华为撬动基站PA市场,为GaN再添一把火

日期: 2020-03-03
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最近一年,由于受到国际贸易限制,华为的半导体元器件供应链迎来了新形势下的挑战,在这样的大背景下,该公司也在调整着其供应链结构,包括元器件供应商,以及自研和外购的芯片比例和种类。


去年10月,有消息称华为将部分手机PA(功率放大器,用于射频前端)的代工订单交给了本土一家知名的化合物半导体制造企业,引起了业内关注。不过,总体来看,华为的手机PA大部分还是外购于美国的射频芯片三巨头,而且晶圆代工业务主要交给中国台湾的稳懋,华为自研的PA还处于成长阶段,无论是成熟度,还是数量,目前都难以满足其巨大的手机出货需求。

进入2020年以后,全球半导体业迎来了复苏,人们都期待尽快从2019年的低迷状态中走出来,但是,突如其来的新冠肺炎疫情打破了产业发展节奏,电子半导体业开工率普遍不足,虽然芯片元器件市场需求也受到了影响,但相对于不足的产能来说,总体需求依然是旺盛的。但在手机这个大宗市场,由于受疫情影响,消费者最近的购买欲下降,使得手机订单同比明显减少,这也就影响到了上游的芯片需求,影响了多家以手机芯片为主业的厂商商机。

华为也不例外,受疫情影响,其手机芯片需求量在目前这段时间内减少了。

与此同时,最近有消息称,虽然手机芯片订单量减少了,但华为用于基础设施设备,特别是4G和5G基站的相关芯片订单量明显增加了,包括PA、网络处理器、网通芯片等等。这其中,基站用PA备受关注,原因在于,其技术含量较高,主要以进口为主,同时又处于国产替代呼声颇高的这一时段,另外,从技术角度看,PA,特别是基站用PA,正处于技术和制造工艺迭代时期,新工艺GaN正在逐步占领市场,受到的关注度也越来越高。

市场容量与日俱增


5G对于设备性能和功率效率提出了更高的要求,特别是在基站端,基站数量和单个基站成本双双上涨,这将会带来市场空间的巨大增长。依据蜂窝通信理论计算,要达到相同的覆盖率,估计中国5G宏基站数量要达到约500万个。2021年全球5G宏基站PA和滤波器市场将达到243.1亿元人民币,年均复合增长率CAGR为162.31%,2021年全球4G和5G小基站射频器件市场将达到21.54亿元人民币,CAGR为140.61%。

由于基站越来越多地用到了多天线MIMO技术,这对PA提出了更多需求。预计到2022年,4G/ 5G基础用的射频半导体市场规模将达到16亿美元,其中,MIMO PA的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%。

相对于4G,5G基站用到的PA数会加倍增长。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基站中,预计64T64R将成为主流方案,对应的PA需求量高达192个。

功耗问题待解决


虽然,5G发展前景可期,但相关技术依然未达到成熟水平,特别是功耗问题,无论是基站,还是手机端,都存在这个问题,这也是苹果依然没有推出5G手机的一个重要原因。

特别是基站,目前来看功耗比4G高出不少,而在所有耗电的芯片元器件当中,PA是大户。因为射频信号功率很小,只有经过PA放大获得足够的射频功率后,才能馈送到天线并发射出去,因此,PA是基站发射系统的重要器件。与此同时,PA也是最耗电、效率较低的器件,有统计显示,约一半的基站功率消耗在了PA上。

然而,宏基站和小基站之间的功耗又有非常明显的区别:与宏基站相比,小基站的覆盖范围小,发射功率低,PA非线性失真较小,PA功耗占比也较小,甚至可能不需要DPD等技术来进行预失真处理。因此,对应不同的基站,特别是5G基站的需求,PA有更多的产品路线可走,未来的商机也多了起来。

GaN替代LDMOS


基站用PA市场空间巨大,但其性能和功率效率问题亟待解决。在这样的背景下,新工艺技术替代传统工艺早已被提上了议事日程。

目前的PA市场,包括基站和手机端用的,制造工艺主要包括传统的LDMOS、GaAs,以及新兴的GaN。而在基站端,传统LDMOS工艺用的更多,但是,LDMOS 技术适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。而为了适应5G网络对性能和功率效率的需求,越来越多地应用到了GaN,它能较好地适用于大规模MIMO。

GaN具有优异的高功率密度和高频特性。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压,多年来一直广泛应用于PA。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4GHz以下频率发挥作用,在宽带应用中的使用并不广泛。相比之下,GaN的工作电压为28V至50V,具有更高的功率密度和截止频率,在MIMO应用中,可实现高整合性解决方案。

在宏基站PA应用中,GaN凭借高频、高输出功率的优势,正在逐渐取代LDMOS;在小基站中,未来一段时间内仍然以GaAs工艺为主,这是因为它具备可靠性和高性价比的优势,但随着GaN器件成本的降低和技术的提高,GaN PA有望在小基站应用中逐步拓展。

在手机端,射频前端PA还是以GaAs工艺为主,短期内还看不到GaN的机会,主要原因是成本和高电压特性,这在手机内难以接受。

总之,很可能大部分6GHz以下宏基站应用都将采用基于GaN工艺的PA,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。而传统的LDMOS工艺在基站用PA市场的份额将逐年减少,很可能在不久的将来退出历史舞台。

各显神通


目前,国内外设计和生产基站射频PA的厂商(包括IDM、Foundry和Fabless)大概有20几家,并不算很多,其中有代表性的IDM包括Qorvo、英飞凌、NXP、Cree、日本住友、ADI、MACOM,以及我国大陆地区的三安光电、海特高新(海威华芯)、苏州能讯和英诺赛科等,有代表性的Foundry包括稳懋和GCS。

在IDM当中,英飞凌和NXP是做基站PA的老资格企业,他们都是以LDMOS工艺技术起家的。NXP的业务又包括两部分,一是其原有的业务板块RF Power,另外就是收购Freescale后得到了相关资产。

随着技术的迭代和市场需求的变化,GaN工艺开始走上历史舞台,在这种情况下,2015年,NXP把RF Power卖给了中国资本,后来,英飞凌将其RF部门出售给了Cree,这也在一定程度上说明LDMOS在走下坡路,更多地用于中低端市场,高端则迎来了GaN时代,而原Freescale的相关部门正是做GaN的。在这个过程当中,有越来越多的厂商加入了竞争行列。

Cree主要由其子公司Wolfspeed经营 RF 业务。2018 年,Cree收购了英飞凌的RF部门, 该部门主要设计制造LDMOS放大器,同时拥有GaN-SiC/Si器件生产能力。收购完成后,Cree成为了全球最大的GaN射频器件供应商。Cree除为自家生产GaN射频器件外,还向外提供GaN代工生产服务。

而Qorvo在GaAs的基础上,进一步发展了GaN-on-SiC;MACOM则看好GaN-ON-Si工艺。

在Fabless当中,最受关注的莫过于华为海思了。该公司早些年就投入了PA(包括手机和基站)的研发工作,并取得了一定进展。特别是在基站端,该公司布局较早,因为当时华为就意识到了LDMOS在走下坡路,所以把自研的重点放在了GaN上,从2016年开始,华为基于LDMOS工艺的基站PA出货就仅限于4G市场,其高端客户,如欧洲3.5G高频段的基站PA大都采用日本住友的GaN产品了。因此,无论是自研,还是外购,华为的基站PA布局较早,高低端都有规划,具有一定的技术储备。

但是,对于华为巨大的基站和手机PA用量来说,其自研的PA还是远远不够用,依然以外购为主,而在当下贸易限制的大背景下,华为正在加大来自日本和中国本土的PA供应量。

结语


基站用PA的数量和质量都在提升,市场需求旺盛,特别是GaN工艺,已经势不可挡。有统计显示,我国5G宏基站使用的PA数量在2019年达到1843.2万个,今年有望达到7372.8万个,而在2019年,采用GaN工艺的占比已经和LDMOS持平,各50%,今年,基于GaN工艺的基站PA占比将达到58%,从而超过LDMOS的。

在这样的背景下,华为加大基站PA的自研力度和采购数量,无疑会为GaN的发展再添一把火。


来源:畅秋  半导体行业观察

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