半导体行业射频功率放大器行业深度研究：5G时代射频功率放大器需求有望多点开花-20190408-国金证券-23页(1).pdf

-1-敬请参阅最后一页特别声明 市场数据市场数据(人民币）人民币）市场优化平均市盈率 18.90 国金半导体指数 3867.42 沪深 300指数 4057.23 上证指数 3244.81 深证成指 10351.87 中小板综指 10252.94 相关报告相关报告 1.中国智能手机芯片系列追踪报告（二）-中国智能手机芯片系列追踪.，2019.4.7 2.科创板半导体研究：深耕多媒体芯片的晶晨-科创板深度报告，2019.4.3 3.科创板半导体研究：从行业竞争及估值看和舰-科创板半导体研究：.，2019.4.1 4.隧道出口微光未现，降开支减产出求平衡-记忆体存储行业研究，2019.3.11 5.硬核科技代表：半导体设备重装上阵-半导体行业深度报告，2019.3.8 樊志远樊志远 分析师分析师 SAC执业编号：执业编号：S1130518070003(8621)61038318 张纯张纯 联系人联系人 zhang_ 鲁洋洋鲁洋洋 联系人联系人 5G 时代，射频功率放大器需求有望多点开花时代，射频功率放大器需求有望多点开花 投资建议投资建议 行业策略行业策略：射频功率放大器（PA）作为射频前端发射通路的主要器件，通常用于实现发射通道的射频信号放大。5G 将带动智能移动终端、基站端及IOT 设备射频 PA 稳健增长，智能移动终端射频 PA 市场规模将从 2017 年的50 亿美元增长到 2023 年的 70 亿美元，复合年增长率为 7%，高端 LTE功率放大器市场的增长，尤其是高频和超高频，将弥补 2G/3G 市场的萎缩。GaAs 器件是消费电子 3G/4G 应用的主力军，5G 时代仍将延续，此外，物联网将是其未来应用的蓝海。GaN 器件则以高性能特点目前广泛应用于基站、雷达、电子战等军工领域，在 5G 时代需求将迎来爆发式增长。5G 时代，射频功率放大器需求有望多点开花，建议买入行业龙头。推荐组合：推荐组合：我们认为，随着 5G 进程的加快，5G 基站、智能移动终端及 IOT终端射频 PA 将迎来发展良机，使用量大幅增加，看好细分行业龙头，推荐：CREE、Skyworks、稳懋、三安光电、环旭电子、稳懋、三安光电、环旭电子，建议关注：海特高新（海威华芯）、旋极信息（拟收购安谱隆）。行业观点行业观点 5G推动手机射频推动手机射频 PA 量价齐升：量价齐升：4G 时代，智能手机一般采取 1 发射 2 接收架构，预测 5G 时代，智能手机将采用 2 发射 4 接收方案，未来有望演进为8 接收方案。功率放大器（PA）是一部手机最关键的器件之一，它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面 PA 的数量随着 2G、3G、4G、5G 逐渐增加。以 PA模组为例，4G 多模多频手机所需的 PA芯片为 5-7 颗，预测 5G 手机内的 PA 芯片将达到 16 颗之多，价值量超过 7.5 美元。5G 智能终端射频前端SIP 将是大势所趋，高通已发布 5G 第二代射频前端模组，MEMS 预测，到2023 年，用于蜂窝和连接的射频前端 SiP 市场将分别占 SiP 市场总量的 82%和 18%。按蜂窝通信标准，支持 5G（sub-6GHz 和毫米波）的前端模组将占到 2023 年 RF SiP 市场总量的 28%。高端智能手机将贡献射频前端模组 SiP组装市场的 43%，其次是低端智能手机（35%）和奢华智能手机（13%）。5G 基站，基站，PA 数倍增长，数倍增长，GaN 大有可为：大有可为：4G 基站采用 4T4R 方案，按照三个扇区，对应的射频 PA需求量为 12 个，5G 基站，预计 64T64R将成为主流方案，对应的 PA需求量高达 192 个，PA数量将大幅增长。目前基站用功率放大器主要为 LDMOS 技术，但是 LDMOS 技术适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。我们研判 5G 基站 GaN 射频 PA 将成为主流技术，逐渐侵占 LDMOS 的市场，GaAs 器件份额变化不大。GaN 能较好的适用于大规模MIMO，预计 2022 年，4G/5G 基础设施用 RF 半导体的市场规模将达到 16亿美元，其中，MIMO PA年复合增长率将达到 135%，射频前端模块的年复合增长率将达到 119%。5G 时代，窄带物联网设备射频前端迎来发展新机遇时代，窄带物联网设备射频前端迎来发展新机遇：在手机市场追求更快更强的同时，有另外一个市场就是窄带物联网(Cat-M/NB-IoT)，NB-IoT 虽然有要求和 LTE相同的上行功率(power class3)，但是信号的峰均比较低。另外，NB-IoT 采用半双工方式工作，避免使用 FDD 双工器，PA后端的插入损耗小。这些因素可以让 NB-IoT 的 PA更加偏向于非线性的设计，同时采用更小的 Die 设计，从而达到节省成本和提高效率的目的。对于 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。风险提示风险提示 智能手机及基站射频 PA 被国际巨头垄断，技术难度较大，国内进展缓慢，合格率较低，成本居高不下，射频 PA需要持续性投入。2528286632043542388042184556180409180709181009190109国金行业 沪深300 2019 年年 04 月月 08 日日 创新技术与企业服务研究中心创新技术与企业服务研究中心 半导体行业研究 买入（维持评级）射频功率放大器行业深度研究射频功率放大器行业深度研究 证券研究报告 2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-2-敬请参阅最后一页特别声明 内容目录内容目录 1、5G 智能移动终端，射频 PA的大机遇.4 1.1 射频功率放大器（PA）-射频器件皇冠上的明珠.4 1.2 5G 推动手机射频 PA量价齐升.5 1.3 GaAs 射频器件仍将主导手机市场.7 1.4 5G 设备射频前端模组化趋势明显，SIP 大有可为.8 2、5G 基站，PA数倍增长，GaN 大有可为.10 2.1 5G 基站，射频 PA需求大幅增长.11 2.2 GaN 射频 PA有望成为 5G 基站主流技术.12 2.3 RF GaN 市场的发展方向.15 2.4 全球 GaN 射频器件产业链竞争格局.16 3、5G 时代，窄带物联网设备射频前端迎来发展新机遇.17 4、5G 渐行渐近，国际巨头纷纷布局射频产业.19 5、看好细分行业龙头.21 6、风险提示.21 图表目录图表目录 图表 1：手机射频前端架构及功能.4 图表 2：射频前端组件随终端复杂性的提升而增加.4 图表 3：20172023 年射频前端模组市场.5 图表 4：20172023 年射频前端 PA市场规模.5 图表 5：5G 智能手机射频前端框图（2 发 4 接收）.5 图表 6：5G 给手持设备带来的挑战.6 图表 7：5G 手机单机使用 PA数量预测（颗）.7 图表 8：5G 手机单机使用 PA价值量预测（美元）.7 图表 9：全球 GaAs 射频器件产业链.7 图表 10：2016 年全球 GaAs 产业器件竞争格局.7 图表 11：2017 年全球 GaAs 代工市场竞争格局.8 图表 12：射频（RF）器件封装技术.8 图表 13：2018 年手机射频前端结构发展趋势.9 图表 14：高通第二代 5G 移动终端射频前端方案.10 图表 15：高通 5G 新空口自适应天线调谐解决方案.10 图表 16：高通 5G 包络追踪解决方案.10 图表 17：GaN射频器件的加工工艺.11 图表 18：主要半导体材料的关键性能.12 图表 19：20152025 年基站主要趋势.13 2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-3-敬请参阅最后一页特别声明 图表 20：各材料体系的射频器件工作区间.13 图表 21：不同技术路线的基站 PA占比变化.13 图表 22：GaN具有更小的尺寸优势.14 图表 23：5G 毫米波基站 GaN优势明显.14 图表 24：2023 年基站 RF 半导体市场规模预测（亿美元）.15 图表 25：2023 年全球 GaN市场规模预测（亿美元）.15 图表 26：GaN在通信领域占比不断提升.15 图表 27：境外 GaN射频器件产业链重点企业.16 图表 28：大陆 GaN射频器件产业链重点企业.17 图表 29：5G 的使命和任务.17 图表 30：各种通信标准和多应用场景.18 图表 31：Cat-M/NB/LoRa 技术特性比较.19 图表 32：物联网设备射频前端的关键设计方向.19 图表 33：全球射频器件和模组供应链.20 图表 34：全球厂商纷纷布局 5G.21 2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-4-敬请参阅最后一页特别声明 1、5G智能移动终端，射频智能移动终端，射频 PA的大机遇的大机遇 1.1 射频功率放大器（射频功率放大器（PA）-射频器件皇冠上的明珠射频器件皇冠上的明珠 射频功率放大器（射频功率放大器（PA）作为射频前端发射通路的主要器件，主要是为了将调制振荡电路所产生的小功率的射频信号放大，获得足够大的射频输出功率，才能馈送到天线上辐射出去，通常用于实现发射通道的射频信号放大。手机射频前端：手机射频前端：一旦连上移动网络，任何一台智能手机都能轻松刷朋友圈、看高清视频、下载图片、在线购物，这完全是射频前端进化的功劳，手机每一个网络制式（2G/3G/4G/WiFi/GPS），都需要自己的射频前端模块，充当手机与外界通话的桥梁手机功能越多，它的价值越大。射频前端模块是移动终端通信系统的核心组件射频前端模块是移动终端通信系统的核心组件，对它的理解可以从两方面考虑：一是必要性，它是连接通信收发器（transceiver）和天线的必经之路；二是重要性，它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式，以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标，直接影响终端用户体验。射频前端芯片包括功率放大器（PA），天线开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer 和 Diplexer）和低噪声放大器（LNA）等，在多模多频终端中发挥着核心作用。图表图表1：手机射频前端架构及功能手机射频前端架构及功能 图表图表2：射频前端组件随终端复杂性的提升而增加：射频前端组件随终端复杂性的提升而增加 来源：射频百花潭、国金证券研究所 来源：射频百花潭、国金证券研究所 手机和 WiFi 连接的射频前端市场预计将在 2023 年达到 352 亿美元，复合年增长率为 14%。射频前端产业中最大的市场为滤波器，将从 2017 年的 80 亿美元增长到2023 年 225 亿美元，复合年增长率高达 19%。该增长主要来自于 BAW 滤波器的渗透率显著增加，典型应用如 5G NR 定义的超高频段和 WiFi 分集天线共享。功率放大器市场增长相对稳健，复合年增长率为功率放大器市场增长相对稳健，复合年增长率为 7%，将从 2017 年的 50亿美元增长到 2023 年的 70 亿美元。高端 LTE功率放大器市场的增长，尤其是高频和超高频，将弥补 2G/3G 市场的萎缩。砷化镓器件应用于消费电子射频功放，是砷化镓器件应用于消费电子射频功放，是 3G/4G 通讯应用的主力通讯应用的主力，物联网将是其未来应用的蓝海；氮化镓器件则以高性能特点目前广泛应用于基站、雷达、电子战等军工领域，利润率高且战略位置显著，由于更加适用于 5G，氮化镓有望在 5G 市场迎来爆发。2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-5-敬请参阅最后一页特别声明 图表图表3：20172023年射频前端模组市场年射频前端模组市场 图表图表4：20172023年射频前端年射频前端PA市场市场规模规模 来源：MEMS、国金证券研究所 来源：MEMS、国金证券研究所 1.2 5G推动手机射频推动手机射频 PA 量价齐升量价齐升 射频前端与智能终端一同进化射频前端与智能终端一同进化，4G 时代，智能手机一般采取 1 发射 2 接收架构。由于 5G 新增了频段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz），因此 5G 手机的射频前端将有新的变化，同时考虑到 5G 手机将继续兼容4G、3G、2G 标准，因此 5G 手机射频前端将异常复杂。预测 5G 时代，智能手机将采用 2 发射 4 接收方案。图表图表5：5G智能手机射频前端框图（智能手机射频前端框图（2发发4接收）接收）来源：射频百花潭、国金证券研究所 无论是在基站端还是设备终端，5G 给供应商带来的挑战都首先体现在射频方面，因为这是设备“上”网的关键出入口，即将到来的 5G 手机将会面临多方面的挑战：更多频段的支持：更多频段的支持：因为从大家熟悉的 b41 变成 n41、n77 和 n78，这就需要对更多频段的支持；不同的调制方向：不同的调制方向：因为 5G 专注于高速连接，所以在调制方面会有新的变化，对功耗方面也有更多的要求。比如在 4G 时代，大家比较关注 ACPR。但到了 5G 时代，则更需要专注于 EVM（一般小于 1.5%）；2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-6-敬请参阅最后一页特别声明 信号路由的选择：信号路由的选择：选择 4G anchor+5G 数据连接，还是直接走 5G，这会带来不同的挑战。开关速度的变化：开关速度的变化：这方面虽然没有太多的变化，但 SRS 也会带来新的挑战。其他如 n77/n78/n79 等新频段的引入，也会对射频前端形态产生影响，推动前端模组改变，满足新频段和新调谐方式等的要求。图表图表6：5G给手持设备带来的挑战给手持设备带来的挑战 来源：Qorvo、国金证券研究所 Qorvo 指出，指出，5G 将给天线数量、射频前端模块价值量带来翻倍增长。将给天线数量、射频前端模块价值量带来翻倍增长。以5G 手机为例，单部手机的射频半导体用量达到 25 美金，相比 4G 手机近乎翻倍增长。其中滤波器从 40 个增加至 70 个，频带从 15 个增加至 30 个，接收机发射机滤波器从 30 个增加至 75 个，射频开关从 10 个增加至 30 个，载波聚合从 5 个增加至 200 个。5G 手机功率放大器（手机功率放大器（PA）用量翻倍增长：）用量翻倍增长：PA 是一部手机最关键的器件之一，它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面 PA 的数量随着 2G、3G、4G、5G 逐渐增加。以 PA 模组为例，4G 多模多频手机所需的 PA 芯片为5-7 颗，预测 5G 手机内的 PA芯片将达到 16 颗之多。5G 手机功率放大器（手机功率放大器（PA）单机价值量有望达到）单机价值量有望达到 7.5 美元：美元：同时，PA 的单价也有显著提高，2G 手机用 PA平均单价为 0.3 美金，3G 手机用 PA上升到 1.25 美金，而全模 4G 手机 PA 的消耗则高达 3.25 美金，预计 5G 手机PA价值量达到 7.5 美元以上。载波聚合与载波聚合与 Massivie MIMO 对对 PA 的要求大幅增加。的要求大幅增加。“一般情况下，2G只需非常简单的发射模块，3G 需要有 3G 的功率放大器，4G 要求更多滤波器和双工器载波器，载波聚合则需要有与前端配合的多工器，上行载波器的功率放大器又必须重新设计来满足线性化的要求。5G 无线通信前端将用到几十甚至上百个通道，要求网络设备或者器件供应商能够提供全集成化的解决方案，这大大增加产品设计的复杂度，无论对器件解决方案还是设备解决方案提供商都提出了很大技术挑战。2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-7-敬请参阅最后一页特别声明 图表图表7：5G手机单机使用手机单机使用PA数量预测（颗）数量预测（颗）图表图表8：5G手机单机使用手机单机使用PA价值量预测（美元）价值量预测（美元）来源：Strategy Analytics、国金证券研究所 来源：Strategy Analytics、国金证券研究所 1.3 GaAs 射频器件仍将主导手机市场射频器件仍将主导手机市场 5G 时代，时代，GaAs 材料适用于移动终端。材料适用于移动终端。GaAs 材料的电子迁移率是 Si 的 6倍，具有直接带隙，故其器件相对 Si 器件具有高频、高速的性能，被公认为是很合适的通信用半导体材料。在手机无线通信应用中，目前射频功率放大器绝大部分采用 GaAs 材料。在 GSM 通信中，国内的锐迪科和汉天下等芯片设计企业曾凭借 RF CMOS 制程的高集成度和低成本的优势，打破了采用国际龙头厂商采用传统的 GaAs 制程完全主导射频功放的格局。但是到了 4G 时代，由于 Si 材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等缺点，RF CMOS 已经不能满足要求，手机射频功放重新回到 GaAs 制程完全主导的时代。与射频功放器件依赖于 GaAs 材料不同，90%的射频开关已经从传统的 GaAs 工艺转向了 SOI（Silicon on insulator）工艺，射频收发机大多数也已采用 RF CMOS 制程，从而满足不断提高的集成度需求。5G 时代，时代，GaN 材料适用于基站端。材料适用于基站端。在宏基站应用中，GaN 材料凭借高频、高输出功率的优势，正在逐渐取代 Si LDMOS；在微基站中，未来一段时间内仍然以 GaAs PA件为主，因其目前具备经市场验证的可靠性和高性价比的优势，但随着器件成本的降低和技术的提高，GaN PA 有望在微基站应用在分得一杯羹；在移动终端中，因高成本和高供电电压，GaN PA 短期内也无法撼动 GaAs PA的统治地位。全球全球 GaAs 射频器件被国际巨头垄断。射频器件被国际巨头垄断。全球 GaAs 射频器件市场以 IDM模式为主，主要厂商有美国 Skyworks、Qorvo、Broadcom，日本村田等。据 Strategy Analytics 统计，2016 年全球 GaAs 射频器件市场规模为 81.9亿美元，同比增长 0.9%。2016 年，Skyworks、Qorvo 和 Broadcom 在全球射频器件市场的占有率分别为 30.67%、27.97%和 7.39%，三家合计占有全球 66%的份额，Skyworks 和 Qorvo 更是处于全球遥遥领先的位置。图表图表9：全球：全球GaAs射频器件产业链射频器件产业链 图表图表10：2016年全球年全球GaAs产业器件竞争格局产业器件竞争格局 2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-8-敬请参阅最后一页特别声明 来源：材料深一度、国金证券研究所 来源：Strategy Analytics、国金证券研究所 2017 年 GaAs 晶圆代工市场，台湾稳懋（Win Semi）独占全球 72.7%的市场份额，是全球第一大 GaAs 晶圆代工厂。图表图表11：2017年全球年全球GaAs代工市场竞争格局代工市场竞争格局 来源：STRATEGY ANALYRICS、国金证券研究所 1.4 5G设备射频前端模组化趋势明显，设备射频前端模组化趋势明显，SIP大有可为大有可为 5G 将重新定义射频（将重新定义射频（RF）前端在网络和调制解调器之间的交互。）前端在网络和调制解调器之间的交互。新的RF 频段（如 3GPP 在 R15 中所定义的 sub-6 GHz 和毫米波（mm-wave）给产业界带来了巨大挑战。LTE 的发展，尤其是载波聚合技术的应用，导致当今智能手机中的复杂架构。同时，RF 电路板和可用天线空间减少带来的密集化趋势，使越来越多的手持设备 OEM 厂商采用功率放大器模块并应用新技术，如 LTE 和 WiFi之间的天线共享。图表图表12：射频（：射频（RF）器件封装技术）器件封装技术 来源：MEMS、国金证券研究所 在低频频段，所包含的 600 MHz频段将为低频段天线设计和天线调谐器带来新的挑战。随着新的超高频率（N77、N78、N79）无线电频段发布，5G 将带来更高的复杂性。具有双连接的频段重新分配（早期频段包括N41、N71、N28 和 N66，未来还有更多），也将增加对前端的限制。毫米波频谱中的 5G NR 无法提供 5G 关键 USP 的多千兆位速度，因此需要在前端模组中具有更高密度，以实现新频段集成。2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-9-敬请参阅最后一页特别声明 5G 手机需要 4X4 MIMO 应用，这将在手机中增加大量 RF 流。结合载波聚合要求，将导致更复杂的天线调谐器和多路复用器。图表图表13：2018年手机射频前端结构发展趋势年手机射频前端结构发展趋势 来源：MEMS、国金证券研究所 RF 系统级封装（系统级封装（SiP）市场可分为一级和二级）市场可分为一级和二级 SiP 封装：封装：各种 RF 器件的一级封装，如芯片/晶圆级滤波器、开关和放大器（包括 RDL、RSV 和/或凸点步骤）；在表面贴装（SMT）阶段进行的二级 SiP 封装，其中各种器件与无源器件一起组装在 SiP 基板上。2018 年，射频前端模组 SiP 市场（包括一级和二级封装）总规模为 33 亿美元，预计 20182023 年期间的复合年均增长率（CAGR）将达到 11.3%，市场规模到 2023 年将增长至53 亿美元。预测预测 2023 年，年，PAMiD SiP 组装预计将占组装预计将占 RF SiP 市场总营收的市场总营收的 39%。2018 年，晶圆级封装大约占 RF SiP 组装市场总量的 9%。移动领域各种射频前端模组的 SiP 市场，包括：PAMiD（带集成双工器的功率放大器模块）、PAM（功率放大器模块）、Rx DM（接收分集模块）、ASM（开关复用器、天线开关模块）、天线耦合器（多路复用器）、LMM（低噪声放大器-多路复用器模块）、MMMB PA（多模、多频带功率放大器）和毫米波前端模组。MEMS 预测，到预测，到 2023 年，用于蜂窝和连接的射频前端年，用于蜂窝和连接的射频前端 SiP 市场将分别占市场将分别占SiP 市场总量的市场总量的 82%和和 18%。按蜂窝通信标准，支持 5G（sub-6GHz 和毫米波）的前端模组将占到 2023 年 RF SiP 市场总量的 28%。高端智能手机将贡献射频前端模组 SiP 组装市场的 43%，其次是低端智能手机（35%）和奢华智能手机（13%）。高通发布高通发布 5G 手机射频前端模组化方案。手机射频前端模组化方案。2019 年年 2 月，高通宣布推出面向月，高通宣布推出面向 5G 多模移动终端的第二代射频前端（多模移动终端的第二代射频前端（RFFE）解 决 方 案。）解 决 方 案。全 新推 出 的 产品 是 一 套完 整 的，可 与 全 新Qualcomm 骁龙 X55 5G 调制解调器搭配使用的射频解决方案，为支持6GHz 以下频段和毫米波频段的高性能 5G 移动终端提供从调制解调器到天线的完整系统。支持更纤薄、更高效的 5G 多模移动终端。高通同时还发布了全球首款宣布的 5G 100MHz包络追踪解决方案 QET6100、集成式5G/4G 功率放大器（PA）和分集模组系列，以及 QAT3555 5G 自适应天线调谐解决方案。高通 QET6100 将包络追踪技术扩展到 5G NR 上行所需的 100MHz 带宽和 256-QAM 调制，这在之前被认为是无法实现的。该解决方案与其他平均功率追踪技术相比，可将功效提升一倍，以更长的电池2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-10-敬请参阅最后一页特别声明 续航时间支持传输数据更快的终端，还可显著改善网络运营商非常关注的网络覆盖与网络容量。图表图表14：高通第二：高通第二代代5G移动终端移动终端射频前端方案射频前端方案 图表图表15：高通：高通5G新空口自适应天线调谐解决方案新空口自适应天线调谐解决方案 来源：Qualcomm 中国、国金证券研究所 来源：Qualcomm 中国、国金证券研究所 Qualcomm的全新先进射频前端功率放大器和分集模组包括：的全新先进射频前端功率放大器和分集模组包括：功率放大器模组功率放大器模组，搭配 QET6100 支持 100MHz 5G 包络追踪。QPM6585、QPM5677 和 QPM5679 分别支持 n41、n77/78 和 n79 频段。中中/高频段高频段 5G/4G 功率放大器模组功率放大器模组 QPM5670，包括集成式低噪声放大器（LNA）、射频开关、滤波器和 5G 六工器。低频段低频段 5G/4G 功率放大器模组功率放大器模组 QPM5621，包括集成式低噪声放大器、切换开关和滤波器，支持低频段/低频段载波聚合和双连接。分集模组系列分集模组系列 QDM58xx，包括集成式 5G/4G 低噪声放大器、射频开关和滤波器，支持 6GHz以下频段接收分集和多输入多输出（MIMO）。为帮助 OEM 厂商应对日益增多的天线和频段给移动终端设计带来的挑战，Qualcomm 还推出了 QAT3555 Signal Boost 自适应天线调谐器，将自适应天线调谐技术扩展到 6GHz 以下的 5G 频段；与上一代产品相比，其封装高度降低了 25%，插入损耗显著减少。图表图表16：高通：高通5G包络追踪解决方案包络追踪解决方案 来源：Qualcomm 中国、国金证券研究所 2、5G基站，基站，PA数倍增长，数倍增长，GaN 大有可为大有可为 2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-11-敬请参阅最后一页特别声明 2.1 5G基站，射频基站，射频 PA 需求大幅增长需求大幅增长 5G 基站基站 PA数量有望增长数量有望增长 16倍。倍。4G 基站采用 4T4R 方案，按照三个扇区，对应的 PA 需求量为 12 个，5G 基站，预计 64T64R 将成为主流方案，对应的 PA需求量高达 192 个，PA数量将大幅增长。5G 基站射频基站射频 PA 有望量价齐升。有望量价齐升。目前基站用功率放大器主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体 LDMOS 技术，不过 LDMOS 技术仅适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。对于 5G 基站 PA 的一些要求可能包括36GHz 和 24GHz40GHz 的运行频率，RF 功率在 0.2W30W 之间，我们研判 5G 基站 GaN 射频 PA 将逐渐成为主导技术，而 GaN 价格高于LDMOS和 GaAs。GaN 具有优异的高功率密度和高频特性。具有优异的高功率密度和高频特性。提高功率放大器 RF 功率的最简单的方式就是增加电压，这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术，就会发现功率通常会如何随着高工作电压 IC 技术而提高。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压（2 V 至 3 V），但其集成优势非常有吸引力。GaAs 拥有微波频率和 5 V 至 7 V 的工作电压，多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基 LDMOS 技术的工作电压为 28V，已经在电信领域使用了许多年，但其主要在 4 GHz 以下频率发挥作用，因此在宽带应用中的使用并不广泛。新兴 GaN技术的工作电压为 28 V至 50 V，优势在于更高功率密度及更高截止频率(Cutoff Frequency，输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率)，拥有低损耗、高热传导基板，开启了一系列全新的可能应用，尤其在 5G 多输入输出(Massive MIMO)应用中，可实现高整合性解决方案。典型的典型的 GaN 射频器件的加工工艺，射频器件的加工工艺，主要包括如下环节：外延生长-器件隔离-欧姆接触（制作源极、漏极）-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。图表图表17：GaN射频器件的加工工艺射频器件的加工工艺 来源：材料深一度、国金证券研究所 外延生长：外延生长：采用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）方式在 SiC 或 Si 衬底上外延 GaN材料。器件隔离器件隔离：采用离子注入或者制作台阶（去除掉沟道层）的方式来实现器件隔离。射频器件之间的隔离是制作射频电路的基本要求。欧姆接触：欧姆接触：形成欧姆接触是指制作源极和漏极的电极。对 GaN材料而言，制造欧姆接触需要在很高的温度下完成。氮化物钝化：氮化物钝化：在源极和漏极制作完成后，GaN 半导体材料需要经过钝化过程来消除悬挂键等界面态。GaN 的钝化过程通常采用 SiN（氮化硅）来实现。2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-12-敬请参阅最后一页特别声明 栅极制作：栅极制作：在 SiN 钝化层上开口，然后沉积栅极金属。至此，基本的场效应晶体管的结构就成型了。场板制作：场板制作：栅极制作完成后，继续沉积额外的几层金属和氮化物，来制作场板、互连和电容，此外，也可以保护器件免受外部环境影响。衬底减薄：衬底减薄：衬底厚度减薄至 100m 左右，然后对减薄后的衬底背部进行金属化。衬底通孔：衬底通孔：通孔是指在衬底上表面和下表面之间刻蚀出的短通道，用于降低器件和接地(底部金属化层)之间的电感。GaN 材料已成为基站材料已成为基站 PA的有力候选技术。的有力候选技术。GaN 是极稳定的化合物，具有强的原子键、高的热导率、在-族化合物中电离度是最高的、化学稳定性好，使得 GaN 器件比 Si 和 GaAs 有更强抗辐照能力，同时 GaN又是高熔点材料，热传导率高，GaN 功率器件通常采用热传导率更优的 SiC 做衬底，因此 GaN 功率器件具有较高的结温，能在高温环境下工作。GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借其固有的高击穿电压、高功率密度、大带宽和高效率，已成为基站 PA的有力候选技术。图表图表18：主要半导体材料的关键主要半导体材料的关键性能性能 来源：材料深一度、国金证券研究所 GaN 射频器件更能有效满足射频器件更能有效满足 5G 的高功率、高通信频段和高效率等要求。的高功率、高通信频段和高效率等要求。相较于基于 Si 的横向扩散金属氧化物半导体（Si LDMOS，Lateral Double-diffused Metal-oxide Semiconductor）和 GaAs，在基站端 GaN射频器件更能有效满足 5G 的高功率、高通信频段和高效率等要求。目前针对 3G 和 LTE基站市场的功率放大器主要有 Si LDMOS和 GaAs 两种，但 LDMOS 功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效，而 GaAs 功率放大器虽然能满足高频通信的需求，但其输出功率比 GaN 器件逊色很多。在 5G 高集成的 Massive MIMO 应用中，它可实现高集成化的解决方案，如模块化射频前端器件。在毫米波应用上，GaN 的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。随着 5G 时代的到来，小基站及 Massive MIMO 的飞速发展，会对集成度要求越来越高，GaN 自有的先天优势会加速功率器件集成化的进程。5G 会带动 GaN 这一产业的飞速发展。然而，在移动终端领域 GaN射频器件尚未开始规模应用，原因在于较高的生产成本和供电电压。GaN将在高功率，高频率射频市场发挥重要作用。2.2 GaN射频射频 PA 有望成为有望成为 5G基站主流技术基站主流技术 预测未来大部分预测未来大部分 6GHz 以下宏网络单元应用都将采用以下宏网络单元应用都将采用 GaN 器件，小基站器件，小基站 GaAs 优势更明显。优势更明显。就电信市场而言，得益于 5G 网络应用的日益临近，将从 2019 年开始为 GaN 器件带来巨大的市场机遇。相比现有的硅 LDMOS（横向双扩散金属氧化物半导体技术）和 GaAs（砷化镓）解决方案，GaN 器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且，GaN 的宽带性能也是实现多频带载波聚合等重要新技术的关键因素之一。GaN HEMT（高电子迁移率场效晶体管）已经成为未来宏基站功率放大器的候选技术。由于 LDMOS 无法再支持更高2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-13-敬请参阅最后一页特别声明 的频率，GaAs 也不再是高功率应用的最优方案，预计未来大部分6GHz 以下宏网络单元应用都将采用 GaN 器件。5G 网络采用的频段更高，穿透力与覆盖范围将比 4G 更差，因此小基站（small cell）将在 5G 网络建设中扮演很重要的角色。不过，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs 等现有技术仍有其优势。与此同时，由于更高的频率降低了每个基站的覆盖率，因此需要应用更多的晶体管，预计市场出货量增长速度将加快。图表图表19：20152025年年基站主要趋势基站主要趋势 来源：MEMS、国金证券研究所 预计到预计到 2025 年年 GaN 将主导将主导 RF 功率器件市场，抢占基于硅功率器件市场，抢占基于硅 LDMOS技术的基站技术的基站 PA 市场。市场。根据 yole 的数据，2014 年基站 RF 功率器件市场规模为11 亿美元，其中 GaN 占比 11%，而横向双扩散金属氧化物半导体技术（LDMOS）占比 88%。2017 年，GaN 市场份额预估增长到了 25%，并且预计将继续保持增长。预计到 2025 年 GaN 将主导 RF 功率器件市场，抢占基于硅 LDMOS技术的基站 PA市场。图表图表20：各材料体系的射频器件工作区间各材料体系的射频器件工作区间 图表图表21：不同技术路线的基站不同技术路线的基站PA占比变化占比变化 来源：材料深一度、国金证券研究所 来源：Yole、国金证券研究所 对于既定功率水平，GaN 具有体积小的优势。有了更小的器件，则可以减小器件电容，从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。2 0 2 3 4 6 2 3/3 6 1 3 9/2 0 1 9 0 4 0 9 1 0:2 5射频功率放大器行业深度研究-14-敬请参阅最后一页特别声明 图表图表22：GaN具有更小的尺寸优势具有更小的尺寸优势 来源：Qorvo、国金证券研究所 氮化镓基氮化镓基 MIMO天线功耗可降低天线功耗可降低 40%。下图展示的是锗化硅和氮化镓的毫米波 5G 基站 MIMO 天线方案，左侧展示的是锗化硅基 MIMO 天线，它有1024 个元件，裸片面积是 4096 平方毫米，辐射功率是 65dbm，与之形成鲜明对比的，是右侧氮化镓基 MIMO 天线，尽管价格较高，但功耗降低了40%，裸片面积减少 94%。图表图表23：5G毫米波基站毫米波基站GaN优势明显优势明显 来源：半导体行业观察、国金证券研究所 GaN 适用于大规模适用于大规模 MIMO GaN 芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃，能比较好的适用于大规模芯片每年在功率密度和封