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5G射频领域强手云集,这家本土企业如何突围
时间:2019-12-2

1895年,马可尼成功的进行了约3公里无线电通信,6年后的1891年,他在英格兰和纽芬兰之间进行横跨大西洋的摩尔斯码电报的发射和接受,正式标志着人类进入了无线通信时代,飞鸽传书寿终正寝。

 

1973年4月一名男子站在纽约街头,掏出一个约有两块砖头大的无线电话,并打了一通电话,引得过路人纷纷驻足侧目。这位就是“现代手机之父”,摩托罗拉的工程师马丁·库帕。

 

现代手机之父马丁·库帕与第一代“大哥大”

 

这一通电话也是马丁·库帕打给在贝尔实验室工作的一位竞争对手,当时对方当时也在研制移动电话,但尚未成功。库帕后来回忆道:“我打电话给他说:‘乔,我现在正在用一部便携式蜂窝电话跟你通话。’我听到听筒那头的‘咬牙切齿’——虽然他已经保持了相当的礼貌。

 

时至今日,手机已经诞生整整36年。手机的出现极大的丰富的我们的生活,现在各式手机已经遍地开花,全球仅智能手机用户就超过30亿。我们可以用手机进行视频电话、上网、聊天、看直播、购物、玩游戏……,在这背后是无线通信技术在这几十年时间里飞速发展。

 

任何一部手机,都必须有无线通信功能才能上网打电话,否则就是一块砖头,因此所有的手机中都安装有无线通信功能的射频芯片。

 

射频芯片种类很多,包括射频前端和射频后端,其中射频后端主要就是基带芯片。而射频前端则主要包括:射频天线,射频开关、功率放大器(PA)、低噪放大器(LNA)、滤波器、双工器等,这些都属于射频前端不可或缺的芯片。

 

 

射频前端结构

 

从上世纪80年代开始,无线通信技术经历了1G、2G、3G、4G时代,直至2017年12月,3GPP组织发布了V15.0.0版TS 38.104规范,正式确定了5G标准。

 

新5G NR标准的频率范围分别定义为两个不同的FR:即FR1与FR2。

 

FR1的重心放在450MHz-6GHz的频谱上也称为“Sub-6”标准,主要使用3GHz-4GHz之间频段。FR2侧重于24GHz~300GHz之间的频段,又称为“毫米波”标准,主要使用28GHz、40GHz和67GHz频段。

 

无论是sub-6还是毫米波标准,所用的频率都超过此前4G的200MHz-2.5GHz的频率。因此在更高的频率下,无论是移动设备还是基站,都对射频芯片提出了更高的要求!

 

国际机构Yole预测,随着5G的到来,几个主要的手机射频前端市场规模都会出现快速增长。

 

数据来源:Yole

 

根据Yole的预计,到2023年,射频前端市场规模有望超过340亿美金,折合2300亿元人民币,而这庞大的市场中,有一大半是中国厂商消化掉的,因此未来中国将成为全球最大的射频芯片市场!

 

谁能在这场商战中胜出,谁将获得最大的利润!因此目前国内外公司都铆足劲要在5G领域一争高下!

 

曾经巨头垄断,如今奋起直追

 

由于我国在无线通信领域,起步晚、技术差、基础薄,在2G/3G时代只能眼睁睁看着国外巨头在中国攫取巨额利润。4G时代稍好一些,但是也只是跟跑者,国外厂商依然赚的盆满钵满。从市场格局上来看,射频前端的几大类芯片包括PA、LNA、滤波器、依然被国外公司所垄断。

 

SAW滤波器被村田、TDK、太阳诱电、Skyworks、Qorvo等巨头垄断;BAW滤波器,更是被博通一家垄断了87%的市场;

 

在PA领域内博通、Skyworks、Qorvo射频三巨头更是合计占有超过90%的市场份额。

整个射频市场呈现寡头垄断格局。国内虽然也有不少行业公司,比如射频开关的卓胜微、迦美;PA的昂瑞微、飞骧、唯捷创芯;滤波器的麦捷、大富、凡谷、诺思等。但就整体而言,国内射频芯片公司在出货量、性能、以及市占率方面,与各大巨头相去甚远,还需行业公司们发奋图强,缩短差距,伺机赶超。

 

5G时代开启化合物半导体材料的春天

 

在半导体世界里有,除了单一元素材料硅和锗之外,还有一些由两种及两种以上元素结合而成的半导体材料,统称为化合物半导体材料,主要包括GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)、氮化镓(GaN)、SiC(碳化硅)等。

 

这些化合物材料相比硅材料,有着禁带宽度更大、电子迁移率更高、击穿场强大、耐高温性更好等特点。这些利用这些优异的特性,做出来器件,比传统硅器件更耐高温,耐高压大电流、开关速度更快。所以因此在化合物半导体特别适合5G领域在内一些应用。

 

在之前的4G时代、主要有两种方案来做PA。第一种是用硅材料的LDMOS结构做的PA,另外一种是用化合物材料来做的,比如GaAs HBT/HEMT结构的PA。

 

无论是LDMOS PA还是GaAs PA都有各自广泛应用。LDMOS PA胜在产业成熟,易于制造,成本方面有优势,但是性能略弱于GaAs PA;GaAs PA胜在面积更小、性能优异,但是制造工艺较复杂,产业公司稍少,生态不如硅产业成熟。

 

由于LDMOS低成本的原因,在4G时代在基站上曾一度被大量使用,占据半壁江山。但是在5G时代,无论是sub-6还是毫米波标准,所使用的频率都超过4G的频率,需要PA运行在更高频率下。但此时由于硅材料本身物理性质所限,已经力不从心。在高频下线性度越来越差,增益也很难做高,如要想提高性能和功率密度,那面积就会呈几何倍的增长,导致最终芯片变的硕大无比,面积变大后带来的一系列的难题包括功耗、漏电、发热量等都极其棘手。LDMOS的所面临“三高问题”,功耗高、价格高、体积高,使得其商业前景存疑。

 

因此在5G时代,LDMOS PA是很难满足实际需求的,将被逐渐边缘化,此时轮到GaAs/GaN PA发力。GaAs/GaN PA在相同电压下轻松可以上到40GHz,且芯片面积更小,更省电、功率密度更高,性能更加强悍,无论是移动设备终端,还是宏基站、微基站,在5G时代GaAs/GaN PA都将有很大的用武之地。

 

虽然化合物材料本身优点突出,但是想要把完全发挥它的优势可是非常难的!化合物半导体有很多特殊结构和特殊工艺,不像CMOS那样都是标准工艺,一定程度上可以互相学习和借鉴。而且PA射频芯片又属于模拟芯片,不像数字芯片那样有标准参数。要用好化合物材料做PA,能做出怎么样的芯片,完全取决于你的芯片设计能力、和对材料的理解,以及工艺的掌握程度,真正做到“know How”,才能做出最好的产品!

 

抓住机遇,贴近市场,服务全球

 

随着中国经济发展,不断释放红利。有越来越多的海归专家选择回国创业。在杭州这片创业热土上,就有这么一家公司,国内领先的砷化镓射频芯片制造公司——杭州立昂东芯微电子有限公司。杭州立昂东芯是杭州立昂微电子股份有限公司的控股子公司,是国内领先的射频芯片制造公司。做为省重点集成电路企业,立昂东芯还承接了不少重点学科的研发项目,为浙江省的集成电路发展做出了贡献。 

 

2016年3月被授予“浙江省射频集成电路制造技术省级重点企业研究院”;

 

2016年承担浙江省重点研发项目《6英寸第二代半导体微波射频集成电路芯片项目》,;

 

2018年承担杭州市重大科技创新项目《面向5G通信的化合物射频器件关键技术项目》;

 

立昂东芯的CEO汪博士回想起2015年回国创业的时候,表示当时省政府非常重视,在省市区各级领导关怀和立昂集团王敏文董事长的大力支持下,汪博士和几位志同道合者选择回国创业。短短几年时间,便建成了国内领先的射频芯片制造线。创业途中虽遇到不少困难,但是都被克服了,从今日回望,满满的成就感。

 

立昂东芯Fab内景

 

“2015年东芯开始建设的,2017年我们生产出第一片HBT晶圆、第一片pHEMT晶圆这几年时间内,立昂东芯不仅拿出过硬的产品,更是积累了宝贵的专利,技术和人才,颇为不易。”

 

 

汪博士回忆,“我曾经在国外一家全球知名的射频芯片公司干了近20年,看着整个射频芯片市场的潮起潮落,但是国内公司一直落后于人,目前我国90%以上的射频元器件依然依靠进口,国内水平处初级阶段,因此我和我伙伴们,选择回国创业,国产射频芯片领域有着巨大的增长空间,我相信我们有能力把握住这股大潮!”

 

据汪博士介绍,客户有时候会提出一些特定的需求,如果是适应市场发展的方向,立昂东芯就会进行技术叠加。

 

“公司已经开发了拥有自主知识产权的具有世界先进水平的高集成的射频芯片结构,比如InGaP HBT(铟镓磷异质结双极型晶体管)、GaAs pHEMT(砷化镓赝配高电子迁移率晶体管)、BiHEMT射频集成电路(RFIC)、VCSEL等,这些技术属于我们的独门秘籍,具有领先水准。”

 

 

汪博士说道:“此外一些传统的工艺方面我们也做了不少改进,我们开发了双异质结双极晶体管(DHBT)、三层金属链接、低k值高可靠性的层间介电质 (ILD)的先进工艺技术,更好的为国内外5G客户服务。”

 

“最近就有不少射频芯片设计公司来我们这里流片,我们的技术、工艺、产品、IP已经得到客户的认可,我们有信心与国外公司正面竞争,也期望与国内设计公司一起发展,共同成长和进步。”

 

“你只有脚踏实地,精益求精的做好每份客户订单,客户才会更加认可你,信任你。在我们这行,绝对来不的半点马虎和浮夸,一旦产品出问题,以后客户再也不会和你合作了,你要想稳固和商业伙伴的关系就要认真对待每片Wafer!”

 

——杭州立昂东芯CEO 汪耀祖

 

“除了砷化镓之外,我们已经做好准备,随时可以开拓氮化镓市场,虽然氮化镓方面存在很大的挑战,但是我们有信心,有能力,有把握做好氮化镓。毕竟5G后期一定会过渡到毫米波标准,基站侧的大功率射频芯片,只有氮化镓才能满足,我们已经做好准备静待市场到来。”

 

5G时代即将来临,类似立昂东芯的公司,杭州还有很多,离东芯不远还有一家专注BAW滤波器的公司——杭州左蓝微电子,该公司创始人张博士也紧盯着5G的进展,希望未来公司的滤波器产品赶上甚至超过国外水平。在杭州越来越多的半导体公司如雨后春笋一般迅速成长。这些未来的芯片生力军,将带领杭州、带领浙江、带领中国迈向更高的山峰。

 

杭州不仅有阿里巴巴、蚂蚁金服、网易等“软”公司,还有一干集成电路“硬核”公司!

 

5G大潮突飞猛进,“网红之城”蓄势待发!


源自:深圳市铭顺信电子有限公司

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