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半导体行业124页专题报告:射频前端千亿蓝海,国产化东风渐起

文琳行业研究 | 致力于行业及产业研究 2021/10/14 23:22
专项研究 招商证券 2021 券商

(报告出品方/作者:招商证券,鄢凡)

一、射频前端是手机无线通信模块的核心组件

1、射频前端是无线通信核心硬件之一,手机蜂窝是主要市场

射频前端(Radio Frequency Front-End,RFFE)是无线通信模块的核心组件。 无线通信模块主要包含天线、射 频前端、主芯片三部分,用于信号发射、信号接收过程中二进制信号和无线电磁波信号的相互转换:在发射信号的 过程中将二进制信号转换成高频率的无线电磁波信号;在接收信号的过程中将收到的电磁波信号转换成二进制数字 信号。

按照下游来分,民用射频前端下游主要为移动终端(手机为主)、通信基站,其中手机是主要的下游市场。 根据 Yole 的预测,2020 年手机射频前端市场规模约 185 亿美元,2020 年通信基站射频前端市场约为 27 亿美元。随着 4G/5G 在手机中渗透率的提升,2020-2025 年手机射频前端市场规模不断增长至 258 亿美元。而通信基站的射频前 端市场规模主要和运营商的资本开支有关,2020 年基站射频前端市场规模约为 27 亿美元,预计在本轮 5G 基建周 期中,基站射频前端市场将在 2023 年达到 42 亿美元市场规模顶峰,之后逐渐回落至 2025 年的 36 亿美元。

无线通信技术升级带动射频前端需求增长,5G 和 WiFi6 是近几年主要增长点。 无线通信传输包含众多技术,按照 传输距离可以分为近距离和远距离无线通信技术,手机支持的近距离无线通信技术包含 WiFi、蓝牙、GPS、 NFC/RFID、UWB、Zigbee 等;远距离无线通信技术包含 2G、3G、4G、5G 等蜂窝移动通信技术。

蜂窝(2G~5G)与 WiFi 的射频前端价值量占比高,从内部构造来看,蜂窝无线通信(4G/5G)射频前端电路比 WiFi 要复杂得多。 根据 Yole 对蜂窝、WiFi、GNSS 对应的射频前端市场空间的统计,2020 年蜂窝移动通信 (2G~5G)射频前端市场空间占比高达 84%,2025 年进一步上涨到 85%;2020 年 WiFi 射频前端市场空间占比为 14%,2025 年下降到 13%;而 GNSS(全球导航卫星系统)射频前端市场空间仅占 1~2%。

射频前端对手机无线通信性能至关重要。 射频前端决定了移动终端可以支持的通信模式、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。除通信系统以外,手持设备中的无线连接系统(WiFi、 GPS、Bluetooth、FM 和 NFC 等)对射频前端芯片也有较强的需求。

不同通信制式对应的射频前端互相独立,5G 射频前端是新增市场 。信号传输分为接收、发射、分集接收三条通路, 蜂窝移动通信(3G/4G/5G)、WiFi、蓝牙、GPS 等都具备独立的无线通信模组和信号传输路径。也就是说,5G 与 WiFi 的射频前端、天线不能公用、是两块独立的市场。其次,4G 与 5G 之间也有独立的射频前端和天线,未来很长 一段时间 5G 手机都将会兼容 4G,因此 5G 射频前端及天线是一块独立的新增市场 。

主集发射通路 TX:用于手机信号向外部的发送,信号传输路径为“主芯片→射频前端→天线” ;主集接收通路 RX:用于外部信号向手机内部的接收,信号传输路径为“天线→射频前端→主芯片” ;分集接收通路 DRX:本质上也属于接收通路,用于辅助主集 RX 进行信号接收。

2、射频前端包含滤波器、功放、开关、低噪放四类器件

射频前端产业链从上游到下游依次为:原材料、射频前端分立器件、射频前端模组、移动通信设备,射频前端模组 普遍外包给 SiP 封装厂商进行封装。

射频前端主要包含滤波器(Filter)、功率放大器(PA)、射频开关(Switch/Tuner)、低噪声放大器(LNA)四类器件 组成。

滤波器(包含双工器、三工器等):在发射及接收通路中都有应用,用于滤除特定频率的信号,得到一个特定频 率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。双工器由两个不同频率的带阻滤波器组成,因为频分复用(FDD),接收和发射通道会同时运作,双工器用来防 止接收信号被发射信号干扰,随着下行载波聚合要求(三载波、四载波甚至五载波聚合)的增加,三工器、四 工器等多工器的需求也逐渐增加;功率放大器:应用于发射通道中,用于将射频信号放大;开关(包含 Switch 和 Tuner):传导开关(Switch)用于实现电路的切换功能,包含接收电路和发射电路的切 换、不同频段间的切换等。天线调谐器(Tuner)主要由开关和被动元件组成,也叫做天线调谐开关,用于提升 天线效率;低噪声放大器:是一种噪声系数微弱的放大器,应用于接收通道中,用于将接收通路中的小信号放大。

滤波器与功率放大器的价值量占比高 。滤波器和功率放大器是射频前端的两大核心元件,滤波器、功率放大器各占 射频前端总市场 47%、32%,而射频开关和低噪声放大器分别占 13%、8%。

3、结合设计与工艺壁垒,滤波器及 PA 技术难度较高

海外龙头主要采取 IDM 模式,国内企业早期以 Fabless 模式为主。 射频前端器件采用特殊制造工艺,如化合物半导 体、SOI、表面声波、体声波等,工艺壁垒较高。海外龙头历史悠久,主要采用 IDM 模式(实际上 SOI、GaAs 也开 始转向委外代工),实现设计与制造的紧密结合。而国内厂商成立时间较短,不具备建设产线的实力,早期主要采用 Fabless+Foundry 模式,积累了一定的资本实力后,部分国内厂商也开始自建产线,走向 IDM 或者虚拟 IDM 模式。

国内厂商与海外龙头的差距体现在设计、工艺两方面:

1)设计壁垒:广义上来说,射频前端属于模拟器件,在设计过程中涉及大量 know-how,不同频段的产品需要大量 时间研发和调试。同时射频前端的产品种类繁多,不同器件之间差异很大,比如滤波器分为 SAW 滤波器、BAW 滤 波器、LTCC 滤波器等,PA 工艺分为 CMOS、GaAs 等,开关分为 SOI、SiGe 等,种类繁多,为国内厂商形成完整 产品带来很高的壁垒。2)工艺壁垒:一方面,射频前端器件性能需要设计与工艺紧密结合,工程师对工艺的深刻理解对产品品质至关重要。另一方面,滤波器采用特殊工艺,下游代工业并不成熟;PA 与开关采用化合物半导体、SOI 工艺,虽然下游代工业 比较成熟,但是产能比较有限,特殊时期可能面临产能不足问题。

工艺壁垒大小与对应代工工艺的成熟度相关 。对 PA、开关、LNA 来说,主流使用化合物半导体、SOI 工艺,代工厂 工艺已经很成熟,所以 Fabless+Foundry 模式可以很好的运行,只要与下游代工厂维持良好的关系以保持特殊时期 的产能供应。但对于滤波器来说,高端滤波器主要采用 SAW、BAW 特殊工艺,由于滤波器龙头都具备自己的产线, 市场上并无优秀的代工厂,所以 IDM 模式或者虚拟 IDM 模式是当前高端滤波器的必经之路。 综合来看,难度从大到小分别是:SAW/BAW 滤波器、功率放大器、开关/LNA。

二、5G 及 WiFi6 驱动手机射频前端量价齐升,模块化趋势不断演进

近几年 5G 与 WiFi6 成为手机射频前端市场增长驱动力,根据 Yole 对 2020~2025 年全球不同通信制式对应的手机 射频前端市场规模的预测,5G(Sub 6GHz)、5G 毫米波射频前端市场规模复合增速分别为 41%、48%,WiFi6 连 接芯片市场规模复合增速达到 13%。那么 5G、WiFi6 带来的“新频段+新技术”是如何驱动射频前端市场规模增长的?这是本章讨论的重点。

1、Cecullar:5G 驱动射频前端量价齐升,5G 手机射频前端 ASP 至少增长 40%

(1)2020-2025 年手机端 Sub 6GHz 及毫米波渗透率持续提升

5G 分为 Sub 6GHz(FR1)、毫米波(FR2)。在海量数据传输需求下,5G 以低延时、高速率、低功耗、超大容量 的特性成为新一代蜂窝通信技术。3GPP 将 5G 按照频率定义为 Sub 6GHz(FR1)、毫米波(FR2)两部分,由于 毫米波频率高、波长短,相比之下信号分辨率、传输安全性以及传输速率更优,同时更宽的带宽可以避免低频段的 拥堵;但是毫米波传输损耗大、距离短,基建成本很高。而 Sub 6GHz 的基建投入远小于毫米波,可以在原有的 4G 基站上部署 5G 设备,同时在速率、时延等指标上 Sub 6GHz 已经可以满足当前大部分应用。

Sub 6GHz 为商用主流频段,毫米波在特定环境应用。 Sub 6GHz 目前是全球大部分地区(包括中国、欧洲等地区) 的主流商用频段。美国由于 Sub 6GHz 频段已经被卫星公司占用,前期一直坚持布局毫米波,但由于毫米波建设难 度大、传输距离短,美国的 5G 基础建设一直落后于中国等布局 Sub 6GHz 的国家和地区,于是美国在 2020 年宣布 收回卫星公司使用的 3.7GHz-4.2GHz 频谱,用于 5G 网络建设。美国选择回归 Sub 6GHz 意味着 Sub 6GHz 正式成 为国际主流的 5G 商用频段,而毫米波频段将主要应用于体育场馆、会议中心、地铁站等人流量大、对信号传输速 率要求高的地区。

2019~2025 年,5G 智能手机渗透率持续提升 。2019 年是 5G 手机商用元年,根据 IDC 预测,2020 年全球 5G 智能 手机销量达到 2.4 亿部,5G 渗透率达到 18%;随着 2021 年疫情逐渐恢复、5G 硬件成本价格降低,预计 2021 年全 球 5G 智能手机销量达到 5.5 亿,渗透率超过 40%;到 2025 年 5G 智能手机渗透率将达到 69%。从 2020~2025 年, 预计全球智能机出货量复合增速为 3.3%,而 5G 智能机出货量复合增速高达 34.3%。

受限于基建成本,毫米波渗透率提升较慢。目前主要是美国地区销售手机开始逐步采用毫米波,少部分日韩地区手 机也会支持毫米波,预计 2021 年全球支持毫米波的智能手机销量为 2300 万台,到 2025 年增长到 7900 万台。

(2)Sub 6GHz 射频前端:“新频段+新技术”驱动射频前端量价齐升

为了实现 5G“高速率、大容量、低延时”,四大技术助力——新增频段&高频化、多天线(MIMO)、载波聚合 (CA)、高阶调制,本章节将详细分析这些新技术对射频前端用量、性能的影响。

1)新增频段及高频化:驱动射频前端器件用量增长、性能提升

5G 全球新增授权频段数量多达 50+,传输带宽相对 4G 变宽。5G 手机最直观的变化是支持新的频段,且频率更高、 传输带宽更宽,从而提升数据传输速率。全球已授权的频段数量从 4G 时期的 40+增长到 90+,根据射频器件巨头 Skyworks 测算,到 2020 年 5G 授权频段数量新增到 50 个左右,全球 2G/3G/4G/5G 网络合计支持的频段达到 90 个以上。4G 频段带宽为 40-60MHz,5G 频段提升到 100-200MHz,5G 传输带宽从 4G 的 300MHz 提升到 900MHz、 最高达到 1000MHz。

国内 5G 手机至少新增 2 个 5G NR 频段。5G 频段分为毫米波(mmWave)、超高频(UHB)、高频(HB)、低频 (LB),其中高频(HB)和低频(LB)的频率在 3GHz 以下,与原有的 3G/4G 频段接近。超高频是指 3GHz~6GHz 之间的频段——n77、n78、n79。n77、n78 是国际上最成熟的主流频段,中国三大运营商 5G 核心频段为 n41、 n78、n79 三个频段——n41 和 n79 为中国移动频段,n78 为中国电信和联通频段。由于现在国内销售的大多数是全 网通手机,所以至少支持 2 个 5G NR 频段——N41 和 N77/N78,高端机还会支持 N79。

不同价位的 5G 手机新增频段数量不同,除了支持必备的 3 个频段,中高端机也会支持其他 5G NR 频段。 高端机支 持的 5G 频段数量多,比如 iPhone 12(A2408)支持 17 个 5G NR 频段,华为 Mate 40 5G 版支持 9 个 5G NR 频 段;而低端机支持频段数量较少,售价 1399 元的 Realme Note 10 版仅支持 3 个 5G NR 频段——N1/N41/N78。

更高的频率、更宽的带宽提升射频前端性能要求。为了提升传输速率,5G 传输带宽从 4G 的 300MHz 提升到 900MHz,因此 5G 滤波器、PA 需要支持更宽的带宽,LNA 需要更高的信噪比。

2)多天线(MIMO):驱动接收器件及 Tuner 用量增长

4*4 MIMO 将在 5G UHB(高频段,N77/N78/N79)普及。MIMO 指的是多输入多输出(Multiple Input Multiple Output)技术,可以大幅提高信道容量,提高频谱应用效率。4G LTE 主要应用 2*2 MIMO,即基站侧有两根天线, 手机侧也有两根下行天线;而 5G 高频段 4*4MIMO 成为标配,即基站侧有四根天线,手机侧也有四根下行天线。

5G UHB 频段应用了 4*4MIMO 技术,与 4G 频段相比 RX 通路数量翻倍。4G 及 3GHz 以下的 5G 频段大多数采用 2*2MIMO,采用 1 发射 2 接收架构(1T2R),每个频段拥有两条接收通路(其中 1 条为分集接收通路);5G UHB 采 用 4*4MIMO,采用 1 发射 4 接收(1T4R)或者 2 发射 4 接收(2T4R),每个频段拥有四条接收通路(其中 2~3 条 为分集接收通路),与 4G 频段相比 RX 通路数量翻倍,相应的射频前端增量翻倍。

4*4MIMO 增加了天线用量,天线调谐开关(Tuner)用量快速提升。5G 天线变小叠加全面屏的影响,天线的效率 和带宽有所降低。因此 5G 手机需要天线调谐器对天线进行调谐,使天线在多个频段内高效率工作。因此随着 5G 渗 透率提升,天线调谐开关(Tuner)市场规模快速增长。

3)载波聚合(CA):驱动滤波器及 Tuner 用量及性能提升

载波聚合(Carrier Aggregation,CA)是为了实现更高传输带宽,从而提升传输速率 。载波聚合术可以将 2~5 个 成员载波(Component Carrier,CC)聚合在一起,实现更高的传输带宽,提升传输速率。载波聚合最早在 LTE-A 时代诞生,为了满足 LTE-A 下行 1Gbps、上行 500Mbps 的峰值速率要求,需要有 100MHz 传输带宽,而这么宽的 连续频谱很稀缺,于是提出了将多个载波单元聚合的技术,最多可以将 5 个 20MHz 带宽的 4G 频段聚合在一起形成 100MHz 传输带宽,5 载波也叫 5CC。

5G 时代载波聚合技术进一步深化,最高支持 16CC,载波聚合数量从 5~10 个提升到 200 个。 LTE-A Pro 将 5CC提升到了 32CC,最高传输带宽提升到了 640MHz。5G 本身频段更宽,Sub 6GHz 和毫米波频段分别为 100MHz 和 400MHz,且 5G 最高支持 16CC,如果将 16 个 Sub 6GHz 频段聚合,则最大可支持 1.6GHz 传输带宽;如果将 16个毫米波频段聚合,可支持 6.4GHz 传输带宽。

载波集合技术提升使滤波器(多工器)、天线开关的需求量及性能要求提升。 实现载波聚合需要多个频段同时通信, 射频前端需要支持天线和收发器之间的多条发射/接收路径,这些路径的隔离需要多路复用滤波器或者物理分离天线, 物理分离天线驱动射频开关(包含 Tuner 和 Switch)数量增长,同时载波聚合机型需要复杂的滤波器如及联同向双 工器、三工器、四工器甚至更高的多工器。同时这些滤波器需要具备低插入损耗,从而使发射端功耗降低并且提升 接收灵敏度。

4)高阶调制:驱动射频前端器件性能提升

更高的调制阶数可以提升频谱利用效率、提升传输速率,5G 将从 4G LTE 的 64QAM 提升到 256QAM。 通信信号 的传输是调制、传输、解调的过程,QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交幅度调制)是一种在两个正交 载波上进行幅度调制的调制方式,QAM 利用正弦波与余弦波的正交性,可以同时调制两路信号,提高了调制效率。根据 QAM 的幅度变化等级分为 4QAM、16QAM、64QAM、256QAM 以及 1024QAM 等,代表一个调制符号分别 可以传送 2、4、6、8、10 比特的信息,16QAM 及以上常称为高阶调制。

调整阶数越高,对射频器件的性能要求越高。 当调制阶数变高,不同信号点的幅度变化越小,为了准确识别不同的 信号点,PA 和 LNA 需要有更高的线性度,滤波器需要有更高的信噪比,开关需要有更高的隔离度。在保持高性能 的同时,射频前端器件还需要维持较低功耗,对射频前端设计提出了更高的要求。

(3)毫米波射频前端:采用 AiP 封装工艺,与天线高度集成

由于高传输损耗,毫米波手机天线数量大幅增加,将采用阵列天线 。随着频率的上升,毫米波段单个天线的尺寸可 缩短至毫米级别,由于毫米波的自由空间路损更大,气衰、雨衰等特性都不如低频段,毫米波的覆盖将受到严重的 影响,终端侧大规模天线阵列将会是毫米波得以商用的关键因素之一。毫米波终端的天线数可达到 16 根甚至更多, 所有的天线将集成为一个毫米波天线模组。终端侧使用大规模天线阵列可获得更多的分集增益,提高毫米波终端的 接收和发射性能,能够在一定程度弥补毫米波覆盖不足的缺点。

封装天线(Antenna in Package,AiP) 是基于封装材料与工艺,将天线与芯片(主要是前端芯片)集成在模块内, 实现系统级无线功能的一门技术。AiP 技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的潮流,为系统级无线芯片提供了良 好的天线与封装解决方案。AiP 技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积,与传统分立式天线架构比较,AiP 具有电路排布面积小的优势,另外,天线到 RF 端口传输路径短,减少信号传输损耗,有助于提升发射端效能及改善接收 端的信号质量,亦能有效降低组装成本与加速产品上市时间。 几乎所有的 60GHz 无线通信和手势雷达芯片都采用了 AiP 技术,毫米波 AiP 模组内部集成了阵列天线、射频前端、 射频收发器及电源管理芯片(PMIC),几乎涵盖了除基带芯片外所有的通信元件。

从市场规模来看,毫米波主要应用在美国地区销售的手机,以及少部分日韩地区销售的手机,因此短期内毫米波 AiP 模组市场空间较为有限。 一部手机通常会使用 3~4 个 AiP。根据 Yole 测算,2020 年毫米波 AiP 模组的平均单 机价值量约为 18 美金。预计 2020 年全球市场规模为 1.9 亿美元,2025 年增长到 13.3 亿美元。

2、WiFi:WiFi6 驱动射频前端量价齐升,PA 工艺持续升级

(1)2020-2025 年手机及路由器端 WiFi6 渗透率不断提升

WiFi 是射频前端的重要战场之一。 智能手机支持的近距离通信技术包含 WiFi、蓝牙、GPS、UWB 等,WiFi 的特点 是传输速度快、距离长、建设成本低,缺点是功耗较高、安全性较低。和蓝牙、GPS 相比,WiFi 技术迭代较快、射 频前端复杂度较高,是射频前端厂商的重要战场之一。

自 1997 首个 WiFi 标准发布以来,WiFi 经历了数次升级。 WiFi 升级驱动力是数据传输量的提升对传输速度提出更 高要求,升级方向是更宽的带宽、更强的信号、更低的功耗、更高的安全性。

2020-2025 年,WiFi6 在手机中的渗透率持续提升,预计 2025 年超过 60%。 2019 年 iPhone 11 开始支持 WiFi6;2020 年安卓高端机开始支持 WiFi6,如三星 Galaxy Note 20(售价 5299 起)、华为 P40(售价 4988 起)、OPPO Reno 5(售价 2999 起)、小米 10(售价 3399 起)等;预计 2021 年 WiFi6 将在安卓机型中进一步下沉到中端机, 根据中关村在线搜索结果,WiFi6 最低已经下沉到 1599 元的 Realme Q3 Pro。根据 TSR 的预测,2020 年 WiFi6 手 机出货占比约 8%,2021 年上升到 25%,预计 2025 年支持 WiFi6(包含 6GHz WiFi)的手机占比将超过 60%。

WiFi6 在路由器中的渗透速度比手机更快,预计 2025 年超过 90%。2 020-2021 年华为、荣耀、小米、TP-LINK 等 厂商陆续发布 WiFi6 路由器产品,目前 WiFi6 已经下沉到 200+价位,2021 年华为推出 AX2 Pro,支持 2.4GHz、 5GHz 双频,售价仅 229 元。根据 TSR 预测,2020 年 WiFi6 路由器出货占比约 18%,2021 年上升到 37%,预计 2025 年支持 WiFi6(包含 6GHz WiFi)的路由器占比将超过 90%。

WiFi 射频前端以 PA 为核心器件。 根据 Skyworks、Qorvo 等厂商产品列表,Wi-Fi 射频前端模组集成了 PA、 LNA、 开关以及控制芯片,其中 PA 是价值量占比最高的器件。

WiFi 射频前端的性能优化的重点在于 PA。 评价 PA 性能主要是输出功率、线性度、功耗三个指标,让 PA 在低功耗 的同时拥有更高的线性度和输出功率,线性度对吞吐率有决定性影响,线性输出功率影响设备的信号传输距离及覆 盖率。目前 WiFi PA 和 4G/5G PA 一样以 GaAs 作为主流工艺,部分厂商采用 SiGe 工艺。

(2)路由器 WiFi:2020~2025 年射频前端市场规模从 7 亿美元提升至 18 亿美元

由于 MU-MIMO 技术的采用,WiFi6 最高支持的通道数量从 WiFi5 的 8 通道提升到 12 通道,驱动路由器 WiFi FEM 平均用量从 4 颗提升到 6 颗 。WiFi5 只支持下行 MU-MIMO 且最高支持 8*8MIMO,而 WiFi6 上行及下行都应用了 MU-MIMO 技术,最高支持 12*12MIMO。

根据国内 WiFi FEM 龙头康希通信官网,高端 WiFi6 系统设备一般采用 4x4+4x4(5GHz 和 2.4GHz 都采用 4*4MIMO),Quantenna 方案采用 8x8+4x4(5GHz 采用 8*8MIMO,2.4GHz 采 用 4*4MIMO)多达 12 通道的配置方案。上行及下行通道数量越多,意味着 WiFi 射频前端用量越多。根据产业链调 研,WiFi5 路由器一般使用 4 颗左右 WiFi FEM,WiFi6 路由器平均采用 6 颗 WiFi FEM。

WiFi6 FEM 性能相比上代大幅提升,带动单价增长 。由于 WiFi6 的 MU-MIMO 技术的应用,PA 的线性度与功耗成 为了系统设计最大难点,也直接影响着系统的散热成本、尺寸大小、关键性能参数及系统稳定性。根据立积 2020 年 法说会,WiFi4/5/6 FEM 的单价不断提升,分别为 0.25/0.38/0.45 美元。综合用量及单价增长,WiFi6 射频前端 ASP 高于 WiFi5 约 50~60%,WiFi6E 高于 WiFi6 约 50~60%。

WiFi 技术升级驱动全球路由器 WiFi FEM 市场不断增长,预计从 2020 年 8 亿美元提升到 2025 年 18 亿美元, CAGR +17.6%。 预计 2020 年全球路由器 WiFi FEM 销量约为 21 亿颗,其中 WiFi6 FEM 为 3 亿颗;未来 5 年 WiFi6 用量将快速提升,预计将从 2020 年 3 亿颗增长到 2025 年 28 亿颗,WiFi6E/7 有望提升到 8 亿颗,2025 年全 球 WiFi FEM 数量将从 2020 年 21 亿颗提升到 40 亿颗。保守假设 2025 年 WiFi FEM 平均单价增长 20%,从 0.38 美元提升到 0.46 美元,则全球路由器 WiFi FEM 市场规模将从 2020 年 8 亿美元提升到 18 亿美元,CAGR +17.6%。

(3)手机 WiFi:2020~2025 年连接芯片市场规模从 25 亿美元提升至 34 亿美元

WiFi6 驱动手机射频前端用量增长,同时对模组化程度、PA 性能提出更高的要求。 大部分中低端手机并不具备独立 的 WiFi FEM,而是将 WiFi 射频前端器件集成在主芯片中。高端手机会采用独立的 WiFi FEM 以获得更好的性能。随着 WiFi6 的逐渐普及,采用 WiFi FEM 的手机比例提升,同时 WiFi FEM 的单机用量、单价也将增长。

WiFi4:WiFi4 对 PA 性能要求较低,因此大部分手机 WiFi PA 主要采用 CMOS 工艺,且 WiFi 射频前端系统可 以与主芯片一起集成在手机主芯片中;WiFi5:对 PA 等器件的输出功率、线性度、功耗要求提升,高端手机 WiFi 射频模组开始从 SOC 中独立出来, 采用 2~4 颗 WiFi FEM,PA 开始采用 GaAs 或 SiGe 工艺,LNA 和 Switch 采用 SOI 工艺;WiFi6:采用 WiFi FEM 的手机占比进一步提升,对 PA 等器件的性能提出更高的要求。

2020 年全球手机侧 WiFi FEM 的市场规模约 6~7 亿美元,与路由器侧市场规模接近 。第三方机构往往将 WiFi SOC 及射频前端市场空间共同作为“连接芯片”,一起测算市场规模。根据 Yole Development 预测,WiFi 连接芯片将从 2020 年 25.4 亿美元增长到 2025 年 34.2 亿美元,CAGR +6.1%。预计 WiFi6 射频前端市场将从 2020 年 13.0 亿美 元增长到 2025 年 23.7 亿美元,复合增速为 12.8%。同时 WiFi5 射频前端略有下滑,将从 11.3 亿美元下滑到 9.0 亿 美元,复合增速为-4.4%。WiFi4 射频前端市场占比很小,规模略增。综合来看,整体市场从 2020 年 25.4 亿增长到 2025 年 34.2 亿美元,复合增长 6.1%。

3、模块化趋势不断深化,5G 驱动模组及分立市场同步增长

随着通信技术升级,模块化是必然趋势。其一,射频器件数量成倍增长,而 PCB 板面积有限;其二,模块化可以简 化手机厂商设计难度、降低研发周期。从 3G 到 5G,模组的集成度不断提升,难度越来越大。低端模组(如低端 PA 模组)竞争激烈、价值量低、盈利能 力差;高集成度的高端模组盈利能力强,价值量高、被海外巨头所垄断:

3G:开始应用多频多模 PA 模组,将多个 PA 集成到一个模组中;4G 和 5G(Sub 6GHz):模块化程度进一步提升,高端机的主集采用 PAMID 模组+LNA,或者 FEMID 模组 +PA+LNA 的形式;4G 分集接收端采用 DiFEM+LNA Bank 的形式,5G 分集接收端采用 LFEM;毫米波:开始使用 AiP 模组(集成相控阵天线和射频前端芯片),目前由基带厂高通占据领先地位。

手机厂商面临成本和性能之间的平衡,模块化程度与机型定价相关,中高端手机以模组形式为主,而低端手机仍然 会以分立器件为主。 高端旗舰机支持全球频段,模块化程度高(PAMiD 或者 FEMiD + MMMB PA);而中低端机为 了优化成本通常采用区域性机型,模块化程度较低。分品牌来看,品牌定位越高端,集成度越高,iPhone 的射频前 端集成度高于安卓机;安卓机里,三星的集成度高于华为等国产机。

三、滤波器是高端模组核心壁垒,5G 模组难度有所下滑

针对不同的频段和制式,射频前端可以分为 3G/4G、5G(Sub 6GHz)、5G 毫米波三块市场,其中 3G/4G 是存量 市场,5G 时代新增了 5G(Sub 6GHz)、毫米波两块新的射频前端市场。这三类市场的技术难度、竞争格局区别较 大,针对 5G 带来的冲击,未来这三类市场的竞争格局将会如何演变?本章将详细讨论这个问题。

1、滤波器是高端模组的核心壁垒

主集模组的难度和价值量一般高于分集接收端模组。 接收模组不含 PA、且对滤波器的性能要求低于发射端,所以难 度相对较低。而主集模组同时含有收发通路,集成高端滤波器(或双工器、多工器)、PA 等器件,难度极高。国际 厂商在发射模组方面持续推进高性能高集成度的 FEMiD 和 PAMiD 等方案,已成为射频前端最高难度也是最高价值 的金字塔尖领域。主集模组市场规模比分集接收端模组高很多,2018 年主集模组全球市场规模为 59 亿美元,接收 端模组为 26 亿美元。

不管是分集接收模组还是主集模组,滤波器都是高端模组最核心、难度最大的器件,下文将详细分析不同类型模组 的难点:分集接收模组:按照技术难度从低到高,分集接收模组分为三个等级,其中 5G LFEM 以 SOI 工艺的 Switch、LNA 为核心,难度相对最低;第二、三级模组以滤波器技术主导,难度相对较高。

主集模组:按照技术难度从低到高分为五个等级,低难度模组(1 级)以 PA 为核心,高难度模组(2~5 级)以滤波 器为核心。

第一级(5G PAMiF):主要由 PA 与 LC 型滤波器(IPD 或 LTCC 滤波器)构成,应用在 3GHz~6GHz 的新增 5G 频段。此类模组对 PA 性能要求高,但由于频谱附近干扰少,对滤波器性能要求低,采用简单的 IPD 或 LTCC 滤波器即可。技术和成本均由 PA 主导。

第二、三级(4G/5G LB - FEMiD 或 PAMiD):LB 指的是 1GHz 以下的 4G/5G 频段,第三级的 PAMiD 需集成 高性能 PA、低频 SAW/TC-SAW 滤波器(或双工器)。第二级 FEMiD 的区别在于不含 PA,部分中高端机采用 FEMID+PA 模组来取代 PAMID。这类模组需要比较强 SAW 滤波器能力,另外 PAMiD 还集成了高性能 4G/5G PA。

第四、五级(4G/5G MHB - FEMiD 或 PAMiD):MHB 频率范围是 1.5GHz~3.0GHz,频段非常拥挤,需要用到 高性能的 BAW 滤波器。该频率范围内的 PA 技术相对比较成熟,核心的挑战来自于滤波器。 根据以上分析可知,高端模组最核心的壁垒是高端滤波器。

2、5G 模组难度相比 4G 下滑,毫米波模组巨大变革

(1)3G/4G/5G(3GHz 以下):中高端模组需集成高端滤波器,技术壁垒高

虽然未来几年射频前端的增量在于 5G 频段,但 3G/4G 射频前端依然占比最大。 5G 手机需要向下兼容 3G/4G 频段, 3G/4G 频段数量比 5G 更多,并且 4G 滤波器的技术难度很大,因此 2025 年 2G/3G/4G 频段的射频前端仍然占手机 射频前端总市场规模的 52%。

3G/4G、3GHz 以下 5G 频段采用 SAW 和 BAW 滤波器,工艺壁垒极高 。SAW 滤波器主要被日本 IDM 龙头垄断, CR3 高达 82%,主要为日本村田、TDK、太阳诱电。BAW 滤波器主要被 IDM 厂商 Broadcom 和 Qorvo 垄断,其中 Broadcom 的份额超过 80%。SAW 滤波器和 BAW 滤波器采用特殊工艺,代工厂缺乏研发产线的动力,自建产线、 或者采取虚拟 IDM 模式是目前生产高端滤波器的必经之路 。

3G/4G 模组竞争格局:

3G/4G 接收端模组以 SAW 滤波器为核心,因此竞争格局与 SAW 滤波器行业接近。4G 接收模组以 DiFEM 模 组为典型,内部集成了 SAW 滤波器、开关、LNA,不含 BAW 滤波器与 PA。在竞争格局上,村田凭借杰出的 SAW 滤波器能力,占据 43%市场份额(2018 年),Skyworks 也具备较强的 SAW 滤波器生产能力,占据 29% 市场份额(2018 年)。国内厂商的 SAW 滤波器生产能力较弱,目前在接收模组市场份额低。

3G/4G 发射端模组需融合高端 SAW/BAW 滤波器和 PA,美系三巨头垄断。4G 发射模组的壁垒很高,需要厂 商具备完整产品线,尤其是完备的滤波器和 PA 能力。日本厂商 Murata 的 PA 能力较弱,因为在发射端市场份 额较低,仅占据 17%份额(2018 年),且以低频模组为主。发射端模组主要被美国三大巨头 Skyworks、Qorvo、 Broadcom 占据,份额分别为 39%、32%、17%(2018 年)。

(2)5G(3~6GHz):发射、接收模组难度皆降低

5G 主流频段处于 3~6GHz 之间,主要采用 LTCC/IPD 滤波器,难度相比 SAW/BAW 滤波器大幅降低。5G 主流频 段 N77、N78、N79 是典型的高频、宽频带,适用 LTCC/IPD 滤波器,国内有几十家厂商具备生产能力,例如麦捷 科技、顺络电子等。

滤波器是射频前端模组的关键器件,SAW、BAW 滤波器构成 4G 模组壁垒,5G 滤波器难度降低,其他器件的工艺 技术与 4G 几乎相同。 4G 频段使用的滤波器壁垒极高,主要使用 SAW 滤波器、BAW 滤波器,主流厂商采用 IDM 模式封锁设计和工艺,因此技术难度很大,目前仅有 Murata、Qorvo、Skyworks、Broadcom、RF360(高通)这 少数几家海外厂商具备量产能力 ,国内厂商和他们的技术差距很大。5G PA 与 4G PA 一样采取 GaAs 工艺,5G 与 4G 开关/LNA 都以 SOI 为主流工艺。

主流 5G 模组壁垒相对 4G 降低,国内厂商切入发射及接收模组,市场格局趋于分散:

1)5G 主集收发模组(N77&N79 PAMiF)以 PA 为核心,PA 厂商逐渐切入: 由于不再采用高难度的 SAW、BAW 滤波器,因此 PA 厂商有机会切入 5G 主集模组市场,例如:

2020 年国内 PA 龙头唯捷创芯推出 5G LPAMiF 模块,第一代产品已经量产并实现销售,第二代产品在研发设计 阶段;慧智微的 N77&N79 主收发模组 PAMiD 已量产,用在 OPPO K7x 中;卓胜微 2021 年中报披露,公司应用于 5GNR 频段的主集发射端模组产品 L-PAMiF,并已开始送样推广;2020 年飞骧科技发布完整的 5G 射频前端方案,产品包含接收端模组 LPAMiF、LFEM、以及主收发模组 PAMiF;芯朴科技具备 N77&N79 PAMiF 生产能力;

2)5G 分集接收模组(N77 N79 LFEM)以 Switch、LNA 为核心,Switch/LNA 具备竞争力: 由于不再采用 SAW 滤波器,难度大幅降低。国内很多厂商目前已具备 5G 模组生产能力,例如卓胜微的 5G 接收端模组 LFEM 已经大规模量产,预计 2021 年占据安卓主要品牌 30%以上份额。

(3)毫米波:AiP 模组集成射频前端、天线、收发器等,基带厂商优势明显

由于高传输损耗,毫米波手机采用封装天线(Antenna in Package,AIP)模组,将天线与射频前端、收发器等射 频器件集成在模块内,集成度大幅提升,对射频前端厂商的产品线齐全度提出更高的要求 。毫米波射频前端器件的主流制造工艺也将发生变化,传统射频前端厂商积累的技术经验优势在毫米波模组中有所降 低:

滤波器:毫米波频段的频带很宽,不再需要采用高技术难度的 SAW 和 BAW 滤波器,仅需要采用技术难度较低 的 IPD、LTCC 滤波器。;PA:低频段 PA 主要采用第二代化合物半导体工艺,以 GaAs 为主;而毫米波频段的 PA 主流工艺未定,第三代 化合物半导体工艺 InP 或 SiGe、高级 SOI 工艺都有厂商进行相应布局;LNA/开关:低频段主要采用 SOI CMOS 工艺,预计毫米波依然延续 SOI 工艺。

基带厂商在毫米波 AiP 模组中具备优势。基带厂采取的战略是重点布局毫米波 AiP 模组,传统射频前端厂商如 Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata 等主要聚焦 Sub 6GHz 市场,目前还未发布毫米波 AiP 模组。

与传统射频前端厂商相比,基带厂商在毫米波 AiP 模块市场更具产品优势。 其一,由于毫米波极易衰减,毫米波 AiP 模组设计对厂商的综合射频设计能力提出了很高的要求,基带与 AiP 模组在设计上的适配,可以提升毫米波通 信效率。其二,模组内部集成了收发器,收发器是基带厂商的优势产品,且收发器与基带紧密联系。其三,毫米波 射频前端器件工艺变化较大,传统射频前端厂商积累的优势有所削弱。

四、美日五大巨头垄断,多因素驱动国产化浪潮

1、海外巨头通过并购整合补齐产品线,形成垄断格局

射频前端市场集中度高,美日龙头垄断 。射频前端技术壁垒极高,目前主要被美国四大巨头-Skyworks、Broadcom、 Qorvo、高通,日本厂商村田所垄断,2019 年 CR5 高达 79%。国内厂商主要生产低端分立器件,目前市场份额不 足 10%。

海外巨头为形成模组能力,2015-2016 年加速并购重组。 2015-2016 年全球半导体行业出现并购潮,根据 IC Insights 数据统计,2015 年并购协议总金额达到 1073.8 亿美元,2016 年并购协议总金额达到 593.8 亿美元,而 2010-2015 年合计并购金额只有 126 亿美元。

1)传统射频前端龙头通过并购补齐了产品线: Qorvo:射频前端巨头 RFMD 和 TriQuint 合并成立 Qorvo,前者擅长 PA 研发,后者擅长 SAW 和 BAW 滤波器,二 者实现技术互补。Murata:2015 年,Murata 收购 Peregrine 半导体,前者擅长滤波器和射频模组,SAW 滤波器市占率超 45%以上, 连接模组市占率超 60%;后者擅长射频开关和 SOI 技术,两者联合推出首个全集成射频前端方案。

Skyworks:2008、2009 年分别收购两家 PA 厂商——Freescale 和 SiGe, 2014 年公司与松下合资成立 FilterCo, 布局 BAW 滤波器业务;2016 年收购 Panasonic 射频滤波器部门。Broadcom:2008 年 Broadcom 收购了英飞凌的 BAW 相关业务,2013 年收购 CMOS PA 厂商 Javelin,2016 年收 购通信芯片巨头 Broadcom 并改名为 Broadcom。

2)基带公司通过并购与合作拓展前端业务: 高通、联发科、展讯等 AP/基带芯片公司纷纷布局射频前端。高通:2014 年并购 CMOS PA 厂商 Black Sand, 2016 年与 TDK 成立合资公司 RF360 拓展射频前端产品。联发科:2019 年增资当时大陆最大 PA 公司唯捷创芯。展讯:2016 年与射频前端公司锐迪科合并,并改名紫光展锐。

分立器件竞争激烈,模组厂商赢家通吃。 从分立器件到射频前端模组,厂商越来越少。分立器件方面细分市场玩家 众多且分散,前端模组只有 Broadcom、Qorvo、Skyworks、Murata、高通 5 家实力雄厚的模组厂商,并且这几家 厂商在分立器件领域也极具竞争力。经过并购整合,美日厂商形成寡头垄断,合计占据射频前端近 9 成市场份额:

第一梯队:美系厂商 Broadcom、 Qorvo、 Skyworks,中高端市场

第二梯队:日系厂商 Murata、 TDK、 Taiyo Yuden,中端市场

第三梯队:韩台陆厂,低端市场

(1)Qorvo&Skyworks:短期“双寡头”格局稳固,长期蓄力拓展非手机业务

1)Skyworks:发射端模组龙头,向非手机领域拓展

美国射频前端巨头 Skyworks 成立于 1962 年,2002 年上市,由于高通在 3G 时代凭借 CDMA 制式、SOC 能力逐渐 垄断基带市场,Skyworks 在 2006 年正式退出基带市场,开始聚焦射频前端领域。

Skyworks 凭借“内生+并购”形成完整产品线。 Skyworks 在 2008、2009 年分别收购两家 PA 厂商——Freescale 和 SiGe,至此产品线已基本齐全,除了专利及工艺壁垒极高的 BAW 滤波器,在 2019 年以前公司一直通过外购 BAW 滤波器来生产模组产品。2014 年公司与松下合资成立 FilterCo,布局 BAW 滤波器业务,并在 2016 年收购合 资公司所有股权,2019 年公司自产的 BAW 滤波器正式量产,也宣告了 Skyworks 正式覆盖射频前端全产品线。

公司第一大客户为苹果,2019 年收入占比为 51%;安卓客户中,三星为第二大客户,2017 年收入占比为 12%,华 为曾为第三大客户,2017 年收入占比为 10%,受中美贸易制裁影响,公司华为业务大幅下滑。公司为发射端模组龙头,核心产品有 PAMiD、FEMiD 等。由于具备齐全产品线,公司具备高端发射端模组的生产 能力,与同行相比 Skyworks 产品的覆盖面最广,不仅覆盖苹果及安卓主要客户,而且具备高中低端产品梯队, 2018 年公司占据全球发射端模组 39%份额,排名全球第一。

公司业绩显著受通讯技术迭代周期影响。 2011~2018 财年智能手机出货量快速提升、4G 快速渗透,Skyworks 绑定 苹果、三星、华为等手机大客户实现了业绩高速发展,收入复合增速 16%。2018 年中美贸易战爆发,射频前端芯片 进入限制清单,同时手机销量进入瓶颈,导致公司连续两年营收下滑。2021 年随着疫情恢复、5G 渗透率提升,公 司重新进入快速成长轨道,FY2021Q3(对应日历 2020Q4~2021Q2)公司实现收入 245.8 亿人民币,同比增长 58.3%;净利润 75.8 亿元,同比增长 106.4%。

万物互联,向汽车、物联网、基站等非手机领域拓展 。随着手机销量接近天花板,Skyworks 这几年往基站、物联网、 汽车等非移动业务拓展。公司业务分为手机业务(Mobile)和非手机业务(Board Markets),其中非手机业务收入 占比从 2011 年 20%提升到 2019 年 34%。2021 年 4 月公司宣布以 27.5 亿美元价格收购 Silicon Labs 的基础设施 和汽车(Infrastructure & Automotive,简称 IA)相关业务,成为 Skyworks 最大金额收购,公司通过本次收购拓 展汽车芯片业务,为车联网市场做好前瞻布局。

2)Qorvo:TriQuint 与 RFMD 强强联合,塑造齐全产品线

与 Skyworks 的多次并购相比,Qorvo 从诞生起就拥有了齐全且性能卓越的产品线, 2014 年 Qorvo 由射频行业两 大龙头 RFMD 和 TriQuint 而成,前者擅长 PA 和天线开关,后者擅长 SAW 和 BAW 滤波器,二者实现技术互补;前 者主要下游是手机,后者主要是通信、国防、航空航天应用,二者实现下游应用互补。由于两家公司在产品技术方 面几乎没有重叠且运营方式接近,新公司整合资源和技术,是移动、基础设施、国防领域射频方案的全球领导者。两家公司合并后的 Qorvo 完成了天线、功率放大器、SAW/BAW 滤波器和射频开关的全线布局,并拥有数个 GaAs 以及 GaN 晶圆厂。

公司业务分为两部分:移动业务、基础设施和国防业务(IPD),其中 2021 财年移动业务占收入比例为 71%(2021 财年指日历年 2020Q2~2021Q1),公司近几年来很重视非移动业务的布局,下游主要包括 5G 基站、国防有源相控 阵、汽车和物联网。

受中美关系影响,2019 年公司来自中国大陆地区的收入占比大幅降低。中国大陆地区收入占比由 2019 财年 57%下 降到 2020 财年 34%(2019 财年指日历年 2018Q2~2019Q1,2020 财年指 2019Q2~2020Q1),2021 财年恢复到 39%。

5G 带动 2019-2021H1 业绩稳定增长 。2017~2018 财年(2017 财年指日历 2016Q2~2017Q1)公司业绩受中美贸 易制裁影响较大,收入及净利润同比下滑,分别亏损 1.14、2.53 亿元。随着 5G 相关业务需求的增长,2019-2021 财年公司业绩稳定增长,收入从 208 亿元增长到 263 亿元,净利润从 9 亿增长到 48 亿元。

(2)Broadcom:以 BAW 滤波器为优势产品,继续定位高端市场

2015 年 5 月 Broadcom 宣布以 370 亿美元“蛇吞象”收购 Broadcom,其中射频前端业务是 Broadcom 的传统业务。作为知名通讯芯片厂商的 Broadcom,当时正面临着主手机芯片业务的没落。这次收购使 Broadcom 一跃成为兼具 有线及无线产品组合的通信芯片巨头,规模仅次于英特尔和高通。

Broadcom 总部位于新加坡,在收购 Broadcom 之前就曾收购多家老牌芯片公司 。在 2008 年收购了英飞凌的 BAW 相关业务,BAW 滤波器成为了 Broadcom 最核心的优势产品。2008 年 Broadcom 还收购了光通讯器件厂商 CyOptics、电力电子技术厂商 Amantys,2013 年 Broadcom 收购了存储芯片厂商 LSI,2014 年收购 I/O 技术与串列 /接串列技术厂商 PLX。

和 Qorvo、Skyworks 相比,Broadcom 的业务范围更广、射频前端业务收入占比较低。 公司业务分为有线基础设 施、无线通信芯片、存储和系统、企业软件等。根据 2018 年报的业务拆分,射频前端芯片和 WiFi/蓝牙/GPS SoC收入为 450 亿元,约占总收入的 30%。

在射频前端业务上,Broadcom 定位高端市场,客户主要为苹果、三星,鲜少涉猎国产手机。 公司的射频前端产品 线齐全,在 BAW/SAW 滤波器和 PA 上技术积淀深厚,公司最大的特色是 BAW/FBAR 滤波器产品,公司围绕 BAW/FBAR 滤波器布局了众多专利,随着 BAW/FBAR 滤波器在 4G LTE 频段的广泛使用,Broadcom 收益颇丰。

市场竞争逐渐激烈,Broadcom 射频前端业务逐渐边缘化 。虽然 Broadcom 是 BAW/FBAR 滤波器的先发者,但 Qorvo、Skyworks 等同行也陆续进入 BAW/FBAR 滤波器市场,生产出了有各自特色的产品。并且和同行相比, Broadcom 的客户群体比较局限、定位高端,市场拓展能力较为局限。2019 年 Broadcom 曾计划出售旗下无线通信 业务,射频前端业务在公司内部也逐渐边缘化。

(3)Murata:优势产品 SAW 滤波器竞争加剧,接收模组竞争激烈

日本村田制作所(Murata)成立于 1944 年,主力产品为多层陶瓷电容器(MLCC)和 RF 零组件 。公司旗下产品 有电容器、压电产品(以 SAW 滤波器为主)、通信模块(以射频前端模块为主)、电源模块,2018 年压电产品(以 SAW 滤波器为主)收入占比约 9%,通信模块(以射频前端模块为主)收入占比约 27%。

公司 SAW 滤波器技术实力突出,SAW 滤波器及接收模组份额领先。 公司采用 IDM 模式生产 SAW 滤波器及 TCSAW 产品,市场份额高达 47%,该市场上二、三名分别为日本厂商 TDK、太阳诱电,高通通过与 TDK 合作也获得 了 SAW 滤波器技术。SAW 滤波器厂商主要采用 IDM 模式进行生产,因此新进入者的工艺壁垒极高。借助 SAW 滤 波器技术实力,公司在接收模组上份额也高达 39%。

公司通过 Fabless 模式发展 PA 及射频开关产品,形成了完整的射频前端产品线。 除了强势的 SAW 滤波器产品, 公司通过与代工厂合作发展 PA 产品,发力发射端模组产品,2018 年占据发射模组市场 4%份额,但是前村田的 PA 业务与美系厂商的差距依然比较大。随着中美贸易摩擦,华为开始换用村田的发射端模组产品。

未来几年随着 SAW 滤波器新秀崛起,接收市场竞争可能趋于激烈 。SAW 滤波器(含 TC-SAW)是滤波器中市场规 模最大的一部分,也是模块化的关键一环,吸引了众多入局者,其中大多数为国内厂商,国内 SAW 滤波器厂商近几 年不断受到国内安卓手机客户的支持,未来几年有望起量,对村田造成威胁。

(4)基带龙头:基带与射频前端协同销售,重点布局毫米波模组

1)基带行业格局:技术壁垒极高,五大巨头垄断

基带芯片的功能是合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码。具体地说,就是发射信号时把音频 信号编译成用来发射的基带码;接收时,把收到的基带码解译为音频信号。同时,也负责地址信息(手机号、网站 地址)、文字信息(短讯文字、网站文字)、图片信息的编译。移动终端支持何种网络制式是由基带芯片模式所决定, 而支持何种频段则由天线和射频模组所决定。

基带分为两种:系统平台芯片(SoC)和分离式基带芯片(客户主要是苹果)。目前集成式基带市场规模为 150 亿 美元,分离式基带市场规模为 37 亿美元。SoC 整合了应用处理器(AP)与基带芯片(BP)等许多不同功能的部件, 提供多媒体功能以及用于多媒体显示器、图像传感器和音频设备相关的接口、为了进一步简化设计,这些编译电路 所需要的电源管理电路也日益集成于其中。在传输效率、采购成本、电路设计上,SOC 均优于分离式芯片,成为目 前智能机的主流设计。

1G 时代摩托罗拉一家独大,2G 时代群星逐鹿、竞争激烈

在模拟手机(1G)时代,美国厂商摩托罗拉是毫无疑问的老大,占据超过 7 成的市场份额。2G 时代欧洲国家为了 与摩托罗拉抗衡,联合推出了 GSM 标准,大量欧洲通信厂商崛起:芬兰诺基亚,瑞典爱立信,德国西门子,荷兰飞 利浦,法国阿尔卡特等,他们不仅做手机、基站,大多也能自制芯片。美国也涌现出一批基带芯片厂商:TI、 Skyworks、ADI、Agere、Broadcom、Marvell、Qualcomm 等。

2G 时代能出现这么多基带厂商,一方面因为手机市场爆发,另一方面也因为 2G 手机芯片技术门槛不高,当时芯片 集成度低,如今一个芯片可以完成的工作,当年要用 MCU+DSP+ROM 等十几个芯片和分立器件。随着激烈的行业竞争,除诺基亚外的欧洲手机大厂逐渐退出手机业务。和其它欧洲手机大厂不同的是,诺基亚将基 带设计外包给了当时半导体业实力最雄厚、产品线最齐全的德州仪器(TI),TI 因此一度成为份额第一的基带厂商。2007 年,诺基亚引入 STM 和英飞凌,激烈的竞争、快速的技术迭代使 TI 选择退出基带业务,专注于投资回报率更 高的模拟 IC。而诺基亚自身也由于智能手机浪潮在 2008 年后开始了下坡路。

智能机时代 SOC 成为主流,五大巨头崛起

3G 时代高通凭借 CDMA 掌握话语权。上世纪 80 年代,高通公司创始人雅各布发现了 CDMA 技术的优势,并把 CDMA 作为公司的研发重点。当时同行行业的焦点为 TDMA 技术(GSM 就是基于 TDMA),其他厂商几乎都投入巨 资研发 TDMA。高通为了证明 CDMA 的优势,花了很多精力进行实验测试和演示,在高通的努力下,2G 时代 CDMA 成为通信技术标准之一,但远不如 GSM。到了 3G 时代,三大主流标准都与 CDMA 有密切关系(WCDMA、 TD-SCDMA、CDMA2000),靠 CDMA 发家的高通手握大量核心专利,掌握了 3G 时代的垄断性话语权。

智能机时代 SOC 芯片成为主流,基带行业洗牌后形成五大巨头。2007 年高通推出第一款骁龙 SOC 芯片,将处理 器、基带等部件集成在一起。在智能手机尚未崛起时,高通处理器还面临着 TI、三星、Broadcom 等厂商的竞争, 2010 年,高通占据 41%手机处理器市场份额,TI 份额也高达 27%。随着智能手机崛起,SOC 芯片因为传输效率高、 占用空间小、缩短终端厂商开发时间等优点逐渐成为智能手机的主流产品,TI、英伟达、Broadcom 等厂商因为缺乏 基带芯片不得不退出 SOC 芯片市场。SOC 芯片的大厂商只剩下韩国的三星、美国的高通、中国的联发科、海思和 展讯。

5G 时代苹果收购 Intel 基带部门,未来有望实现自供

前三代 iPhone 选择了当时并不领先的英飞凌作为主通讯芯片提供商。1999 年西门子半导体部分分拆独立成为英飞 凌,2005 年英飞凌奋力推出业界领先的面向 100 美元低价手机单芯片解决方案 X-Gold,一时间吸引并成功打入诺 基亚、LG、三星和康佳、中兴等中国厂商。秘密研发的 iPhone 也正在寻找一款高集成度功能简单的基带芯片,选 中了英飞凌作为基带提供商。由于前三代 iPhone 销量不高,英飞凌一直处于亏损状态,英飞凌 3G 平台开发进度慢,并且 iPhone 前三代还都存 在信号弱的问题,第四代 iPhone 开始引入高通。虽然苹果很不喜欢高通专利收费方式,但迫于高通强大的技术实力, iphone 被迫放弃英飞凌转到高通平台。

2010 年,英飞凌把无法盈利的无线部门以 14 亿美元卖给英特尔,收购后的无线部门连续每年亏损约 10 亿美元,开 发进度仍然还一直落后于高通。由于苹果与高通的官司纠纷,苹果从 iPhone 7 开始重新引入英特尔 LTE 基带,由于性能上比高通差一大截,苹果 甚至把高通芯片进行限速来弥补英特尔芯片的不足。到了 iPhone Xs 一代,英特尔 Baseband Modem XMM7560 正 式取代了高通。苹果收购 intel 基带部门,未来有望实现自供。2019 年 4 月,因苹果英特尔的 5G 芯片迟迟未能推出,这很可能会 影响苹果 5G 手机的推出时间,苹果与高通达成和解,iPhone 将继续使用高通的 5G 基带芯片,intel 将基带部分出 售给苹果,苹果有望在 2023 年 iPhone 手机中搭载自研 5G 基带芯片。

2)基带向射频前端延伸,致力于提供一站式射频解决方案

随着智能手机销量接近天花板,手机基带的市场空间增长有限,而竞争日益激烈 。从产品定位来看,高通定位于中高端手机,联发科定位于中端手机,紫光展锐定位低端机。近年来基带厂商竞争趋于激烈,高通与联发科在中端市 场混战,同时联发科也谋求进入高端市场。

相比之下,射频前端、天线市场持续增长,于是基带厂商开始向射频前端、天线领域延伸,致力于提供一体化射频 解决方案。 基带厂与射频前端厂商展开跨界合作,借助与 SoC 芯片的协同营销优势切入射频前端市场:高通与射频 前端厂商 TDK 合作,通过 SoC 芯片与前端绑定营销,快速提升市场份额;联发科收购大陆 PA 厂商唯捷创芯,通过 SoC 与 PA 绑定打折的方式提升市场份额;展讯与射频前端厂商锐迪科合并,在低端安卓领域提升竞争力。2019 年 2 月,高通在推出其第二代 5G 基带芯片骁龙 X55 同时,还率先推出了一套完整的 5G 射频前端解决方案,其中包括 与骁龙 X55 配合的 QTM525 毫米波天线模组、全球首款宣布的 5G 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。

与 Skyworks、Qorvo 等射频巨头相比,高通等基带厂商拥有自己的调制解调器,这是相比第三方射频元器件厂商 的核心差异化优势 。在 2018 年 1 月举行的高通技术峰会上,高通与小米、vivo、OPPO、联想四家手机厂商签订了 射频前端解决方案跨年度采购订单,在未来三年内(即 2019 年-2021 年),四家手机厂商将采购价值总额不低于 20 亿美元的射频前端部件,这也为高通发展射频业务提供了良好的助力和窗口。

3)高通:第三方 SOC 龙头,射频前端业务发展顺利

高通公司(Qualcomm Inc.)成立于 1985 年,总部设于加州圣地牙哥,是行业领先的无线电通信技术公司。业务包 括芯片硬件(QCT,Qualcomm CDMA Technologies)、专利授权(QTL,Qualcomm Technology Licensing)两部 分。其中芯片硬件业务包括移动设备 SoC 芯片、基带芯片、射频前端芯片等。从收入结构看来看,2020 年芯片硬 件业务收入占比为 69%,专利授权收入占比 31%;但是由于 QTL 专利授权业务毛利率更高,QTL 占 EBT 的 54%。手机制造商必须与高通签订交叉授权协议,并按出厂价格交纳 3%-5%的专利费。手机品牌即使采用其他厂家芯片, 仍需与高通签订专利授权协议,对相关通信专利池和授权协议付费。

高通近年来面临全球多个地区的反垄断诉讼。 例如 2015 年因违反中国反垄断法被罚款 61 亿人民币,同时修改在中 国销售的设备的专利授权费——基于 65%的出厂价来计算专利授权费。2017 年开始,高通与苹果开始长达两年的诉 讼。苹果虽然自己设计处理器芯片,但基带芯片全部外购。假设每一部 iPhone 都要向高通缴纳 20 美元的专利授权, 苹果每年须付出 40 亿美元以上的费用。苹果认为高通以出厂价格来衡量专利授权不合理,会征收其他先进技术带来 的附加价值,因此必须降低专利费用。另一方面,苹果试图摆脱高通基带芯片的垄断,从 iPhone7 开始,部分采用 英特尔的基带芯片;在 iPhoneXs 系列,甚至让英特尔成为独家供应商。2019 年 4 月,因苹果供应商英特尔的 5G 芯片迟迟未能推出,苹果与高通达成和解。

手机行业的繁荣是 3G/4G 时代高通业绩增长的重要原因。 3G/4G 快速渗透期(2005-2014 财年),高通收入从 458 亿元增长到 1629 亿元,复合增速达到 15%,同期全球手机出货量复合增速为 9%,ASP 也乘智能手机东风快速增 长。2014-2017 财年,由于手机出货量接近瓶颈、行业竞争日益激烈,通过公司面临与苹果的反垄断诉讼纠纷,苹 果拒绝支付专利授权费,高通的专利授权业务收入萎缩。

5G 驱动高通业绩重回增长。 随着 5G 渗透率提升、苹果业务恢复,2019 财年公司实现收入 1716 亿元,同比增长 7.4%;实现净利润 310 亿元,同比扭亏。FY2020~2021Q3 公司业绩受到全球疫情影响,随着智能手机行业而现疲软。

高通通过与 TDK 合作进军射频前端市场,产品线丰富。 2014 年高通就曾推出射频前端解决方案——RF360,2017 年 2 月高通与 TDK 合资成立 RF360,将高通的射频天线技术与 TDK 的射频前端技术结合,合资公司拥有完整的滤 波器产品线,拥有体声波(BAW)、表面声波(SAW)、温度补偿表面声波(TC-SAW)以及薄膜式表面声波(Thin Film SAW)滤波器技术,并于 2017 年推出 GaAs PA。2019 年高通以 31 亿美元收购 RF360 全部股份。

与 SoC 芯片协同营销,市场份额快速提升。 高通 SoC 极具市场竞争力,小米、OPPO、VIVO 等厂商都会把高通新 款 SoC 芯片作为手机卖点,通过将基带与射频前端的绑定营销,2018 年高通在全球射频前端市场份额快速提升到 14%。高通曾经通过将 AP 与基带打包成 SoC,提升了芯片的价值量;未来也有可能延伸到射频前端、天线领域, 为客户提供一站式解决方案。

目前毫米波 AiP 市场主要由高通占据,未来将主要由基带厂商垄断。 目前高通在毫米波 AiP 模块市场占据主导地位, 三星、联发科、紫光展锐、苹果等厂商紧随其后、预计未来份额将逐渐提升。

2、国内厂商市占率不足 10%,四大因素驱动射频前端国产化浪潮涌来

(1)国内厂商以单一器件为主,市占率不足 10% 国内射频前端厂商众多,但是以低价值量的单一分立器件或者低集成度模组产品为主 不同器件的国产化率由高到低 分别为:开关、低噪声放大器 LNA、功率放大器 PA、SAW 滤波器、BAW 滤波器。

开关/LNA:技术难度低、国产化率相对高,卓胜微目前已经占据了全球射频开关(包含 Switch 和 Tuner,分立 式及模组中的开关)约 15%市场份额,国内唯捷创芯、飞骧科技、韦尔股份、迦美信芯等厂商也具备开关生产 能力,综合国产占比约 20%。LNA 市场规模占比也相对较高,国内厂商份额接近 15%。

PA:采用化合物半导体工艺,国内厂商大多采用 Fabless 模式,厂商众多,但同质化比较严重,盈利能力较差。目前龙头厂商如唯捷创芯、已经开始量产 5G 产品,国内厂商份额约 10%。

SAW 滤波器:日本龙头厂商采用 IDM 模式封锁工艺壁垒,国内厂商普遍通过自建产线的方式发展,资本投入 高,需要 know-how 积累,国产厂商的进度较慢,国内厂商份额约 3%。

BAW 滤波器:壁垒最高,工艺流程比 SAW 滤波器更加复杂,而且海外龙头 Broadcom、Qorvo 等进行了完善 的专利布局,国内突破的难度大,目前国内厂商份额约等于 0。

从产品线布局来看,目前卓胜微的产品线布局相对领先 。卓胜微上市时间领先同行,通过 IPO 及定增募集资金投入 SAW 滤波器、PA 这两个重要产品线的研发,目前前期的投入已经出现成效,目前已经布局了除 BAW 滤波器之外的 全部产品线。除了卓胜微之外,其他厂商主要还局限于主营业务中,比如已披露招股书的 PA 龙头唯捷创芯、滤波器 龙头好达电子。

国内公司的研发投入与海外龙头仍有差距。 2020 卓胜微研发投入为 1.82 亿元,研发支出收入占比为 7%。根据海外 龙头年报,2020 年 Skyworks 与 Qorvo 研发支出高达 4.6 亿、5.7 亿美元,收入占比为 13.8%、14.2%,两者皆高 于卓胜微。2018-2020 年卓胜微研发人员数量从 70 人增长到 202 人,研发人员人数占比从 54%提升到 73%。但是 和海外公司相比,公司研发人员数量依然有很大的差距,海外龙头 Skyworks、Qorvo 分别拥有研发人员 10000、 8400 人。

(2)驱动因素 1:终端厂商关注自主可控和成本控制

中美贸易摩擦引起了国内终端厂商对关键器件自制可控的重视,射频前端及存储器最为紧迫。 尤其是 H 客户在过去 几年大力扶持国内厂商,从华为 Mate 系列机型可观察到,存储器和射频前端是最受制于人的器件,Mate 30 首发版 用了美企 Skyworks 和 Qorvo 的射频前端模组,虽然后续机型开始部分采用日企 Murata、海思自研的模组,但 5G 射频前端模组依然采用美企高通的产品。

中美贸易摩擦后国内 H 客户的射频前端国产化意志非常强烈,动作迅速。 1)Mate 30 系列换用村田、海思的射频前 端模组;2)自研射频功率放大器,由中国台湾稳懋代工;3)入股国内滤波器厂商无锡好达、德清华莹;4)快速启用国 内卓胜微的开关及 LNA 产品,半年内分立 switch 份额就提升到第一。

除了自主可控的需求,在智能手机市场激烈的竞争下,手机厂亦有低成本需求。 射频前端占整机物料成本约 10%, 且射频前端是 5G 手机物料成本增加的核心,因此低成本的国产射频前端对手机品牌厂具备吸引力,例如卓胜微生 产的部分射频开关价格仅为 Qorvo 的 50-75%,极具性价比。

(3)驱动因素 2:晶圆产能短缺,海外巨头将重心投向高端产品

全球晶圆产能紧缺,国内厂商趁机抢占份额 。5G 渗透率提升期,射频前端用量提升,海外龙头将重心转向高价值模 组及器件(主集模组如 PAMID、FEMID,高端 SAW/BAW 滤波器等),为国内厂商进军低端器件(如开关,接收模 组如 LFEM、DIFEM)带来好时机。

海外龙头面临产能紧缺,逐渐退出中低端市场。 Skyworks 与 Qorvo 在 2021 全年都将面临产能供不应求,Skyworks 的策略是全力保障核心大客户苹果的产品供应,安卓客户如 OPPO、VIVO 面临供应不足,2021 年上半年将部分订 单转向国内厂商卓胜微等;Qorvo 虽然具备齐全的产线,但由于产能紧缺,只能全力保障发射模组,让出部分接收 模组及分立器件市场。

5G 渗透期国内厂商份额将快速提升,5G 相关产品逐渐量产。 5G 接收模组与发射模组是新增市场,且技术难度低 于 4G 模组,对国内厂商来说切入的难度较小,如卓胜微等厂商已在 5G 接收模组 LFEM 市场占据较高份额,慧智微 的 5G 主集收发模组已经用在 OPPO K7x 上。

(4)驱动因素 3:迎来密集融资潮,资本优势凸显

科创板的推出为射频前端厂商带来密集融资潮。射频前端的前期投入很大,产线建设、研发投入金额高,且最终成 果的不确定性很高。过去几十年国内射频前端厂商得到的资本支持力度小,发展速度也较慢。2019 年科创板推出后, 卓胜微成为国内射频前端上市第一股,其他规模较小的射频前端企业也在一级市场获得了大量的融资机会, 例如小 米旗下基金陆续投资了国内射频前端企业昂瑞微、好达电子、芯百特、深圳国人、翱捷科技、唯捷创芯等,华为旗 下基金陆续投资了德清华莹、昂瑞微、好达电子等 ,OPPO、VIVO 也投资了国内射频前端龙头企业唯捷创芯。

(5)驱动因素 4:5G 模组难度降低,带来弯道超车机会

根据第三章的论述,滤波器是射频前端的关键器件,是限制国产厂商从低端分立器件走向中高端模组的关键。4G 频 段使用的滤波器壁垒极高,主要使用 SAW 滤波器、BAW 滤波器,主流厂商采用 IDM 模式封锁设计和工艺,因此技 术难度很大,目前仅有 Broadcom、村田、Qorvo、RF360(高通)这少数几家海外厂商具备量产能力 ,国内厂商 和他们的技术差距很大。

5G(Sub 6GHz)主要采用 LTCC/IPD 滤波器,难度低于 4G 频段的 SAW/BAW 滤波器。由于 5G 采用大带宽、时 分系统,5G 主流频段 N77、N78、N79 频谱密集程度低于 4G,不需要 FDD 系统下的极高收发抑制。4G 大多采用 SAW/TC-SAW/BAW 滤波器,而 5G 的 N77、N78、N79 频段滤波器主流工艺将是难度更低的 LTCC/IPD,国内有几 十家厂商具备生产能力。

国内很多厂商目前已具备 5G 模组生产能力。例如卓胜微的 5G 接收端模组 LFEM 已经大规模量产,2021 年中报公 布 5G 主集收发模组 L-PAMiF;2020 年飞骧科技发布完整的 5G 射频前端方案,产品包含接收端模组 LPAMiF、 LFEM、以及主收发模组 PAMiF;芯朴科技具备 N77&N79 PAMiF 生产能力;慧智微的 N77&N79 主收发模组 PAMiD 已量产,用在 OPPO K7x 中。

(6)产品拓展逻辑:单一器件>5G 模组>4G 接收模组>4G 主集模组

未来两三年 5G 模组、WiFi6 模组是国内厂商主要增长点。 前文已经叙述过,由于滤波器难度的降低,5G 及 WiFi6 模组的难度大幅低于 4G 模组,国内厂商基于自身优势拓展新产品。

5G 分集接收模组 LFEM:开关龙头卓胜微具备优势。 根据第三章对于不同类型模组核心技术的论述,LFEM 模组以 SOI 技术(即射频开关、LNA)为核心,射频开 关龙头卓胜微具备先天优势,前期在射频开关产品上积累的成本、客户、性能优势可以在 5G LFEM 上复制。卓 胜微从 2020 年下半年开始切入 5G LFEM 模组市场,在大客户中份额迅速提升,预计 2021 年就将占据 30%以 上市场份额。

5G 主集收发模组 PAMiF 或 LPAMiF:PA 龙头唯捷创芯、慧智微、飞骧科技、紫光展锐等具备优势 LPAMiF 。主要由 PA、LTCC/IPD 滤波器、LNA 组成,PA 是核心器件,因为 PA 龙头具备先天优势。与 4G 相比, 5G 的传输带宽更宽,对 PA 的性能要求更高,国内 PA 厂商大多具备十年左右的研发经验积累,龙头厂商唯捷 创芯、慧智微、飞骧科技、紫光展锐等都已经具备 5G PA 及 5G LPAMiF 的生产能力,例如 2020 年飞骧科技发 布完整的 5G 射频前端方案,产品包含接收端模组 LFEM、以及主收发模组 PAMiF;芯朴科技具备 N77&N79 PAMiF 生产能力;慧智微的 N77&N79 主收发模组 PAMiD 已量产,用在 OPPO K7x 中。

WiFi6 FEM:PA 龙头唯捷创芯、慧智微、飞骧科技、紫光展锐、卓胜微,以及 WiFi FEM 厂商立积电子、康希 通信等具备优势。 WiFi FEM 的核心器件是 PA,因此 PA 厂商也纷纷开始拓展 WiFi FEM 业务,例如根据唯捷创芯 2021 年 6 月公 布的招股书,公司 WiFi6 FEM 已经量产;慧智微 2020 年发布 WiFi FEM 产品-S1102 和 S3217 模组。除了 PA 厂商,传统路由器 WiFi FEM 厂商也往手机 WiFi 业务拓展,例如中国台湾厂商康希通信 2020 年 2 月实现 国内首颗 WiFi6 FEM 芯片客户送样,并多次进行技术迭代,2020 年下半年 WiFi6 FEM 芯片已量产。

4G 分集接收模组 DiFEM:难点是 SAW 滤波器,未来两年卓胜微份额有望提升。 DiFEM 主要由 SAW 滤波器、Switch 组成,国内厂商的难点在于 SAW 滤波器,目前国内厂商的 SAW 滤波器与 海外差距较大。目前国内厂商卓胜微已经实现 DiFEM 模组的小规模量产,2022 年随着卓胜微自建 SAW 滤波器 产线量产,DiFEM 份额有望继续提升。

4G 主集收发模组 PAMID 或 FEMID:难点是 SAW/BAW 滤波器及 PA 的融合,长期来看,具备完整产品线的 公司有望切入。 4G 收发模组 PAMID 主要由滤波器、Switch、LNA 组成,集成度很高,一部手机一般用到 2 颗 PAMID 模组— 低频、中高频,其中中高频 PAMID 采用 SAW 滤波器,高频 PAMID 还需要用到 BAW 滤波器。4G PAMID 模组对国内厂商的滤波器、PA 能力提出很高的要求,短期内依然将是海外厂商主导,是国内厂商的 长期成长点

3、细分赛道的国产化现状及机遇分析

(1)滤波器:国内 SAW/BAW 滤波器市占率低,大客户支持下有望提升份额

滤波器主要分为表面声波 SAW 系列(普通 SAW/TC-SAW/TF-SAW)、体声波 BAW 系列(BAW/FBAR/XBAW)、 LTCC、IPD 四种。

高端滤波器主要是指 SAW 和 BAW 滤波器,采用半导体工艺,主要应用于 3GHz 以下频段,即 3G/4G/5G 的低频 (LB)和中高频(MHB),是目前智能手机的主流滤波器。LTCC 和 IPD 滤波器的技术难度相对较低,是 5G 主流频 段,即超高频(UHB, N77、N79)的主流滤波器方案。

普通 SAW:接收端(RX)、部分发射端(TX)端的中低频段;BAW:主要应用于 4G 高频段;TC-SAW 和 TF-SAW:覆盖了发射端(TX)高中低频段,但在部分频段性能劣于 BAW;TF-SAW 已经在发射 端(TX)高频段与 BAW 竞争,性能可媲美 BAW;LTCC 和 IPD:应用于 5G 超高频。

SAW 系列滤波器(表面声波,Surface Acoustic Wave):主要运用于 2.5GHz 以下的 2G/3G/4G/5G 低频段 。普通 SAW 滤波器结构上由压电材料和 2 个换能器(Interdigital Transducers,IDT)组成。原理是电信号传输到滤波 器的一端,此端 IDT 将信号转换为声能,并将其作为表面声波发送到基板上,然后声波被另一个 IDT 转换回电信号。普通 SAW 滤波器的优点是成本低,技术成熟且产品一致性高,不足之处是对温度变化敏感,性能会随着温度升高而 变差,工作频率上限是 2.7GHz。

TC-SAW(TC 为 Temperature Compensated,温度补偿)是改进温度敏感性的方案,在 SAW 滤波器的 IDT 上涂 上特殊涂层改善温度性能,此方案的缺点是成本高。TF-SAW(TF 为 Low cost &Temperature compensated)是一种新兴的技术,与普通 SAW 相比能提供更大的带 宽、良好的温度补偿性能,同时成本低于 BAW 滤波器。

BAW 系列(体声波,Bulk Acoustic Wave)滤波器:适合 2.5GHz 以上的 4G/5G 高频段。

结构上使用石英晶体作为压电基板,顶部和底部带有金属贴片。原理是顶部和底部的金属片激发声波,和 SAW 滤波 器的区别是声波以垂直方式传播,而 SAW 滤波器则是水平传播。BAW 适合高频通信,具备对温度敏感性低、低损耗、带外衰减大、工作频率高等特点,体积随频率增大而减小。不足之处在于成本高,制造工艺比 SAW 滤波器复杂很多,量产一致性较低。

FBAR(薄膜腔声谐振,Film Bulk Acoustic Resonator)滤波器的特点是高频性能更好、更易于集成化。基于体声 波的谐振技术,利用压电薄膜的逆压电效应将电信号转换成声波,从而形成谐振。特点在于高频性能更好、适用带 宽更宽,同时是目前唯一可以与 RFIC 和 MMIC 集成的射频滤波器解决方案。

LTCC(低温共烧陶瓷,Low Temperature Co-fired Ceramic)滤波器:适合高频、宽频带,可以满足 Sub-6GHz 及毫米波频段应用,现已成为 Sub-6GHz 手机滤波器的主流解决方案。

主要有两种结构,一种是采用传统的 LC 谐振单元结构,谐振单元由集总参数的电容电感组成;另一种是采用多层耦 合带状线结构。原理是将电容和电感通过 LTCC 多层陶瓷集成在陶瓷基板内部。LTCC 内埋植电容的设计有两种方 式:垂直交指型(VIC)电容和金属-介质-金属(MIM)电容。在相同电容量的情况下,VIC 结构电容相比 MIM 结构 电容能够减小端电极面积,有效减小滤波器尺寸。

优点是成本低、产能足、尺寸小、抗电磁干扰强、不必另加封装,同时还带有优良的高频、高速传输以及宽通带的 特性,可以满足 Sub-6GHz 中的频段 n77、n78、n79 及毫米波频段应用。与 SAW 滤波器相比,LTCC 具备更高的 功率处理能力,正好满足 5G sub-6 标准中 HPUE 的要求。

IPD(无源集成器件,Integrated Passive Devices)滤波器:适合高频、宽频带,可以满足 Sub-6GHz 及毫米波 频段应用。特点是高度集成化,硅基 IPD 滤波器可以与其他芯片进行 SiP 封装。 根据卓胜微公告,IPD 滤波器具有设计堆叠体积小、调试灵活、成本低、产能充足等多重优势,同时在插入损耗、 带外衰减、温度漂移、功率容量特性等性能方面均有较好表现。

(2)PA:国内龙头盈利能力较弱,拓展 5G 及 WiFi 模组有望提升盈利能力

1)GaAs 代工业逐渐成熟

功率放大器主要工艺有 CMOS、GaAs、GaN,2G 手机 PA 曾采用 CMOS 工艺,3G/4G/5G PA 手机 PA 主要采用 GaAs 工艺,军工或基站端 PA 主要采用 GaN 工艺。

CMOS(2G 手机 PA) :CMOS 具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等众多优点,是集成电路芯片 制备的主流技术。CMOS 工艺的优势在于可以将射频、基频与存储器等组件合而为一的高整合度,并同时降低 组件成本。

GaAs(3G/4G/5G 手机 PA): GaAs 的电子迁移速率较好,适合用于长距离、长通信时间的高频电路。GaAs 元件因电子迁移速率比 Si 高很多,目前为 HBT(异质接面双载子晶体管)。GaAs 需要采用磊晶技术制造,这 种磊晶圆的直径通常为 4-6 英寸,比硅晶圆的 12 英寸要小得多。所以磊晶圆需要特殊的机台,同时砷化镓原材 料成本高出硅很多,最终导致 GaAs 成品 IC 成本比较高。

GaAs 在 PA 等射频器件中广泛应用,5G 驱动市场规模持续增长 。GaAs 属于第二代化合物半导体,主要应用于射 频 PA、光电子领域。随着 5G 在手机等终端中渗透率提升,射频 GaAs 器件市场规模不断增长,2019 年射频 GaAs 器件市场规模为 100 亿美元,2023 年将增至 175 亿美元。

目前 GaAs PA 行业为 IDM 寡头垄断格局,代工仅占 10%。 GaAs 射频器件的 CR3 高达 90%,主要被美国三大射 频前端 IDM 龙头 Skyworks、Qorvo、Broadcom 垄断。除了美系三大巨头,高通、村田、国内厂商大多采用 Fabless 模式,通过代工生产 PA 产品,目前 Fabless 厂商在 PA 市场的占比较低。

2)国内 PA 厂商竞争激烈,蓄力拓展高毛利的 5G 产品

村田、高通及国产厂商通过 Fabless 模式切入 PA 市场。虽然目前海外射频龙头依旧采取 IDM 模式为主,但随着中国台 湾稳懋等厂商引领的代工业务逐渐成熟,Fabless+Foundry 模式的兴起为其他厂带来机遇。

国内 PA 厂商受到终端客户入股支持。 小米系基金投资了 PA 厂商昂瑞微、唯捷创芯、芯百特等,华为旗下基金也投 资了昂瑞微、唯捷创芯,OPPO、VIVO 投资了国内 PA 龙头唯捷创芯。

近两年国产公司向高价值的 5G PA 及模组进军,同时发展 WiFi FEM。 随着 5G 渗透,部分龙头厂商已经具备 5G PA、5G 收发模组的生产能力,5G 产品的价值量、竞争格局显著高于 4G 产品,根据唯捷创芯招股书披露,2018- 2020 年公司 PA 模组单价分别为 2.94 元/颗、 2.89 元/颗以及 3.07 元/颗,其中公司 5G PA 模组的定价超过 5 元/颗。目前国内龙头厂商已经开始量产 5G PA 模组,甚至切入 5G 发射模组。如慧智微生产的 5G L-PAMiF 射频前端模组 S55255,可以实现 5G 新频段 n77/78/79,该产品已经在 OPPO K7x 上应用。由于 PA 是 WiFi FEM 的核心器件, 随着 WiFi5、WiFi6 的逐渐成熟,WiFi FEM 市场空间不断扩大,国内 PA 厂商也开始切入 WiFi FEM 市场。

2021-2023 年国内 PA 龙头的发展重点是实现 5G PA 及模组的大规模量产。长期来看,随着 PA 龙头陆续上市获得 资本实力,未来有望发展滤波器产品,实现滤波器与 PA 产品的融合。

(3)开关/LNA:技术壁垒相对较低,国产化率较高

1)开关/LNA 的主流工艺是 SOI,主要采用 Fabless 模式

射频开关分为传导开关(Switch)和天线调谐开关(Tuner)两种,天线调谐开关(Tuner)的技术难度高于传导开 关(Switch),因为 Tuner 有着极高的耐压要求,同时导通电阻和关断电容对性能影响极大,由此对产品提出了更高 的设计和工艺要求。

Switch 和 Tuner 都以 CMOS-SOI 为主流工艺。 SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上的硅)属于特殊工艺,指顶 层硅和背衬底之间引入一层埋氧化层。与普通的 Si 基半导体相比,SOI 工艺具有易提升时脉、耗电低、工作温度高 的优点;与化合物半导体工艺相比,SOI 工艺易于集成化。目前在射频开关市场中,CMOS 技术亦占据少量份额, GaAs 技术已经面临淘汰。

2)壁垒相对较低,国内龙头迅速发展

射频开关与 LNA 的技术壁垒相对低于滤波器和 PA,竞争厂商众多。 由于模块化趋势,目前过半 Switch 和 LNA 集 成在模组之中。而分立式的 Switch 和 LNA 则主要应用在中低端手机中,市场玩家众多。

在分立式 Switch 市场,主要由卓胜微和 Qorvo 主导 。国内厂商卓胜微的市场份额最高,2018 年已占据全球 33% 份额,2019-2021 年份额仍在快速增长。Qorvo 在 2018 年占据 24%份额,排名第二;国内厂商锐迪科(紫光展锐) 份额也较高,2018 年占据 13%份额,和英飞凌并列排名第三。其他厂商还有立积电子、Skyworks 等,份额较低。

Tuner 全部是分立形式,4G 时代 Qorvo 主导,5G 时代卓胜微等厂商迎头赶上 。2018 年属于 4G 时代,全球 Tuner 市场规模较小,Qorvo 占据 Tuner 市场 68%市场份额,产品品类齐全,下游包含高端机到低端机,在 OEM 中机型 占据很高份额;高通占据 16%份额,客户以三星与 LG 为主;其他厂商包括 Skywoks、英飞凌等。进入 5G 时代以 后,随着 Tuner 市场规模的迅速提升,其他厂商也纷纷入局发力,例如 2019 年卓胜微市场份额快速提升,截止 2021 年已经在 Tuner 市场占据较高份额。

五、投资分析:把握布局齐全产品线的国内龙头,关注细分赛道特色厂商

通过上文的研究,我们认为未来五年内射频前端国产化赛道具备巨大机遇:

其一,重要性和市场规模大。 作为手机的移动通信核心硬件,射频前端性能影响手机通信质量,Bom 成本占比高。同时,5G、WiFi 6 等通信技术升级驱动量价齐升,2019~2025 年全球射频前端将从 185 亿增长到 258 亿美元, CAGR +7%。

其二,终端厂商关注自主可控和成本控制。 中美贸易摩擦引起了国内终端厂商对关键器件自制可控的重视,国内手 机厂通过投资持股等方式支持国内厂商,可以观察到 2018 年后国内射频前端厂商订单量大幅上涨。

其三,晶圆产能短缺,海外巨头将重心投向高端产品。 5G 渗透期,各类射频前端器件面临供不应求,国内厂商得到 发展机会。

其四,迎来密集融资潮,资本优势凸显。 射频前端的前期投入很大,产线建设、研发投入金额高,且最终成果的不 确定性很高。过去几十年国内射频前端厂商得到的资本支持力度小,发展速度也较慢。2019 年以来科创板、国产替 代趋势的确定性吸引了资本涌入,带动行业快速发展。

其五,5G 模组难度降低,带来弯道超车机会。 根据第三章的论述,滤波器是射频前端的关键器件,是限制国产厂商 从低端分立器件走向中高端模组的关键。5G(Sub 6GHz)主要采用 LTCC/IPD 滤波器,难度低于 4G 频段的 SAW/BAW 滤波器。同时 5G 模组的频段数量、电路复杂度也低于 4G 模组,国内很多厂商目前已具备 5G 模组生产 能力。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议)

文琳编辑

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