滲透，據(jù) Yole Development數(shù)據(jù)，預計WiFi模組市場規(guī)模將從2018年的20億美元增長到2025年的31億 美元，年均復合增長率為6%。圖：20182025 WiFi模組市場空

44、間（億美元）20312015105030253520192025E不同頻段射頻前端模組演進61資料來源：Yole，華西證券研究所早期低、中、高頻段的射頻器件分別封裝在三個獨立模塊中，后來低頻頻段擴展到 600MHz，中頻和高頻模塊合并，并增加了超高頻模塊，隨著發(fā)展，毫米波模塊也將加 入。圖：不同頻段射頻前端模組演進更高集成度模組是5G射頻方案核心62資料來源：集微網(wǎng)，華西證券研究所目前市場上主流的射頻前端方案有MTK Phase7與高通7250， MTK Phase7支持高集成雙頻方案，因此所需芯片數(shù)量比高通7250射頻方案少?？傮w來看，5G射頻方案核心是n78（77）/79雙頻L-PAMiF

45、模組，原因是5G射頻方 案包括更高集成要求、更高功率、更高頻率、更大帶寬、更高散熱要求。圖：OPPO Reno3拆解（聯(lián)發(fā)科天璣1000L）圖： MTK Phase7與高通7250射頻前端方案對比高集成度模組對SiP封裝有更高要求63資料來源：Yole，華西證券研究所更高集成度的模組也需要更先進的SiP封裝技術(shù)，從單面SiP技術(shù)到雙面SiP技術(shù)的應用，封裝的難度越來越高。圖：手機射頻前端模組封裝發(fā)展趨勢GaN射頻PA將迎來發(fā)展機遇資料來源：Yole，華西證券研究所由 于 5G 新 頻 段 2.6GHz 、 3.5GHz、4.9GHz均高于4G頻 段, 對于射頻PA器件性能要 求更高；GaN 材

46、料具有優(yōu)異的高功率 密度和高頻特性，GaN HEMT 具有高擊穿電壓、高功率密度、大帶寬和高效率等優(yōu)勢；硅基LDMOS 工藝的極限頻率 不超過3GHz；GaAs功率放大 器雖能滿足高頻通信需求， 但輸出功率比GaN HEMT低很 多；宏基站端， GaN 射頻PA 將有 望取代硅基LDMOS工藝；小基站對于輸出功率要求不 高，GaAs器件工藝有望發(fā)揮 其高頻優(yōu)勢及成本優(yōu)勢。64圖：不同半導體材料器件特性GaNHEMT器件結(jié)構(gòu)65資料來源：Yole ，華西證券研究所圖：GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)主流工藝挑戰(zhàn)者GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）是氮化物電子器 件的主流結(jié)構(gòu), 該結(jié)構(gòu)利用高電導率二維電

47、子氣 實現(xiàn)強大的電流驅(qū)動, 同時保持了氮化物材料的 高耐壓能力。 HEMT是三端電壓控制器件，它有三 個電極，分別是柵極、源極和漏極。柵極通常是 肖特基接觸電極，源極和漏極是歐姆接觸電極。 通過調(diào)節(jié)外加柵極電壓(相對于源極)，可以調(diào)控 溝道中的二維電子氣(2DEG)密度，從而實現(xiàn)柵極 電壓和漏極電壓對漏極電流(輸出電流)的控制。圖：GaN器件不同應用場景主流工藝不同襯底的GaN技術(shù)66更高的功率密度、更好的熱傳導性、更高的輸出功率、可適用更 高的頻段、產(chǎn)能在高達80GHz的頻率下實現(xiàn)最大效率，適用于毫米 波通信，但工藝復雜，目前成本太高，產(chǎn)能有限更低的成本、相對簡單的工序、可隨Si晶元襯底往更大尺寸發(fā)展、