5G机遇下，哪些半导体厂商会是最大受益者？

wanglh5555 2016-09-30

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本文来自网上相关资料整理

从现在来看，5G无疑是半导体厂商紧盯的一个市场。

随着移动设备市场的减速，物联网、智能硬件没有获得预期的火爆，无人驾驶汽车的遥遥无期，工业领域的增长缓慢。在4G上吃到了甜头的半导体厂商唯有将目光投向了或许在近期内能实现的小目标5G，也就是第五代移动通信。

回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义：

1G采用频分多址（FDMA），只能提供模拟语音业务；

2G主要采用时分多址（TDMA），可提供数字语音和低速数据业务；

3G以码分多址（CDMA）为技术特征，用户峰值速率达到2Mbps至数十Mbps，可以支持多媒体数据业务；

4G以正交频分多址（OFDMA）技术为核心，用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps，能够支持各种移动宽带数据业务。

来到了5G，其关键能力比以前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。

再加上新兴的物联网、移动互联网等应用对5G有了更高的需求，于5G设备来说也有了进一步的要求。按高通高级工程主管John Smee所说，5G对电池寿命，可靠性等方面都有了更高的需求。

而根据市场调研机构ReportsnReports的报告显示，5G网络到2025年会产生2500亿美元的年营收，这也势必会给目前正在给近来“苦苦挣扎”的半导体产生带来一线新的曙光。

挑战和机遇

虽然业界对5G 抱有很大的期望，但是对于布置5G网络，目前还面临很多的挑战。例如虽然OEM和芯片厂商都在开发相关的5G产品，但5G标准尚未确定，这是带来的第一个挑战。

其次，行业内的人都知道，现在的LTE网络的运行频率区间是700MHZ到3.5GHZ，但在5G的时代，除了LTE会持续存在外，未授权的毫米波频段（30GHZ到300GHZ之间）也会同时共存，以提高无线数据容量。这样的就会给移动系统和基站系统的处理器、基带和RF设备带来了更多的新需求。于RF芯片供应商来说，5G会给他们带来一种前所未有的新需求，当中就包括了一种叫做毫米波相控阵天线的技术。

这种已经应用在太空和军事的毫米波设备逐渐迁移到了汽车雷达、60GHZ WIFI和将要到来的5G身上。但这并不是简单的迁移，设计和设计的运行方式甚至毫米波会给厂商带来新的挑战。

不但这种芯片的设计会变得很困难，甚至在测试方面也给厂商带来了新的挑战。

在NI的一篇文章中有提到，由于这些毫米波的波长都是介乎1到10毫米之间，而厂商为了提高频谱的利用率，从物理层上探索MIMO、干扰协调等技术方法，这就会带来很高的路径损耗，有些频段甚至在水蒸气中也会面临传输损耗的挑战。另外在密集的城市环境信道测量中会发现，那些融合了方向可控制天线波束和网络拓扑蜂窝系统需要更高的链路预算。以上种种都会给测试厂商带来强大的挑战。

Skyworks的首席技术官 Peter Gammel,也表示，由于5G的高速率和低延迟，这就对化合物半导体提出了新的需求。

具体到手机、基站、测试和封装方面，我们可以这样分析：

（1）基站

5G实际应用中，带相控阵天线的手机将发射信号给基站和微蜂窝基站，基站和微蜂窝基站将与相控阵天线对接以实现信号连接。

要实现上述功能，还有一些问题要解决。例如，天气状况会影响信号路径。“在毫米波频段，由于氧气和吸收造成的路径损失会更大，”AnokiwaveCEO Robert Donahue说道，“解决方法是采用波束成型技术。”

Anokiwave有一款被称为“5G四核”的IC，工作频率为28GHz，具备相控阵功能。这款IC使用硅锗工艺，可用于微蜂窝基站等系统。

理论上，这种芯片可与基站通信。与4G不同，4.5G和5G设备必须支持大规模MIMO技术。基站使用的射频功率管一般采用LDMOS工艺，但现在LDMOS工艺正在被氮化镓（GaN）工艺取代。这是给半导体产业带来的第一个挑战，也是机遇。

“和LTE-A一样，5G基础设施也会移到更高的频率以拓宽数据带宽，”稳懋半导体高级副总裁DavidDanzilio说道，稳懋半导体提供GaAs和GaN工艺代工服务。“随着LTE迈向更高频率，GaN技术已经开始扩大市场份额。”

“GaN是一种宽禁带材料，”StrategyAnalytics的Higham说，“这意味着GaN能够耐受更高的电压，也意味着GaN器件的功率密度和可工作温度更高。所以，与GaAs和磷化铟（InP）等其他高频工艺相比，GaN器件输出的功率更大；与LDMOS和SiC（碳化硅）等其他功率工艺相比，GaN的频率特性更好。”

将来，5G手机中的PA甚至也可以用GaN来制造。“GaN也会被采用，特别是在高频率应用。”Qorvo无线基础设施与产品事业部总经理 SumitTomar说。

军用手机中已经开始使用GaN器件，但普通智能手机用上GaN器件还要等上一段时间，因为只有在低功率GaN工艺上取得突破，GaN器件才能放入智能手机。

（2）手机

4G手机里面的数字部分包括应用处理器和调制解调器，射频前端则包括功率放大器（PA）、射频信号源和模拟开关。功率放大器用于放大手机里的射频信号，通常采用砷化镓（GaAs）材料的异质结型晶体管（HBT）技术制造。

未来的5G手机也要有应用处理器和调制解调器。不过与4G系统不同，5G手机还需要相控阵天线。相控阵天线由一组可独立发射信号的天线组成，利用波束成型技术，每根相控天线都可以根据波束来调整方向。

5G智能手机中可能需要16跟天线。“每根天线都有独立的PA和移相器，并与一个覆盖整个工作频率的信号收发器相连，”Strategy Analytics行业分析师Chris Taylor说道，“理想的状况是把天线放在信号收发器上面，或者与收发器做在一起，所以信号收发器要有多个由小的PA组成的发射通道。所有进出天线的信号都在模拟域处理。”

毫米波器件设计一个系统非常有挑战性。“很多客户不但关心系统的架构，还想知道究竟用什么技术来具体实现，”GlobalFoundries Rabbeni说道，“这很大程度上取决于系统要集成多少功能，以及如何划分子系统。”

“此外，布局布线对于毫米波的影响很大，”Rabbeni说，“各个部件之间靠得很近以减小损耗。处理毫米波电路不是一件容易事。”

相控阵器件通常由不同的工艺制造而成，不过现在多数采用标准CMOS工艺和硅锗（SiGe）工艺。“在毫米波相控阵/主动天线应用中，硅锗工艺已经得到了证明。”TowerJazz高级战略市场总监Amol Kalburge说。

'此外，硅锗材料可以把先进CMOS工艺和片上无源器件集成在一起，这样就减小系统级芯片（SoC）的面积以提高集成度，并在成本与性能的平衡上做到更好，”Kalburge说，“我们认为硅锗材料将在5G射频前端IC发挥重大作用，当然也会用到其他三-五价材料。”

这样就对就在相关射频厂商的硅锗和砷化镓产品带来新的挑战和基于

（3）测试

测试测量大概是5G生产制造流程中最困难的一环。与4G射频芯片相比，毫米波的测试测量有明显区别。

“现在几乎所有的射频芯片测试都是用一根线缆把射频芯片和测试设备连起来，”NI的Hall说，“采用线缆连接射频芯片和测试设备是为了避免测试由于路径损失等原因导致的不确定性。”

不过蓝牙等射频芯片在测试时，也会进行辐射测量。量产测试时，芯片厂商则会采用相应的自动化测试设备（ATE）来进行测试。

但是，毫米波器件的测试测量完全是另外一回事。例如，相控阵天线可能是绑定在射频前端器件上。“（射频前端器件）封装就把天线包在里面了，”是德科技5G技术架构师Mike Millhaem说，“所以在器件上没有射频接口和端子来连接到测试设备上。”

所以，传统的采用线缆连接的测试方法对于毫米波不适用。那么，该怎么来测试毫米波器件呢？

每家厂商有不同的测试方案，不过需要把几台昂贵的机器组合在一起才能完成对毫米波的测试测量。

这又是一个挑战。

（4）封装

军用毫米波产品大多采用陶瓷或者金属封装，这些封装可靠性很好，但是成本很高。

所以民用市场在考虑采用QFN封装和多芯片模组，以及其他适合毫米波的先进封装。“厂商也在扇出和嵌入式封装方面进行尝试。”日月光副总裁Harrison Chang说。

实际上，在毫米波芯片封装上，封装工程师必须考虑更多的因素，尝试更多的方法。“（毫米波的）射频前端要复杂得多，”Chang说，“我们必须保证封装的结构，例如连线、垫盘（pad）和通孔，使之不会妨碍到芯片上的射频设计。”

走在前头的佼佼者

从上面的描述中，我们可以看到，5G给整个产业链带来了全新的挑战，当中有一些提早布局的公司会从中受益。处理器、内存、显示、电源、连接器这些厂商自然会获得受益，但一些与5G密切相关的材料、制造、封装和射频相关的厂商，从5G获取的好处是自不然更多的。先说一下射频方面。

从现在的市场现状分析，目前全球的RF前端主要被海外巨头垄断，市场呈寡头之势。如在滤波器领域，日企 Murata、TDK 和 Taiyo Yuden 占据 SAW 双工器 85%以上。BAW 双工器市场基本被博通垄断，博通占据 87%的市场份额；

功率放大器市场基本被 Skyworks、Qorvo、Broadcom 三家企业占据，三家企业市场份额达 93%；

天线领域市场相对较为分散，也是国内企业有所参与的领域：华为占据全球天线市场约23%的市占率，是全球第二大天线供应商。全球最大的天线供应商是 Kathrein，占据 25%的市场份额（此处仅统计基站天线）；PAmiDs 整合模块（包括 PA、双工器和天线开关）环节，Skyworks、Qorvo、Broadcom三家企业占据 99%的市场份额。

由于篇幅有限，我们不能每个都分析，就从最具代表性的技术和公司进行分析。首先就谈一下射频这块。

目前，射频器件中的功率放大器主要采用基于硅的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术。

但是硅基技术在高频应用领域存在局限性：LDMOS 功率放大器的带宽会随着频率的增加而

大幅减少，LDMOS 仅在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效。

随着通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的功率放大器。如今，GaN 是

有可能满足这些要求的唯一普及的技术：GaN 功率放大器已经能处理 50GHz 或以上的毫米

波频率。另外，GaN 功率放大器支持更高的带宽，即使在较高的频率也是如此。虽然目前从

性价比考虑，LDMOS 将仍然会是中低端频率的主流，但是在在 10GHz 以上的频段，GaN

的优势非常大。我们认为 5G 时代 GaN 功率放大器将成为超高频通信领域的首选，Qorvo算是最先切入的厂商之一。

（1） Qorvo

作为全球知名的射频方案提供商，Qorvo在5G方面的布局是非常领先的。这首先体现在GaAs器件的布局上。Qorvo表示，由于毫米波的应用。对新型器件就有了强烈的需求，与砷化镓和硅等材料相比，GaN在有高频率需求小型基站需求的5G中优势是非常明显，而5G也会驱动很多技术的进步。

5G演进之路

GaN拥有更高的功率密度，将会带来小尺寸、低电流损耗和高系统效率等优势。

除了基站外，Qorvo也推动GaN器件在手持设备上的普及。

Qorvo表示，GaN器件一开始是被应用在如军事雷达等军事用途，逐渐则被推进到了商业基站和有线电视中继等领域，但这些应用的工作电压基本上都是处于28V到48V之间。但我们知道移动手持设备的工作电压都是2.7到5V，为了推动这些GaN器件在手机上应用，Qorvo正在应用替代材料，适配相关的电压。

而Qorvo目前也推出了一些GaN器件，以满足5G的应用。当中包括了一些高压低频率和高频率的器件。

Qorvo的 GaN路线图

（2）英飞凌

介绍英飞凌之前，首先说一下，在今年7月，英飞凌以以8.5亿美金的价格将wolfspeed功率和射频部收归囊中，其中包括功率碳化硅衬底业务、射频和宝石应用。这对其GaN on SiC 射频解决方案是一个很好的补充。

而据英飞凌介绍，从之前隶属于其母公司西门子公司时开始，英飞凌就一直是移动通信中射频器件的领导者。早在2014年，他们就认识到了使用LTE LNA的必要性并推出业界第一款产品。如今英飞凌仍然是全球最大的LNA供应商。

此外，英飞凌还引领了LTE射频前端和天线调谐的性能优化，并向客户提供全新的构架方案和高品质现场支持。展望未来，我们已经成为在未来的Pre-5G和5G应用的领先者。

目前英飞凌提供世界一流的 SiGe:C 技术，可使 LNA 具有最低噪声系数、最高线性度和最低功耗；130 nm RFCMOS 技术使射频开关尺寸小巧且插入损耗低；2 层导线架封装适用于复杂系统，可提供设计灵活性；致力于投资创新技术，已经在毫米波应用取得领先。

英飞凌的相关前端产品

（3） NXP

NXP认为，在向5G演变过程中，需要更高的频率带宽，Si LDMOS在目前的网络中还处于主力位置，但在大雨3.5GHZ之后，GaN和GaAs会成为主力，更大的寄生效应就会引致更高的集成化需求；而MIMO和小型蜂窝则会带来更低发射功率的需求，这就要求更低的供电电压；更小尺寸的PA封装需求和高集成度；在这过程中也会产生信号带宽的持续增长。

而NXP也会做相关的布局，如下图所示。

（4） Skyworks

Skyworks的技术方案主管Stephen Kovacic曾表示，5G跟以往标准的不同之处，在于新一代的标准，吸引了Intel和Google这样的厂商参与到标准的制定中来。他认为5G离普及还有一段很长的路要走。业界会围绕空中接口的定义和通信链路频率的不确定性展开讨论。他认为对于移动前段来说，将会面临一个前所未有的挑战，而这些不会再在系统层级上讨论。

他还认为对于前端来说，SiP封装，会带来很大的好处。他指出，将基于GaAs HBT

制造的PA和SOI RF开关融合在一起是未来最佳的选择。而SAW/FBAR滤波器，CMOS的PA控制也是不错的选择。

从硬件看，5G提出要全频段覆，所以景对射频器件的性能（功率、工作频率、可靠性等）有极高的要求。以PA 功率附加效率（PAE）为例，最低要求 60%。 skyworks的 GaAs PA芯片可以做到 78%，而最好的硅基 CMOS 产品仅能做到 57%。

其次是制造。

TowerJazz高级战略市场总监Amol Kalburge表示，“在6GHz频率以下的应用中，SOI工艺的开关将继续是主流，但SOI开关在毫米波频率的应用研究还不充分，其可发挥的作用与可能遇到的问题还是个未知数。波束成型天线可以支持不同的收发通道，所以在毫米波中有可能不需要天线开关也能实现两个通道的完全隔离。如果毫米波应用仍然需要模拟开关，现在的SOI工艺开关由于插入损耗高，很有可能不可用。SOI工艺的不足将给MEMS工艺开关或其他新技术带来机会。”