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【东吴电子王莉杨明辉团队】5G引领技术创新和产业革命,智能手机射频器件大有可为

王莉看科技2019-04-02 03:59:08


投资要点

5G——新一轮技术创新和产业革命。5G指移动通信系统第五代,是4G的延伸,有更快的反应和能承载更大的传输流量,将成为改变社会的通用技术。5G的千倍提速需求衍生的毫米波、小基站技术、Massive MIMO与波束型技术、新型多载波技术成为必然的技术创新趋势,可成倍提升性能。5G部署将支持GDP增长,创造万亿产出,物联网将成为核心场景,市场将迎来大机遇。

射频器件在5G时代迎来革命,大有可为。射频前端是无线通信的核心,以智能手机为例,射频前端包括 SAW 滤波器、双工器、低通滤波器、功放、开关等器件,1G—>5G,网络通讯升级对射频前端要求越来越高,射频前端量价齐升,成为射频器件厂商都虎视眈眈的一块大蛋糕。目前射频器件呈海外垄断之势,产品结构升级,国内终端市场转移加速,国产化替代空间大。而国内射频器件厂商已经完成前期的技术沉淀,他们正加紧突破5G射频器件领域,抢食大蛋糕。

滤波器:5G带动需求爆发,国产替代开始启动。滤波器起到抗干扰和过滤杂波的作用,他们占据了手机射频前端一半以上的价值量,是射频前端的重要部件。当前来看,SAW/BAW凭借着优异的性能正成为主流选择。从4G到5G,通信频段增加带动滤波器市场快速增长,高通预计到2020年市场规模将达到130亿美元,SAW/BAW生产工艺复杂,技术壁垒高,国外厂商处于主导地位。而今,中国厂商内外条件已具备,信维通信等一批厂商加紧布局,完成国产替代正在当下。

天线:大规模MIMO技术,阵列天线加速走向应用。5G通信引发大量技术创新,波束成形技术要求手机天线集成有源器件,阵列天线将被采用,或与芯片相结合,工艺难度大幅提升价值量。以信维通信为代表的国内天线厂商在射频天线技术积累雄厚,也积极储备智能手机阵列天线,他们将引领着5G通信天线的发展。

功率放大器:化合物半导体再添动力。功率放大器即为信号“扩音器”,化合物半导体是功率放大器不可替代的核心技术,壁垒极高,现技术主要被国外厂商垄断。5G时代下,“高频+频段增多”推动化合物半导体需求量增加,以三安光电为代表的中国本土厂商正抓住这次机遇,着力打造本土射频半导体产业链。

投资标的:信维通信:5G通信将带来SAW滤波器、阵列天线需求增量;三环集团:掌握电子陶瓷产品核心技术,陶瓷后盖大有可为;顺络电子:巩固电感主业,紧抓电子元器件周期,多点开花;三安光电:5G时代化合物半导体需求增长带来发展新机遇。

风险提示:5G推进不达预期;国内厂商技术工艺突破不达预期。



1 5G——新一轮技术创新和产业革命

1.1 5G——新一代通讯技术创新升级

1.1.1 5G技术将成为改变社会的通用技术

5G指移动通信系统第五代,是4G的延伸,意味着有更快的反应和能承载更大的传输流量。移动互联网自80年代中期第一代移动通信技术(1G)诞生以来,至今已发展到第4代(1G—>2G—>3G—>4G)。第一代1G采用模拟技术频分多址(FDMA),仅能提供基本通话功能,速率为2.4Kbps;上世纪90年代初第二代2G采用数字调制传输技术时分多址(TDMA),通话更清晰且增加了数据传输服务,速率为9.6Kbps –384Kbps;21世纪初第三代3G以码分多址(CDMA)技术为特征,速率静止时大于2Mbps,移动时大于384Kbps,高传输速度使移动用户上升,成就移动互联网;2010年第四代4G以正交频分多址( OFDMA)技术为核心,其通信速率大大提高达到静止时大于1Gbps,移动时大于100Mbps,带来高清视频和图片,互联网得以快速发展。而到了第五代5G移动通信时代技术预期将提供比现有4G快100倍的速度,达到10-100Gbps,极大推动物联网、车联网、工业等领域的发展。 


4G到5G,影响社会的大变革。每一代移动网络技术较上一代都有改善,应对当前4G移动网络在语音通讯体验、数据传输量和网络容量等挑战。5G之于4G,有望进一步发展,高速率、大连接、低时延是5G的显著特征,根据IMT-2020推进组的规划,5G的性能将会达到以下水准:

高速率:支持0.1~1Gbps的用户体验速率;

大连接:每平方公里一百万的连接数密度;

低时延:毫秒级的端到端时延;

除此以外,5G还具备每平方公里数十Tbps的流量密度,每小时500Km以上的移动性和数十Gbps的峰值速率,使5G时代的无线网络能够为用户提供类似固网的可靠性与安全性。ITU设想了三类5G支持的应用场景,分别是增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband)、海量机器类通信(Massive machine type communications)以及超高可靠低时延通信(Ultra-reliable and low latency communications),5G将改变社会。


1.1.2 全球合力,5G网络快速发展

全球包括东亚、欧洲和北美的移动运营商、设备供应商等都在推动5G快速发展。国际电信联盟(ITU)和3GPP确定了5G的标准,由ITU领导,3GPP负责技术标准和规范的具体设计和执行,现已制定了详细的5G发展时间表。

全球主要国家和地区已启动频谱规划并展开研究工作,对于频谱规划有以下两点共识:(1)6GHz以下频段用于满足5G网络覆盖和网络容量需求;(2)6GHz以上频段用于除满足5G容量外还可用作backhaul(回程线路)。2017年8月,我们国家工信部下发通知,明确了我国的5G初始中频频段:3.3-3.6GHz、4.8-5GHz两个频段。同时,24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见。目前,国际上主要使用28GHz进行试验(这个频段也有可能成为5G最先商用的频段)。


5G研发节奏加快,多国计划2020年前正式商用。美国Verizon、 AT&T计划2017年底5G商用;韩国KT将于2018年初开展5G预商用试验,平昌冬奥会奥运村做5G覆盖;日本计划2020年东京奥运会前实现5G商用;欧洲设立H2020计划,德国已明确2020年正式商用。


国内于2013年,工信部、发改委和科技部联合成立了IMT-2020(5G)推进组,正全力推动5G标准制定。政府层面,顶层前沿布局已明确5G技术突破方向。根据计划,2017年-2018年将会全面推进第二阶段、第三阶段的5G技术研发试验。企业层面,华为、中兴、大唐等通信设备企业以及电信运营商积极开展5G技术及产品测试,力争2020年实现商用。


1.1.3 需求驱动,5G技术加速创新

5G的千倍提速需求下,加大宽带应运而生。频率越高,速度越快,频段越宽。随着带宽从2G(200kHz)到4G(20-100MHz)逐步增加,我国手机运营商和电视等渠道几乎占据了2.7GHz以下全部频率波段,且其他低频波段少而分散,预计3GHz以上波段将为5G采用,超高频频段更宽,不易受干扰的特点更适合5G。由此衍生的毫米波、小基站技术、Massive MIMO与波束型技术、新型多载波技术也是必然的技术创新趋势,可成倍提升性能。


关键技术之一:毫米波通信

根据国际电信联盟的专家预测,将来有可能使用30-60GHz甚至更高的频段。 根据通信原理,载波频率越高,可实现带宽越大(意味着传输速度越快),以国际已开始试验的28GHz频段为例,根据波长等于光速除以频率,该频段的波长大约为10.7mm,即毫米波。30GHz以上的频段,其波长会更短,即更短的毫米波。电磁波有个显著特点,频率越高(波长越短)越趋近于直线传播(绕线能力越差),且衰减越严重。因此,5G使用高频段会使其覆盖能力大大减弱。

天线尺寸正比于波段的波长,毫米波波长远小于传统6GHz以下频段,因此天线尺寸也较小,可以方便地在移动设备上配备多个毫米波的天线以改善通信质量。

关键技术之二:小基站技术

正因高频电磁波衰减严重,在有遮挡物时尤其明显,传播距离更短,为了信号的稳定性和连续性,对基站的需求将远远大于4G。小基站相对于宏基站,一个宏基站可以覆盖一大片区域,小基站体积小,数量多,可以随处安装灵活布局,未来甚至可能隐藏于街角各个角落,完全融入人们的生活,满足各类场景需求。


关键技术之三:Massive MIMO与波束成形技术

MIMO(Multiple Input Multiple Output)即多输入多输出,通过布置天线阵列,使每一对天线可以独立传送信息实现基站与通讯设备间的信息传输。在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线(现成熟技术如2*2MIMO和4*4MIMO),在不额外占据频谱资源的情况下提高信道容量,达到有效利用。传统MIMO系统仅支持8个天线端口,Massive MIMO系统中,基站配置的天线将会是几百甚至几千根,对目标接收机调制各自的波束,信号隔离互不干扰,充分发挥了系统的空间自由度,大大提高频谱利用效率。

波束成形技术是MIMO的一种应用形式,指能够使一个频段内用户在互不干扰的情况下同时传输数据,达到在接收端的信号叠加,从而提高接收信号强度的目的。该技术使能量可以集中到用户,不向其他方向扩散,建立可靠连接。


关键技术之四:新型多载波技术

载波,是指载有数据的特定频率的无线电波。多载波即是采用多个载波信号(将信道分成若干正交子信道),将需要传输的数据信号转换成并行的低速子数据流,然后调制到在每个子信道上进行传输。采用多载波技术主要是为了配合大规模MIMO技术,其具有频谱效率高、灵活性强以及复杂度低等特点。

载波聚合技术是将多个载波聚合成更宽的频谱,同时把不连续的频谱碎片聚合到一起,获得更大的带宽,传输速度大幅度提升,降低延时。4G中它的应用可以使2-5 个LTE中的成员载波(带宽小,通常为20M)聚合在一起,实现最大 100MHz 的传输带宽。


1.2 5G影响全球经济,引领产业变革

1.2.1 5G部署支持GDP增长,创造万亿产出

高通与产业链调研公司IHS共同发布了白皮书《5G经济:5G技术将如何影响全球》中认为:到2035年, 5G将在全球创造12.3万亿美元经济产出,5G价值链将创造3.5万亿美元产出,同时创造2200万个工作岗位。

我国信通院发布《5G经济社会影响白皮书》,到2030年,5G将带动我国直接经济产出6.3万亿元,经济增加值2.9万亿元。同时在间接贡献方面,5G将带动产出10.6万亿元,经济增加值3.6万亿元。


1.2.2 5G打开多应用方向,引领行业新发展

5G增强移动宽带,催生丰富终端应用

5G时代传输速度更快,高清视频渐渐成为人们的生活方式。4K成熟,8K、高清VR/AR正在引入,据HIS发布的《5G经济:5G技术将如何影响全球经济》预测,全球8K电视出货量将从2015年的2700台增至2019年的91万台。

沉浸式娱乐VR/AR。虚拟现实体验延时需低于20ms才能有效缓解眩晕,目前4G时延约100ms,故VR尚未大规模应用,5G具有低时延和高速稳定的特点,可以在解决该问题的同时传输更精美的图像,改善用户体验;对于AR,则可以保证实时使用,在商务沟通、游戏、互联网、教育、社交等应用时发挥重要作用。

车联网/无人驾驶。车联网发展有三个阶段:导航阶段(当下)-无线通讯和GPS结合(车联网的网络基础)-车人网全面互动,5G技术作为信息传输中介,有助于促进与GPS的结合,最终实现信息的完全交互。无人驾驶要求毫秒级延时和完全可靠性,与5G网络有高吻合度,有望在5G时代得到大力推动。

工业控制/远程医疗。目前在远程控制工业作业或手术应用上由于技术限制仍属于空白,5G时代网络达到要求可能迎来较大发展。在工业上,5G有助于控制远程作业、危险环境作业、设备连接配合;医疗上,远程监控病患、精确手术等,5G均大有可为之处。


物联网将成为5G核心场景,市场有待爆发

1000 亿+的连接支持、 10GB/s 的最高速度、 1ms 以下的延迟,这就是物联网的5G!物联网是通过各种信息传感设备及系统将每一件物和人相互之间连接起来,形成个巨大的网络。5G正可以应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景。爱立信预测,到2021年,将有280亿部移动设备实现互联,其中IOT设备将达到160亿部。5G在1平方公里内,可以同时接入100万个网络连接而不会卡顿,真正实现“万物互联”。



5G将推动物联网模块广泛商用后快速成长,市场有待爆发。海量物联网可以支持资产跟踪,智能农业、智慧城市、能源/公用事业监控、实体基础设施、智能家居和联网购物等。据中国物联网研究发展中心预计,到2018年,物联网行业市场规模预计将超过 1.5 万亿元,CAGR将超过30.0%,2020年我国物联网产业规模将达到 2 万亿。根据IMT-2000(5G)推进组数据,预计到2020年,全球移动终端(不含物联网设备)数量将超过100亿,其中中国将超过20亿。全球物联网设备连接数也将快速增长,2020年将接近全球人口规模达到70亿,中国将接近15亿。到2030年,全球物联网设备连接数将接近1千亿,其中中国超过200亿。


2 射频器件在5G时代迎来革命,大有可为

2.1 从2G、3G、4G再到5G,通讯对射频前端要求越来越高,量价齐升

2.1.1 射频前端是无线通信的核心,网络通讯升级对射频前端要求越来越高

射频前端是无线通信的核心。射频器件模块是无线通信的必备的基础性零部件,无论何种通信协议,何种通讯频率,射频前端不可或缺。移动网络从2G的GSM,3G的WCDMA,再到4G的LTE-Advanced,每一代的更新换代都带来新的通讯协议,复杂程度也以指数倍提升,对手机内的射频系统要求也更高、更严格。5G时代将会带来一个全新的网络架构,另外Massive MIMO技术、载波聚合技术等,对设备的射频器件性能都提出了更高的要求。


射频前端模块由功率放大器(PA)、滤波器、双工器、射频开关、低噪声放大器、接收机、发射机等组成。其中功率放大器负责发射通道的射频信号放大;滤波器负责发射及接收信号的滤波;双工器负责FDD 系统的双工切换及接收/发送通道的射频信号滤波;射频开关负责接收、发射通道之间的切换;低噪声放大器主要用于接收通道中的小信号放大;接收机/发射机用于射频信号的变频、信道选择。

2.1.2 4G到5G,射频器件空间巨大,量价齐升

5G应用场景更丰富,智能手机、卫星导航、卫星电视、物联网系统等都离不开射频前端。我们以智能手机为例,在它的射频前端系统中,射频前端包括 SAW 滤波器、双工器(Duplexer)、低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)、功放(Power Amplifier)、开关(Switch)等器件。


手机销量上升与频段增加共同促进射频前端数量增长。

根据IDC报告,2016年全球范围智能手机总销量为14.7亿部,该数据与Gartner预测的15亿部基本吻合,Gartner还预测全球智能手机销量在2020将会增长至19亿部。

射频器件的数量与智能手机支持的频段数量呈正相关,频段数量越多,射频器件数量越多。通信技术从1G发展到4G,再到5G,手机中涵盖的频段数量快速增加:一方面在于手机网络速度增加,分配到的频段数增加;另一方面,如今手机需兼容原先网络频段且包括GPS、蓝牙、WIFI等被集成到射频模块中,手机频段更多。此外,支持载波聚合技术的设备需将多个窄频段聚合成一个宽频段,因此需要更多的窄频段支撑。一般来讲,智能手机每增加一个频段,需要增加 1 个功率放大器(PA)、 1 个双工器、 1 个天线开关、 2 个滤波器、1 个低噪放大器( LNA),这个从上面的射频器件电路也可以看出。目前大致一款多模多频的LTE 手机,需要 20-30 个以上这些射频器件, 5G时代射频器件将更多。


4G—>5G,射频前端价值量上升。5G主要采用3GHz以上的频谱通信,与4G的低频电路不同,高频电路需要从材料到器件,从基带芯片到整个射频电路进行重新考量和设计。5G时代所需求的射频器件要比传统的射频器件要复杂得多,主要来自滤波器和双工器的升级,单个射频前端的价值量也会更高。根据产业链调研射频成本端看,单模PA价值大约在0.3-0.6美金、SAW滤波器价格在0.08-0.12美金、SAW双工器价格在 0.2-0.3美金、天线开关价值在0.15-0.4美金。估算单个射频前端价格为1美金,支持11个频段的4G手机,射频前端价值量可达11美金左右,5G高频电路还会更高。

手机销量的增长以及单部手机射频前端价值的增加带来了射频前端量价齐升,射频器件行业将会迎来新一轮的大发展机遇。根据Yole预测,射频前端器件市场将会14%左右的年平均增长率增长。


2.2 射频器件国产化替代空间巨大

2.2.1 射频器件市场呈海外垄断之势

整个射频产业链从上到下分为射频设计、射频制造、射频封装和射频测试。其中功率放大器市场玩家居多,三大主芯片公司Skyworks、Qorvo、Broadcom占据全球市场93%份额。滤波器市场,日企Murata、TDK和Taiyo Yuden占据SAW滤波器85%以上份额;博通占据BAW滤波器87%份额,基本垄断市场。PAmiDs整合模块环节,包括PA、双工器和天线开关整合,Skyworks、Qorvo、Broadcom三家占据全球市场99%份额。

根据 Gartner 的统计整个射频前端市场中, Skyworks、Qorvo、 Qualcomm 是最大的三家,占据市场70%的份额,联发科、三星与海思是射频领域增速较快的三家厂商。



2.2.2 国内终端市场转移加速,国产化替代空间大

智能手机步入消费升级新时代,终端市场发展迅速。亿欧的报告中指出:中国消费升级已到新纪元。2015年,中国消费对经济增长的贡献率达到了66.4%,2016年和2017年更是热度不减,消费已经成为支撑中国经济的重要力量。而我国作为世界最大的消费电子智能手机制造国,也迎来更大机遇。消费升级带动驱动国内高端射频器件需求,此外,运营商积极推动的载波聚合技术也有助于射频器件升级发展。

本土手机全球市占率在上升,带动射频器件国产替代。国内本土手机需求量放缓,海外市场成为新战略。根据Trendforce数据,2016全球智能手机市占率国产手机华为、OPPO、Vivo包揽前三四五名,2017年二季度全球智能手机市场国产品牌占近一半,全球市长率正在稳步上升。本土智能手机全球化趋势驱动4模、5模甚至全模制式,支持模式越多对应频段也更多,相应地需要射频器件也更多,加速国产替代。


2.3 5G时代,射频器件产品结构升级 

5G时代所需求的射频器件由于采用高频器件将进行产品结构升级。5G采用 3GHz 以上的频谱通信,与4G相比,射频最大不同就是采用高频电路。高频电路相比于中低频电路需要从材料到器件,从基带芯片到整个射频电路进行重新考量和设计。高频电路基本上都需要针对高频信号以及产品结构进行定制,且呈现小型化的特点。此外,高频电路对器件的尺寸以及电路布局都要做精细化考量。 

滤波器: SAW/BAW高性能滤波器需求加速,国产替代正当时。5G时代,频段增加,为了抑制外界干扰,提供更优通信体验,高性能滤波器需求大大增加。声表面波滤波器(SAW)广泛应用于2G接收机前端以及双工器、接收滤波器,集低插入损耗和高Q值于一身,不仅可实现宽带宽,体积还比传统腔体甚至陶瓷滤波器小得多。但SAW滤波器的局限性在于高于约1GHz时,其选择性降低;在约2.5GHz,其使用仅限于对性能要求不高的应用。 且SAW器件易受温度升高的影响,基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。而高于1.5GHz 时,BAW滤波器非常具有性能优势,其尺寸还随频率升高而缩小,BAW对温度变化也不那么敏感,同时它还具有极低的插入损耗和非常陡峭的滤波器边缘。5G高频时代,BAW将迎来快速发展且BAW双工器价值量约为SAW双工器的2-3倍,产品结构升级将进一步提升5G射频模块价值量。

随着近几年国产手机品牌的迅速崛起以及国内滤波器企业不断进行技术积累,我国滤波器厂商崛起的内外部条件已经具备,中国厂商完成国产替代正在当下。目前国内滤波器厂商已经掌握了从晶体基片制造到光刻工艺的全生产流程,开始从SAW滤波器领域实现突破。

5G天线:数量更多,技术壁垒更高,国内技术领先厂商有望受益。天线是接收和发射电磁波的元器件,是手机等终端的核心部件。全球移动终端天线行业受无线通信需求越来越多市场空间持续高速成长。由于手机中射频信号通道越来越拥挤,手机需要处理来自外圈无线设备的各类信号如蓝牙、WIFI等。随着高频5G到来,频段增加,不同带宽工作的信号均需要接入天线且要保证最优化性能和较轻薄集成化的外形尺寸,设计测试工艺难度越来越高。经过多年发展,无论在基站天线还是手机天线领域,我国厂商均积累了足够的技术与资本实力,已经成为各自行业的领头羊,未来有望尽早获利。

功率放大器(PA):材料升级,国产厂商享受行业红利。在2G时代,功率放大器还可采用硅材料的产品;到3G和4G时代,功率放大器则是以砷化镓(GaAs)为材料。然而到5G时代,由于功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,传统的Si、GaAs材料的功率放大器已经不能满足要求,GaN在高频领域优势明显,有望成为5G时代的功率放大器的选择,未来国产厂商将受益于行业爆发。

5G时代,射频器件产品结构升级,市场规模扩大。据Yole 预测,手机射频前端模块和组件市场,2016年市场规模为101亿美元,预计到2022年将达到227亿美元,7年复合增速为14%。其中滤波器的复合年增长率为21%,天线复合年增长率为21%,功率放大器复合年增长率近1%。5G时代的新一轮技术创新和产业革命正为射频器件带来新机遇。


3 滤波器:5G带动需求爆发,国产替代开始启动

3.1 滤波器是射频前端的重要部件,SAW/BAW成为主流选择

3.1.1 滤波器起到抗干扰和过滤杂波的作用,是射频前端的重要部件

滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其它频率成分,起着抗干扰和过滤杂波的作用。滤波器主要有以下四种工作方式:

低通:阻止高于某个频率的所有频率并允许所有其他频率通过(和高通相对)。

高通:允许高于某个频率的所有频率通过,并阻止所有其他频率(和低通相对)。

带通:允许两个频率之间的所有频率通过,并阻止所有其他频率(和带阻相对)。

带阻:阻止两个频率之间的所有频率,并允许所有其他频率通过(和带通相对)。


滤波器在手机射频前端中起着重要作用。由于手机需要支持的无线通信频段越来越多,并且手机需要支持的通信协议越来越复杂,所以信号之间会出现干扰的问题。滤波器的作用就是将带外干扰和噪声滤除,以满足射频系统和通信协议对于信噪比的需求。

手机射频前端需要同时具备接收与发射信号的作用,由于手机通常会支持非常多的频段,不同频段在使用时需要过滤掉其它频段的信号,防止信号干扰与串联,所以一个频段通常需要两个滤波器,以分别负责接收与发射时的信号过滤。



3.1.2 SAW/BAW性能优异,是射频应用的主流选择

衡量滤波器性能的指标有两个:Q值和插入损耗。Q值越高,表明滤波器可以实现越窄的通带带宽,即可以实现较好的滤波功能。插入损耗是指通带信号经过滤波器之后的信号功率衰减,当插入损耗达到1dB,则信号功率衰减达到20%。从这两大指标来看,SAW和BAW滤波器凭借优良的频带选择性、高Q值、低插入损耗等特性,已成为射频滤波器的主流选择。


SAW(Surface Acoustic Wave)滤波器是根据晶体的压电效应而制成。压电效应即晶体在受到电信号的作用时,会产生弹性形变而发出机械波(声波),即可把电信号转化为声信号。

由于SAW器件易受温度变化的影响,当温度升高时,其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。为了克服这一缺点,TC-SAW(温度补偿滤波器)被开发出,它是通过在叉指换能器上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层制作而成,但成本较高。


BAW (bulk acoustic wave)滤波器即体声波滤波器,是在晶体内部传播声波而实现滤波功能。BAW原理与SAW基本相同,其使用石英晶体作为基板,贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励,使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。与SAW不同的是声信号在介质内部传输,故体积可以做的更小(介质的介电常数大于空气)。


以iPhone 7的配置来看,其射频前端共采用了3颗PA芯片(高中低频段)、2颗滤波器组、2颗射频开关、2颗PA-滤波器一体化模组,Avago AFEM8030是其中采用的一种滤波器芯片。Avago AFEM8030中的滤波器采用密封的晶圆级封装,该技术来自于Avago的Microcap晶圆键合CSP,使得前端模块中的所有芯片组装在一起的面积小于35mm。此外,还采用了硅通孔(TSV)来导通电气信号和特殊的研磨工艺来控制氮化铝(AlN)厚度。


3.2 无线通信频段增加带动滤波器市场快速增长,高通预计到2020年滤波器市场规模将达到130亿美元

随着无线通信技术的发展,手机需要支持的无线通信频段也越来越多, 4G时代的频段已经达到41个。而到了5G时代,手机需要支持的频段甚至会达到91个以上。由于一个频段通常需要两个滤波器,所以未来单部手机的滤波器使用量将超过百个。


载波聚合技术的应用也会增加滤波器的使用量。4.5G网络需要提供下行峰速1Gbps,上行峰速500Mbps的传输速率,这需要提供最大100MHz的传输带宽,但是目前很缺乏这么大的带宽,所以使用载波聚合技术将零散的带宽聚合到一起以提供更大的传输带宽。载波聚合需要在前端使用更多的多工器,而每个多工器通常由多个不同频率的滤波器构成,所以载波聚合技术将会大幅增加滤波器的使用量。


手机滤波器用量的大幅增加会极大提升滤波器的单机价值量。单个滤波器的价值量并不高,通常只有几十美分,但是单价用量很大就会导致单机价值量很高。以一台常见的4G五模十三频手机为例,滤波器单机价值量约为4-5美元。随着频段的增加,5G时代的滤波器单机价值量甚至可以达到10美元。

滤波器市场不仅仅有量的快速增长,还有技术进步带来的单价提升。由于手机射频前端需要集成的滤波器越来越多,而手机内部依然是寸土寸金,所以滤波器有着非常明显的小型化、集成化趋势。这样的趋势会进一步加大滤波器的生产难度,不断提升滤波器的单价。

根据Mobile Experts的预测,全球射频滤波器市场规模将从2015年的50亿美元增长至2020年的130亿美元,年复合增长率达到21.06%,保持快速势头。全球通信巨头高通的预测结果与此类似,也预计滤波器市场规模到2020年达到130亿美元左右。滤波器正成为射频前端领域中增长最快的部件。


3.3 生产难度大,国外厂商处于主导地位

3.3.1 SAW/BAW生产工艺复杂,技术壁垒高

SAW/BAW滤波器的设计和制造非常复杂,目前仍无法用集成度最高的CMOS工艺进行批量化制造,而必须使用特殊工艺以保证性能。以SAW滤波器为例,SAW滤波器通常在石英、铌酸锂或钎钛酸铅等晶体基片基础上,使用半导体工艺完成制造。这样的生产方式决定了SAW滤波器具有很高的生产难度。

晶体生长环节难以控制。晶体生长主要使用提拉法,即在被加热的坩埚中盛着熔融的料,籽晶杆带着籽晶由上而下插入坩埚。由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度,熔体沿籽晶结晶,并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。在生产过程中,需要控制固液界面的温度梯度、生长速率、晶转速率以及熔体的流体效应,否则容易出现晶体生长不均匀、晶格排列混乱等现象。

最佳切割方向难以确定。基片切割的方向会影响压电晶体在机械能和电能之间的转化效率,进而影响滤波器的工作效果,所以晶体切割还需要考虑最佳切割方向。只有当切割方向与表面波传输速率最快的方向一致时,才可以得到能量转化效率最高的晶片。所以在对晶体进行切割之前,还需要计算基片各方向的表面波传输速率,以确定速率最高的传输方向。

研磨时容易出现亚表面损伤。铌酸锂晶体是典型的软脆材料,在研磨时极易出现亚表面损伤和磨粒嵌入等缺陷,进而影响表面波的传输。在具体研磨过程中,对研磨方式、磨粒粒径、研磨压力等方面均提出了很高的要求。这需要厂商在具体生产过程中积累经验,不断改进研磨方式。

需要使用高精密抛光工艺。由于基片表面的粗糙度会影响表面波的传输,所以基片表面的粗糙度需要达到亚纳米级别,同时基片表面不能有任何缺陷,这对抛光工艺提出了严峻的挑战。为了实现高精密的抛光,需要使用特殊配方的抛光液,并不断在生产中改进抛光工艺,以找到最高效的抛光方法。

后段半导体工艺对精细度要求很高。在完成基片的生产后,需要在基片上利用半导体工艺完成电极的刻蚀,大致流程包括金属膜沉积、上胶及前烘、曝光、显影、刻蚀、光刻胶去除等步骤。后段过程中的曝光设备、光刻精度、工艺参数等变化都会极大影响滤波器的性能。为了保证最优生产结果,滤波器厂商通常采用IDM模式完成设计、生产的全过程。


3.3.2 SAW/BAW主要被日美厂商垄断

从产业链上下游看滤波器行业,上游环节为晶圆供应商,中游环节为滤波器元器件制造商和前端模块生产商,下游为苹果、三星等移动终端设备厂商。目前,SAW/BAW滤波器主要被日美几家厂商垄断,包括村田、TDK、博通等厂商。


SAW滤波器市场由村田、TDK和太阳诱电垄断,其中村田的市场份额接近一半。博通在BAW滤波器市场一家独大,占据了87%的份额。这些领先厂商同时还在高端滤波器领域拥有大量专利,形成了技术上的垄断。



3.4 内外条件已具备,中国厂商完成国产替代正在当下

随着近几年国产手机品牌的迅速崛起,以及国内滤波器企业不断进行技术积累,我国滤波器厂商崛起的内外部条件已经具备,中国厂商完成国产替代正在当下。

从外部条件来看,近几年国产手机品牌迅速崛起。2016年国产手机前三强为华为、OPPO和VIVO,全年出货量分别达到1.39亿、0.99亿和0.7亿部,在全球的市占率仅次于三星和苹果,我国已经成为全球最大的智能手机生产地和销售市场。

国产手机品牌的迅速崛起带来了庞大的本土配套需求,这是因为供应链本土化可以拥有更好的配套服务、更为方便的协作,手机厂商应对市场变化的能力也更强。随着国产手机品牌的崛起,滤波器的本土化配套需求也迅速提升,我国滤波器厂商崛起的外部条件已经具备。


从内部条件来看,国内滤波器厂商的技术积累也支持国产替代。目前国内滤波器厂商已经掌握了从晶体基片制造到光刻工艺的全生产流程,开始从SAW滤波器领域实现突破。同时国内生产厂商拥有更为低廉的生产成本,在价格上相对厂商也具有优势。所以国产滤波器厂商也已经具备了实现国产替代的内部条件。

目前,我国从事声表滤波器的公司大约还有10家左右,有一半从事军品滤波器,一半从事民品滤波器。而在手机用声表射频滤波器有突破的厂商主要是德清华莹(中电55所)、中电26所、无锡好达三家。它们成功开发了外壳尺寸为2520、2016、1814CSP封装的BAND1、BAND5、BAND8声表双工器,以及尺寸为1411、1109CSP封装的GPS、WiFi用滤波器,产品已经得到二线品牌手机厂家的使用。

1)德清华莹(中电55所)

中电科技德清华莹电子有限公司始建于1978年,是国内最早研制生产铌酸锂压电晶体材料和声表面波滤波器产品的企业之一。现在是中国电子科技集团公司旗下五十五所控股的一家专业研制及制造人工晶体材料、声表面波器件及电子系列产品的企业。公司专业生产铌酸锂晶体产品、声表面波器件和其它电子产品,拥有自主知识产权。主营的铌酸锂3″、4″晶体年产18吨,加工晶片100万片及系列光学晶体产品;年产各类声表面波器件1.6亿只,电子镇流器、电子变压器等照明产品600万套,大功率灯珠600万只,COB面光源及集成光源60万只。

2)中电26所

中电科技26所是国内实力非常强的商用SAW滤波器制造商。1999年以前,中电26所的产品及业务主要用于军用和国防定制配套,此后逐步民用化。中电26所已经成功研制出上千种规格的声表面波滤波器、声表面波振荡器、声表面波谐振器、声表面波延迟线、声表面波直接频率合成器、声表面波脉冲压缩组件等信号处理器件以及零组件,用于GSM/CDMA等直放站、GSM/CDMA/WCDMA/TD-SDMA 等基站的系列中频滤波器、CDMA450固定台系统的400-700MHz系列滤波器、WAN/WLL的声表面波滤波器、各类无线通信标准无线收发RF滤波器。

3)无锡好达

无锡好达主要产品包括声表面波滤波器、双工器、谐振器,应用于手机、通信基站,雷达、航天航空、汽车电子、及其它射频通讯领域。公司拥有能生产0.25um微线条芯片生产线,有能生产CSP倒装产品封装的生产线,可生产产品尺寸为1.8*1.4的双工器、1.1*0.9的滤波器,可生产1.8×1.4 mm 的双工器、1.1×0.9 mm的滤波器,其HDDB01NSB-B11、HDDB03CNSS-B11、HDDB05NSS-B11等多个型号双工器在BAND1、BAND3、BAND5等波段得到应用。公司已实现对主流手机厂商(主要客户包括中兴、宇龙、金立、三星、蓝宝、富士康、魅族等)的供货。


4 天线:大规模MIMO技术,阵列天线加速走向应用

4.1 手机端:采用阵列天线,工艺难度加大提升价值量

5G作为新一代通信技术,引入了一系列新的技术和标准。这些新的技术和标准将大幅提升手机天线的设计和制造难度,需要引起手机厂商的足够重视。总体来看,手机天线将在尺寸、阵列、有源器件、芯片等四个方面大幅提升难度。

4.1.1 阵列天线将被采用,加工工艺更加复杂

MIMO技术,决定手机天线将采用阵列天线方案

由于5G将部署大量小基站,各个小基站的误码率等性能不尽相同,所以5G手机需要具备自选基站的能力,以选择误码率低的基站和信道实现通信,这就要求5G手机采用阵列天线技术。基站天线采用的阵列天线,波束将在垂直和水平两个方向交叉极化,所以5G手机天线需要采用垂直和水平天线交互的点阵,以同时保证垂直和水平两个极化方向的信号收发。

阵列天线对手机天线的设计和制造提出了更高的要求,未来的5G阵列天线很可能集成到后盖上,要求天线生产商和后盖生产商之间的具有紧密协作。


天线尺寸大幅缩小,加工工艺难度大幅提高

天线长度通常为波长的四分之一,所以当5G需要使用高频段时,由于电磁波的波长大幅缩小,手机天线的尺寸也需要大幅缩小。天线尺寸的大幅缩小将对天线的材料和加工精细度提出更高的要求。对于30-40GHz左右的5G天线,FPC以及注塑冲压的天线制作方式将达不到要求,可用LTCC、高介电、陶瓷等技术进行加工制造。但60GHz及以上的天线尺寸非常小,就需要微电子加工技术,加工精度要求更高,需要采取和芯片集成在一起的加工工艺。


4.1.2 波束成形技术要求手机天线集成有源器件

基站和手机在5G时代的通信将采用波束成形技术,需要保证基站与手机之间的定向传输,这就需要集成移相器、相位控制器等有源器件。其中移相器用来对波的相位进行调整和改变,用于调节交流电压相位。相位控制器用来控制手机天线的相位,以保证与基站之间的定向传输。

所以未来的手机天线厂商不仅需要具备天线的设计与制造能力,还需要具备集成有源器件的能力,甚至将天线与有源器件结合为模组形式提供给终端客户。


4.1.3 阵列天线或将与芯片相结合

由于5G手机天线采用阵列天线,天线数量大幅增加,不能使用屏蔽线引出信号到射频芯片中,所以需要把引出线与阵列天线做成一体,并与芯片相结合,通常一个芯片管理四个点阵。

天线与芯片的结合,并不意味着芯片厂商将取代天线厂商。芯片厂商不知道如何设计天线并对天线的性能进行检测与评估,只有专业射频厂商有这方面的经验。所以,芯片厂商只有与天线射频设计公司合作,才能制作出5G所需要的天线系统和制作出产品。


4.1.4 阵列天线价值量大幅提升

5G通信将使手机天线单机价值量大幅提升。根据产业链调研,目前较为低端的弹片天线单机价值量约为0.3-0.5元,主流的FPC天线单机价值量达到1-2元,而高端的LDS天线单机价值量达到6-15元。而等到5G时代,手机天线将采用阵列形式,还需要整合有源器件与芯片,单机价值量将达到30-80元,相比目前的价值量水平得到大幅提升。


4.2 国内厂商技术雄厚,将引领5G通信天线的发展

经过多年发展,我国厂商均积累了足够的技术与资本实力,已经成为各自行业的领头羊。随着5G时代的到来,国内天线厂商将继续凭借雄厚的技术积累,引领5G时代通信天线的发展。

手机天线已经有了很长的历史,并经过了几个重要的发展阶段,行业中心也开始从欧美向中国转移。

早期天线主要是从军用领域发展而来,所以不难理解为何此前的国际天线大厂主要集中在欧美及以色列。天线军转民之后,起初主要应用于车载电话、无线寻呼等专业领域。早期天线普遍置于移动终端机壳外顶部,带宽窄、不美观、易折断,后来,随着天线技术不断提升及用户对整体外形要求提升,天线从外置转为内置天线。

早期的内置天线主要是金属弹片加塑胶支架的结构,多是两维手工设计、测试及制造,当时金属弹片天线单价在3-5元;后来由于精密度要求提升,金属弹片替换为FPC材质,但天线依然是两维设计制造,目前其平均单价为1-2元。再后来,随着LTE(4G)的加入,天线的复杂度将越来越高,覆盖5-6个甚至更高频段,手机中的射频信号通道越来越拥挤。此外,手机还需要处理来自外围无线设备的各种信号,如蓝牙、Wi-Fi和GPS等,所有这些信号需要工作在不同的频段,而且都需要接入天线,并且取得最优的性能和较轻薄较集成化的外形尺寸,这使得天线设计测试及工艺难度越来越高。

此时,要实现4G所必需的多天线技术,在多频多模的要求下,天线外形从早期的两维变成三维,天线设计必须实现电脑自动化设计,而对制造的精密度要求也越来越高,早期的FPC、弹片等手工设计、测试和制造的模式已不适用,全自动化模式成为主流,而在全自动化模式中,三维制造精度最高的就是LDS工艺,可以说,LDS工艺是4G终端天线可实现的主要工艺。


国外企业进入手机天线行业较早,拥有较强的技术积累,仍然占据着很大的手机天线市场份额。目前国外手机天线厂商主要包括莱尔德、普尔思、安费诺、莫仕、Skycross等。


我国手机天线企业一方面通过外延并购的方式成功进入国际顶级大客户供应链,另一方面受益于国内手机终端企业的快速发展,已经具备雄厚的实力积累。以信维通信代表的国内手机天线企业,将有望在5G手机天线的发展中扮演重要角色。

信维通信是国内小型天线行业发展的领跑者,集研发、制造、销售于一体,主要致力于研发和生产移动通信设备终端各类型天线,包括手机天线、GPS、WIFI、蓝牙天线等。公司积极围绕射频技术为核心,一方面不断夯实自身产品研发与制造能力,另一方面拓展高性能射频连接器及为解决整机EMC/EMI的精密五金部件、LDS产品、音频产品及音射频模组等。

信维通信营业收入保持快速增长势头,2016年实现营业收入24.13亿元,近八年的年复合增长率达到59.71%,2016年实现净利润5.24亿元,近八年年复合增长率达到52.41%。


信维是目前为数不多在射频领域针对5G通讯做前沿研发的全球化公司。公司已经成立了5G研究院,在瑞典斯德哥尔摩的研发中心是专门研究未来几年的通信技术以及如何应用新的工艺、新的技术。目前,公司已经开发出用于手机和平板的5G天线阵列设计。此外,5G天线中要用到很多射频器件,比如移相器,耦合器等,公司在2016年9月成立深圳市信维微电子有限公司,主要以研发设计为主,涉及业务包括滤波器、功放、开关等射频前端器件及模组、半导体材料及微电子产品。

伴随着5G通讯的商用化,手机行业将迎来一次换机潮。我国手机天线企业已经拥有足够的技术积累,将有望抓住这次机遇,引领未来手机天线行业的发展。

5 功率放大器:化合物半导体再添动力

5.1 化合物半导体是5G时代下功率放大器不可替代的核心技术,需求提升迅速

5.1.1 功率放大器即为信号的“扩音器”,市场空间广阔

何为功率放大器?

功率放大器,即为信号的“扩音器”,它是无线发射系统中极为重要的部分。通常条件下,在调制振荡电路中的射频信号都比较弱,这些信号需要经过射频放大器逐级放大并调制,最后经末级功率放大器匹配足够功率,通过天线将射频信号辐射。以iPhone6主板为例,其中就包括5个射频功率放大器,分别由Skyworks、Qorvo和Avago提供。功率放大器连接调制振荡电路及辐射天线,往往是整个移动终端中最为耗电、效率最低,同样也最为昂贵的部件。


射频功率放大器市场规模近40亿美元

近年来,全球4G手机占智能手机市场的份额逐年提升,随着未来4G通讯渗透率进一步提高以及5G通讯正式上线,手机需要支持的频段数越来越多,功率放大器的数量也相应大大增加。据Yole指出?2016年全球RF PA市场规模约为15亿美元,到2022年时,市场规模将达到25亿美元,但传统的LDMOS制程将逐渐被新兴的氮化镓(GaN)取代,砷化镓(GaAs)的市场占比则相对稳定。


5.1.2 化合物半导体是功率放大器核心技术,壁垒极高

何为化合物半导体? 

化合物半导体指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物,并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。

自2000年以后,化合物半导体市场逐步扩大,以砷化镓(GaAs)、氮化镓、碳化硅为首的半导体材料应用增多。

目前较为成熟的是第二代半导体材料,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)为主要代表,这一类化合物半导体相对于第一代单元素晶体半导体拥有更高的电子迁移率,且为直接带隙,在光电传输过程中有更好的表现,同时整体上功率、增益以及效率都较硅基半导体更有优势。目前,市场上GSM、3G、4G通信网络多是以GaAs器件和COMS器件并存。

随着技术的进步,第三代半导体材料也开始应用,主要以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为主要代表,这一类半导体相较前两代半导体,拥有更大的禁带宽度,能够对应更宽的频谱区域,这也是未来高频5G时代的需求。

COMS、GaAs和GaN是功率放大器的三种重要的制备工艺

目前功率放大器中半导体的制备工艺主要有COMS、GaAs和GaN三大类工艺,其中比较成熟的是CMOS和GaAs工艺。

CMOS作为最先发展的半导体制备工艺,其优势在于制程成熟,成本更低,整体集成度较高,通常被用于芯片制造、通信集成等多个领域。智能手机中功率放大器相对于CPU等芯片而言,集成度要求并没有那么高,相反对于工作频率、耐高温、耐高压等方面特性要求更高,因此GaAs工艺作为兼顾良率、成本以及增益、效率的最佳方案,被广泛应用于3G、4G网络中。

GaAs工艺其实指的是材料制备中两种工艺手段,MOCVD(气相外延生长)和MBE(分子束外延)。通过该工艺制造的GaAs IC(以MESFET、HEMT、HBT为主的集成电路)有着非常出色的表现。比如GaAs MIMIC(微波毫米波单片电路)和GaAs VHSIC(超高速集成电路)在新型相控阵雷达等军用上起着重要作用。

GaN工艺和GaAs工艺差别不大,生长上控制难度更大一些,尽管目前良品率仍较低,集成度也相对较低,但最终需求才是科学技术进步第一推动力,随着时间推进,技术的成熟度会不断提高。


GaN优异的材料性能能够满足相当大范围的频段需求,目前多用于军用雷达、高频通信域。未来随着高频5G信号毫米波段进一步发展,应用前景会越来越广阔。


5.1.3 5G时代下,化合物半导体需求量大幅增加

5G时代下,“高频+频段增多”推动化合物半导体需求量增加

5G时代下,化合物半导体的增量主要来源于两个方面:1)毫米波通信推动化合物半导体需求增长;2)5G通讯信号覆盖全网频段,频段数量增加,功率放大器芯片数量也将进一步增加。 

5G通信将在3GHz以上的通信频段,GaAs器件将成为不可或缺的部分。GaAs射频功率放大器具有比硅(Si)器件拥有更高的工作频率和更高的工作电压,满足未来5G通信高频、高效、高功率的需求。目前4G手机的功率放大器已全部采用GaAs 技术,未来5G射频放大器器件更加采用GaAs 技术以及更高端的工艺技术。

5G通信支持的频段将大幅增加,将达到50 个以上,远大于4G 通信的频段数,仅通过提高功率放大器的复杂程度已不能满足频段需求,未来手机功率放大器数量将大大增加,使得单部手机中GaAs 器件成本大幅增加。在4G手机中,iPhone6中搭载共6个PA芯片。未来随着5G通信的应用,Strategy Analytics预计智能手机中PA芯片数量可能高达16个,化合物半导体的需求量也会明显增多。 

以GaAs、GaN为代表的化合物半导体市场将在PA带动下快速增长

以GaAs、GaN为代表的化合物半导体将成为PA的主流材料,目前在6GHz以下主要是以GaAs HBT为主,28~39GHz频段主要是以智能手机GaAs HEMT和基站用GaN HEMTs为主,而高频毫米波段主要是以InP HBT、GaN HEMT和GaAs HEMT为主。以第二代、第三代化合物半导体材料为基的功率放大器市场规模将近一步扩大。


5.2 中国厂商蓄势待发,将享受行业爆发红利

5.2.1 化合物半导体技术主要被国外厂商垄断 

PA射频器件一直存在着硅基COMS PA和化合物半导体PA之争。硅基材料虽然成本上优势明显、技术上也非常成熟,但由于本身物理性能受限,无法用于高频领域,目前以砷化镓为代表的化合物PA在射频功放市场上仍有85%以上的市场占有率。

COMS射频公司以高通、英飞凌、Peregrine等为主要代表,技术上则向Ultra COMS方向演进。

2G时代开始,低成本的COMS PA开始进入手机市场,Axiom(2009年被Skyworks收购)的CMOS PA就实现了千万级的出货量。另一家CMOS PA供应商Amalfi Semiconductor(2012年被RFMD收购)的产品也广泛应用在低成本手机上。

3G时代,2013年2月份,高通宣布推出可以对应LTE的CMOS PA,矛头直指GaAs技术。高通作为芯片行业龙头,这一举措大大刺激了CMOS射频元件厂商。初创公司RF axis凭借多项专利技术,实现了采用纯CMOS技术达到了原本只能由GaAs 或SiGe实现的性能,而成本却只有几分之一,目前RF axis的产品已经获得包括高通(Qualcomm)、博通(Broadcom已被Avago收购)以及其他无线互联与物联网设备提供商的认可。英飞凌是另一家支持CMOS射频的厂商,就推出了采用CMOS工艺的射频开关。另一家厂商Peregrine(2014年被Murata收购)是SOI(绝缘体上硅)技术的领导者,其 Ultra CMOS技术为射频产品带来了高度集成的单芯片方案,目前已向市场提供二十多亿个Ultra CMOS芯片。

GaAs射频公司逐鹿群雄,日本、台湾、欧美均有强力竞争者

GaAs半导体厂商主要为国外IDM厂,根据Strategy Analytics数据表明,2014年GaAs元器件市场规模为74.3亿美元,2015年市场规模为86亿美元,预计到2020年,市场规模将突破130亿美元。市场份额主要集中于Skyworks、Qorvo和Avago三家,占市场份额的6成以上。

日本的Murata是全球最大的MLCC厂家,也是第一大通讯模块厂家,2013年完成对Renesas PA事业部收购,打造最完整的射频产品线。

GaAs元件加工核心步骤外延沉积主要参与厂商有Kopin、VPEC、IQE三家,合计市场占有率超60%,其中Kopin和VPEC两家采用的是MOCVD制程,IQE采用的是MBE制程。

晶圆代工厂方面,主要代表有Win、AWSC和Anadigic。Win Semiconductor(稳懋)是全球最大的GaAs晶圆代工厂,主要客户为AVAGO;AWSC主要客户是Skyworks。国内主要是三安光电,近年来发展速度十分可观,2015年月产能已经达到24k片每月,产能直逼稳懋,未来有望超越稳懋成为全球最大的晶圆代工厂。

PA模组厂方面,主要有Skyworks、Avago、Qorvo(RFMD与TriQuint合并)等几家公司。目前Skyworks是最大的参与者,全球前10大手机厂商都是其主要客户,技术也最为成熟。Avago作为行业新参与者,于2013年5月收购Javelin正式切入COMS PA领域,2015年5月更是斥资370亿美元收购Broadcom(博通)成为芯片领域龙头。


GaN市场刚打开,竞争格局初现

长期以来,GaN一直作为一种国防军用材料,广泛应用于军事、卫星通信、无线基站等领域。随着技术的逐步成熟,开始逐步向民用商业化渗透,目前在无线通信领域的应用已经占据了其总市场的一半以上,据Yole Development数据显示,2010年GaN射频器件市场规模仅为6300万美元,随着无线通讯技术的演进,预计2020年将达到6.2亿美元,年复合增长率高达26%。

目前GaN射频器件参与厂商主要包括Wolfspeed、Raytheon、Northrop Grunman、TriQuint、RFMD、Nitronex、MA-COM、GCS等。

Wolfspeed:科锐2016年拆分旗下Wolfspeed Power & RF(功率与射频)部门,更名为“Wolfspeed”公司,同年7月英飞凌收购Wolfspeed并表示Wolfspeed生产的碳化硅芯片在未来数年将逐渐取代传统芯片,尤其是在电动和混合动力汽车市场。

Raytheon:雷神公司是美国大型国防合约商,提供多个领域国防产品,在微电子领域,雷神擅长砷化镓单片微波集成电路(MMIC)技术,并正在应用这一技术于全球卫星通信,直播卫星电视接收机、 无线本地环绕网络和下一代数字蜂窝电话,目前雷神公司已经开展GaN器件制造。

Northrop Grunman:坐落在美国加利福尼亚洲,是一家以航空航天器件生产为主的公司,目前公司正投入大量资源用以对航天通信器件GaN材料的开发利用。

TriQuint、RFMD:目前已合并为Avago公司,公司是一家设计、研发并向全球客户广泛提供各种模拟半导体设备的供应商,公司主要提供复合 III-V 半导体产品,在高性能设计和集成方面拥有超群的实力。

Nitronex:是一家在无线通信市场世界知名的公司,专业设计、生产有源器件,目前产品已在美国以及亚洲市场有了广泛的应用。Nitronex获得2180万美元GaN RF芯片投资。基于其GaN工艺,Nitronex公司已经发布了针对WiMax市场的一系列的RF功率晶体管产品。

MA-COM:成立于1950年,总部位于美国东海岸波士顿马萨诸塞州,主要专注于射频和微波产品的开发。在微波和射频领域,目前投资研发基于硅衬底的氮化镓技术,为5G的移动通信的发展做准备,也为其它新能源行业大功率器件做准备。

GCS:环宇通讯半导体公司1997年成立,要从事砷化镓/磷化铟/氮化镓高阶射频及光电元件化合物半导体晶圆制造代工,目前与国内三安光电正式合作建立合资子公司三安环宇公司,也标志着大陆厂商氮化镓器件制造正式进入快速发展期。



5.2.2 中国厂商正着力打造本土射频半导体产业链

目前中国的化合物射频半导体产业链已经初步形成。从PA产业链设计、制造再到封测,各个环节均有中国厂商参与,打造中国自己的PA产业链格局。设计端发展最早,目前有锐迪科(RDA)、唯捷创芯(Vanchip)、中普微电子、汉天下(Huntersun)、国民飞骧、苏州宜确(长盈精密收购其20%股份)等企业参与。制造端技术要求较高,国内化合物半导体制造主要有三安光电、海特高新等企业参与,国内封测端主要有长电科技、晶方科技、华天科技等企业参与。


三安光电,国内第一家规模量产的GaAs/GaN化合物晶圆代工企业

三安光电是国家人事部认定的博士后工作站及国家级企业技术中心,在美国成立研发中心,拥有Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体技术顶尖人才组成的技术研发团队,掌握的产品核心技术达到国际同类产品的技术水平,研发能力已达到国际先进水平,其中半导体集成电路6英寸外延更是填补了国内芯片外延空白。公司于2014年设立全资子公司三安集成电路,专注于GaAs高速半导体器件和GaN高功率半导体器件的生产。其中三安集成首期项目(通讯微电子器件一期)投资规模30亿,其中定增募集16亿,自由资金14亿,投入用以建设GaAs和GaN芯片产线各一条,并于2018年达到产能饱和。公司目前拥有约300台MOCVD,除研发机外都已全部开满生产。而二期项目MOCVD也将逐步采购,产能将近一步提升。

技术方面,公司与GCS优势互补,成立合资公司厦门三安环宇集成电路有限公司,其中三安集成占合资注册资本51%。为公司在射频通讯和光通讯元件技术水平和专利平台的构筑得到迅速提升有利于加快公司集成电路业务的发展进程。

目前,三安光电已向47家公司提交样品,产品应用包括 2G、3G、4G 手机应用的功率放大器、无线网用的功率放大器、基站应用、低噪声放大器、及其它无线通讯应用单元等,其中11颗芯片进入微量产,其它客户芯片持续验证中。同时,公司继续扩充GaN高功率及射频芯片生产线,有望尽快满足客户和市场需求。

国民技术,斥资80亿打造化合物半导体生态产业园

国民技术是国内最大的安全芯片供应商之一,也是国内化合物半导体生产重要企业之一。其主营业务USBKEY安全芯片、移动支付芯片等领域占据优势地位,早在2008年就已72.9%的市场份额占据国内安全芯片市场销售额排名第一。此外公司积极开拓化合物半导体领域,全力打造中国最大的化合物半导体生态园。

2017年8月,公司全资子公司国民投资与成都邛崃市人民政府,就投资建设“化合物半导体生态产业园”项目事宜达成共识,并签订了《化合物半导体生态产业园项目投资协议书》,该项目预计三年初具规模,五年实现产能。

根据初步规划,该项目总投资将不少于人民币80亿元(一期50亿元,二期30亿元),以第二/三代化合物半导体外延片材料为核心基础,围绕相关应用,向上游辐射半导体晶材料,向下游带动高端芯片、功率器件、高能电源、传感器、射频模组和终端整机等产品,打造化合物半导体产业链生态圈。

为更好管理半导体生态产业园,国民投资将与陈亚平、重庆西证渝富股权投资基金管理有限公司、四川通利能光伏科技有限公司,共同发起设立成都国民天成化合物半导体有限公司,合资公司拟注册资本20,000万元。国民投资以自有货币资金出资5,000万元,占合资公司注册资本的25%;陈亚平拟以自身为代表人的技术团队掌握的6项第二/三代集成电路外延片制造专有 技术所有权作价出资4,000万元,占合资公司注册资本的20%;西证渝富拟代表基金以货币资金出资10,000万元,占合资公司注册资本的50%;通利能拟以货币资金出资1,000万元,占合资公司注册资本的5%。



6 投资标的

6.1 信维通信:5G通信将带来SAW滤波器、阵列天线需求增量

信维通信是全球移动终端天线龙头供应商,其天线主要用于手机、电脑、可穿戴设备、汽车、工业等终端。公司围绕射频技术及大客户平台,销售天线及射频模块业务,并提供与射频可能形成协同的射频隔离、连接器、NFC、无线充电模块、音频等一揽子产品解决方案。

短期看公司基于天线的横向深度布局,终端价值量提升明显。手机厂商的天线设计逐渐从单天线转变为MIMO天线甚至阵列天线,手机中天线的单机价值量将会出现明显提升。公司将围绕天线多产品线布局射频隔离、射频连接、NFC 无线充电模块、音频、滤波器单机价值量提升十倍以上。与此同时,公司的产品线还积极向平板与笔记本电脑终端渗透,其价值量比手机天线提升多倍。未来三年公司业绩高增长有保障。

长期看5G、大数据无线通信时代,从天线到射频芯片,再到滤波器等各类器件,射频模块集成度更高。预计5G射频模块单机价值量将提升至50美金,价值量提升数十倍,同时技术门槛将大幅提升,天线将演变成难度更高的阵列天线,它的研发难度和制造难度都将大幅提升,而且还将与射频器件进行整合。5G技术布局方面,射频器件上,信维在2017年6月份与中电五十五所合作,增资德清华莹,双方在SAW滤波器、GaN、SiC射频器件的原材料、射频MEMS器件的生产与研发方面都将进行深度合作,此外,双方还将共同出资建设5G通信高频器件产业技术研究院,专门从事5G通信用高频器件的技术研究、工艺开发和批产验证。我们认为信维通信已完成从天线到射频、从无源到有源,从材料到工艺的全产业链布局,这些奠定信维通信在5G时代坚实的技术基础,信维龙头优势更加明显。

我们看好公司背靠大客户在主营天线业务渗透率以及单机价值量双重提升逻辑,在此基础上公司前期深度布局的射频隔离器件、声学、NFC、无线充电、滤波器等业务将会不断开花结果。

6.2 三环集团:掌握电子陶瓷产品核心技术,陶瓷后盖大有可为

公司是全国电子陶瓷产品领军企业,已经专注于各种电子陶瓷机构件的研发与生产超过20年。产品前道方面公司已经掌握了纳米级粉体制备技术、配方材料制备技术、如注射、流延、挤压、干压、等静压、叠压等胚体成型工艺与各种窑炉烧结工艺;后道方面公司拥有多种形式的精密研磨技术和专用设备、精密模具设计制作技术等核心技术,形成了从前道粉体到后道成品的全产业链生产,产品性能也达到国际一流水平。公司主要产品应用于通信、半导体级别封装、移动终端等领域,市场空间巨大。

公司主业光纤陶瓷插芯主要应用于基站、IDC、光纤入户建设,从去年上半年开始因公司实现粉体自产导致成本下降,公司决定通过主动降价抢占市场份额,通过一年多时间,公司全球市占率从原先的40%提升至70%以上,竞争对手也因为价格与成本压力在快速退出。5G到来后基站与主干网的建设将带动整体陶瓷光纤连接器的需求,预计5G运营商的宏基站数量将会是现在保有量的1.4倍,并且还加建许多微基站,陶瓷插芯整体需求将上一个台阶。

三环集团是目前PKG封装机座国内唯一实现量产的企业,其产品主要应用于半导体级别元器件的封装环节,如晶振与摄像头CMOS。目前竞争对手主要是日本京瓷与NTK,而NTK在国内快速退出也带来公司进一步发展的空间,公司目前积极与日韩滤波器厂商合作,预计未来公司PKG封装机座将大范围应用于SAW滤波器的封装,需求量将稳步提升。

5G未来将使用高频通信,而目前手机普遍使用的金属材料因为其物理特性将导致信号屏蔽,非金属材料因为其良好的介电性能是未来公认的手机材料。陶瓷因为其硬度、强度、可塑性等性能明显高于玻璃受到了很多厂商的关注,但受制与目前工艺还不成熟,产能还存在瓶颈以至于只有旗舰机才会使用。三环集团是目前全球唯一一家实现了陶瓷后盖全直通生产的企业,产能也为业内最高,未来将受益于5G与陶瓷后盖渗透率提升逻辑。

我们看好公司在行业内少有的掌握电子陶瓷核心技术的企业,并且公司目前实行“材料+”战略,产业链卡位好,多种产品市占率达到全球第一,陶瓷后盖未来也将大有可为。

6.3 顺络电子:巩固电感主业,紧抓电子元器件周期,多点开花 

顺络电子是国内被动元件、射频器件龙头制造企业,主要用于通讯、消费电子、计算机、LED等领域,提供叠层片式电感器、绕线片式电感器、共模扼流器、压敏电阻器、NTC热敏电阻器、LC滤波器、各类天线、NFC磁片、无线充电线圈组件、电容、电子变压器等电子元件。

随着近年来,智能手机渗透率不断提高,终端产品新功能以及更高性能部件不断革新,单机电感数量大幅提升。以iPhone6为例,其中电感数量较第一代iPhone增加了一倍。每个基带模块、PA模块、WiFi模块、蓝牙模块都需要数个电感。未来随着5G频段数大大增加,射频端电感用量也会相应提升。而公司主打产品片式电感,其轻薄化的优势也会在空间狭小的智能终端中愈发明显。

LTCC工艺,是目前元件堆叠技术中效能、成本、高频特性上结合最好的方案。主要用于微波、手机、汽车电子等领域。顺络电子在LTCC工艺上已有深厚的技术积累,能够实现在极小空间中实现了各LTCC产品的设计。随着5G通信的上线,射频端需要搭载的元器件数目大大增加,LTCC工艺需求日益明显,产品需求将迎来爆发性增长。目前,公司能提供大量基于LTCC技术的射频器件,包括蓝牙、GPS和CMMB天线,高通、带通和低通滤波器,平衡滤波器,平衡转换器和天线开关模块等。公司的滤波器具有优良的高频高Q和微波特性,可以很好地满足5G通讯需求。

在无线充电以及5G等创新驱动下,手机后盖将由“金属”逐渐转向“非金属”,公司提前布局陶瓷后盖业务,未来将直接受益于陶瓷后盖产业的爆发,迎来新一轮增长。

我们看好公司在巩固电感主业的同时,紧抓电子元器件创新周期,不断开拓新产品,积极培育新增长点。


6.4 三安光电:5G时代化合物半导体需求增长带来发展新机遇

三安光电是国内LED行业龙头,也是中国第一家具备规模化生产、研发化合物半导体芯片能力的企业,主要产品包括全色系超高亮度LED外延片、芯片、化合物太阳能电池及Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体等。

公司多年来在LED外延片业务上有着深厚的积累,而外延片和化合物半导体之间也有着千丝万缕的关系。外延片的主要材质是GaAs(红黄光)和蓝宝石(蓝绿光),在加工工艺和加工设备上与化合物半导体材料InP、GaN、SiC相似。三安光电作为国内最大的LED外延/芯片生产商,使得其在化合物半导体领域有着得天独厚的优势。

4G时代,通讯领域对功率放大器在高功率传输上的应用要求越来越高,传统硅基材料由于受到本征性能限制,逐渐退出历史舞台。以砷化镓为主的高速半导体器件越来越广泛应用于无线通信,卫星传输,汽车电子等领域。而随着5G的到来,氮化镓射频器件凭借高频、高功率的特性也越来越多地应用于无线传输基站、宇航通讯传输等领域,在未来的网络设计中,如载波聚合和大规模 MIMO 等新技术的发展应用,将使 GaN 比现有横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)更具优势。

国家背书,推动半导体发展。2015年6月,国家集成电路产业投资基金先后投资三安光电,目前合计持有三安光电11.30%股份,成为第二大股东。此外国开行、华芯投资与公司及大股东(三安集团)签订四方战略合作协议,华芯与三安光电及大股东拟合资设立不超过25亿美元的III—V族化合物集成电路发展专项基金,用于支持公司拓展以III—V族化合物半导体为重点的集成电路业务;2)国开行以最优惠利率提供200亿元融资总量,用于支持三安集团及三安光电的业务发展。

目前,三安光电已向47家公司提交样品,产品应用包括 2G、3G、4G 手机应用的功率放大器、无线网用的功率放大器、基站应用、低噪声放大器、及其它无线通讯应用单元等,公司继续加大在GaN高功率及射频芯片上的研发生产,未来随着5G高频通信需求进一步提升,该块业务有望快速增长。

我们看好公司在化合物半导体领域的进一步发展,随着5G时代对化合物半导体材料需求提升,公司凭借多年的技术积累以及国家背书支持,该块业务将成为公司新的快速增长点。

7 风险提示

5G推进不达预期:5G虽在大力推进,但仍不确定何时可以正式商用,技术发展有可能不达预期从而影响5G商用。 

国内厂商技术工艺突破不达预期:射频器件目前国外厂商占绝对优势,国内厂商发展有一定压力,在工艺突破上尚有瓶颈,可能不达预期。

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