本文來自網(wǎng)上相關資料整理

從現(xiàn)在來看，5G無疑是半導體廠商緊盯的一個市場。

隨著移動設備市場的減速，物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件沒有獲得預期的火爆，無人駕駛汽車的遙遙無期，工業(yè)領域的增長緩慢。在4G上吃到了甜頭的半導體廠商唯有將目光投向了或許在近期內能實現(xiàn)的小目標5G，也就是第五代移動通信。

回顧移動通信的發(fā)展歷程，每一代移動通信系統(tǒng)都可以通過標志性能力指標和核心關鍵技術來定義：

1G采用頻分多址（FDMA），只能提供模擬語音業(yè)務；

2G主要采用時分多址（TDMA），可提供數(shù)字語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務；

3G以碼分多址（CDMA）為技術特征，用戶峰值速率達到2Mbps至數(shù)十Mbps，可以支持多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務；

4G以正交頻分多址（OFDMA）技術為核心，用戶峰值速率可達100Mbps至1Gbps，能夠支持各種移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務。

來到了5G，其關鍵能力比以前幾代移動通信更加豐富，用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都將成為5G的關鍵性能指標。

再加上新興的物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等應用對5G有了更高的需求，于5G設備來說也有了進一步的要求。按高通高級工程主管John Smee所說，5G對電池壽命，可靠性等方面都有了更高的需求。

而根據(jù)市場調研機構ReportsnReports的報告顯示，5G網(wǎng)絡到2025年會產生2500億美元的年營收，這也勢必會給目前正在給近來“苦苦掙扎”的半導體產生帶來一線新的曙光。

挑戰(zhàn)和機遇

雖然業(yè)界對5G 抱有很大的期望，但是對于布置5G網(wǎng)絡，目前還面臨很多的挑戰(zhàn)。例如雖然OEM和芯片廠商都在開發(fā)相關的5G產品，但5G標準尚未確定，這是帶來的第一個挑戰(zhàn)。

其次，行業(yè)內的人都知道，現(xiàn)在的LTE網(wǎng)絡的運行頻率區(qū)間是700MHZ到3.5GHZ，但在5G的時代，除了LTE會持續(xù)存在外，未授權的毫米波頻段（30GHZ到300GHZ之間）也會同時共存，以提高無線數(shù)據(jù)容量。這樣的就會給移動系統(tǒng)和基站系統(tǒng)的處理器、基帶和RF設備帶來了更多的新需求。于RF芯片供應商來說，5G會給他們帶來一種前所未有的新需求，當中就包括了一種叫做毫米波相控陣天線的技術。

這種已經(jīng)應用在太空和軍事的毫米波設備逐漸遷移到了汽車雷達、60GHZ WIFI和將要到來的5G身上。但這并不是簡單的遷移，設計和設計的運行方式甚至毫米波會給廠商帶來新的挑戰(zhàn)。

不但這種芯片的設計會變得很困難，甚至在測試方面也給廠商帶來了新的挑戰(zhàn)。

在NI的一篇文章中有提到，由于這些毫米波的波長都是介乎1到10毫米之間，而廠商為了提高頻譜的利用率，從物理層上探索MIMO、干擾協(xié)調等技術方法，這就會帶來很高的路徑損耗，有些頻段甚至在水蒸氣中也會面臨傳輸損耗的挑戰(zhàn)。另外在密集的城市環(huán)境信道測量中會發(fā)現(xiàn)，那些融合了方向可控制天線波束和網(wǎng)絡拓撲蜂窩系統(tǒng)需要更高的鏈路預算。以上種種都會給測試廠商帶來強大的挑戰(zhàn)。

Skyworks的首席技術官 Peter Gammel,也表示，由于5G的高速率和低延遲，這就對化合物半導體提出了新的需求。

具體到手機、基站、測試和封裝方面，我們可以這樣分析：

（1）基站

5G實際應用中，帶相控陣天線的手機將發(fā)射信號給基站和微蜂窩基站，基站和微蜂窩基站將與相控陣天線對接以實現(xiàn)信號連接。

要實現(xiàn)上述功能，還有一些問題要解決。例如，天氣狀況會影響信號路徑。“在毫米波頻段，由于氧氣和吸收造成的路徑損失會更大，”AnokiwaveCEO Robert Donahue說道，“解決方法是采用波束成型技術。”

Anokiwave有一款被稱為“5G四核”的IC，工作頻率為28GHz，具備相控陣功能。這款IC使用硅鍺工藝，可用于微蜂窩基站等系統(tǒng)。

理論上，這種芯片可與基站通信。與4G不同，4.5G和5G設備必須支持大規(guī)模MIMO技術?；臼褂玫纳漕l功率管一般采用LDMOS工藝，但現(xiàn)在LDMOS工藝正在被氮化鎵（GaN）工藝取代。這是給半導體產業(yè)帶來的第一個挑戰(zhàn)，也是機遇。

 “和LTE-A一樣，5G基礎設施也會移到更高的頻率以拓寬數(shù)據(jù)帶寬，”穩(wěn)懋半導體高級副總裁DavidDanzilio說道，穩(wěn)懋半導體提供GaAs和GaN工藝代工服務。“隨著LTE邁向更高頻率，GaN技術已經(jīng)開始擴大市場份額。”

“GaN是一種寬禁帶材料，”StrategyAnalytics的Higham說，“這意味著GaN能夠耐受更高的電壓，也意味著GaN器件的功率密度和可工作溫度更高。所以，與GaAs和磷化銦（InP）等其他高頻工藝相比，GaN器件輸出的功率更大；與LDMOS和SiC（碳化硅）等其他功率工藝相比，GaN的頻率特性更好。”

將來，5G手機中的PA甚至也可以用GaN來制造。“GaN也會被采用，特別是在高頻率應用。”Qorvo無線基礎設施與產品事業(yè)部總經(jīng)理 SumitTomar說。

軍用手機中已經(jīng)開始使用GaN器件，但普通智能手機用上GaN器件還要等上一段時間，因為只有在低功率GaN工藝上取得突破，GaN器件才能放入智能手機。

（2）手機

4G手機里面的數(shù)字部分包括應用處理器和調制解調器，射頻前端則包括功率放大器（PA）、射頻信號源和模擬開關。功率放大器用于放大手機里的射頻信號，通常采用砷化鎵（GaAs）材料的異質結型晶體管（HBT）技術制造。

未來的5G手機也要有應用處理器和調制解調器。不過與4G系統(tǒng)不同，5G手機還需要相控陣天線。相控陣天線由一組可獨立發(fā)射信號的天線組成，利用波束成型技術，每根相控天線都可以根據(jù)波束來調整方向。

5G智能手機中可能需要16跟天線?！懊扛炀€都有獨立的PA和移相器，并與一個覆蓋整個工作頻率的信號收發(fā)器相連，”Strategy Analytics行業(yè)分析師Chris Taylor說道，“理想的狀況是把天線放在信號收發(fā)器上面，或者與收發(fā)器做在一起，所以信號收發(fā)器要有多個由小的PA組成的發(fā)射通道。所有進出天線的信號都在模擬域處理?！?/span>

毫米波器件設計一個系統(tǒng)非常有挑戰(zhàn)性?！昂芏嗫蛻舨坏P心系統(tǒng)的架構，還想知道究竟用什么技術來具體實現(xiàn)，”GlobalFoundries Rabbeni說道，“這很大程度上取決于系統(tǒng)要集成多少功能，以及如何劃分子系統(tǒng)?！?/span>

 “此外，布局布線對于毫米波的影響很大，”Rabbeni說，“各個部件之間靠得很近以減小損耗。處理毫米波電路不是一件容易事?！?/span>

相控陣器件通常由不同的工藝制造而成，不過現(xiàn)在多數(shù)采用標準CMOS工藝和硅鍺（SiGe）工藝?！霸诤撩撞ㄏ嗫仃?/span>/主動天線應用中，硅鍺工藝已經(jīng)得到了證明?！?/span>TowerJazz高級戰(zhàn)略市場總監(jiān)Amol Kalburge說。

'此外，硅鍺材料可以把先進CMOS工藝和片上無源器件集成在一起，這樣就減小系統(tǒng)級芯片（SoC）的面積以提高集成度，并在成本與性能的平衡上做到更好，”Kalburge說，“我們認為硅鍺材料將在5G射頻前端IC發(fā)揮重大作用，當然也會用到其他三-五價材料?！?/span>

這樣就對就在相關射頻廠商的硅鍺和砷化鎵產品帶來新的挑戰(zhàn)和基于

（3）測試

測試測量大概是5G生產制造流程中最困難的一環(huán)。與4G射頻芯片相比，毫米波的測試測量有明顯區(qū)別。

“現(xiàn)在幾乎所有的射頻芯片測試都是用一根線纜把射頻芯片和測試設備連起來，”NI的Hall說，“采用線纜連接射頻芯片和測試設備是為了避免測試由于路徑損失等原因導致的不確定性?！?/span>

不過藍牙等射頻芯片在測試時，也會進行輻射測量。量產測試時，芯片廠商則會采用相應的自動化測試設備（ATE）來進行測試。

但是，毫米波器件的測試測量完全是另外一回事。例如，相控陣天線可能是綁定在射頻前端器件上?！埃ㄉ漕l前端器件）封裝就把天線包在里面了，”是德科技5G技術架構師Mike Millhaem說，“所以在器件上沒有射頻接口和端子來連接到測試設備上?！?/span>

所以，傳統(tǒng)的采用線纜連接的測試方法對于毫米波不適用。那么，該怎么來測試毫米波器件呢？

每家廠商有不同的測試方案，不過需要把幾臺昂貴的機器組合在一起才能完成對毫米波的測試測量。

這又是一個挑戰(zhàn)。

（4）封裝

軍用毫米波產品大多采用陶瓷或者金屬封裝，這些封裝可靠性很好，但是成本很高。

所以民用市場在考慮采用QFN封裝和多芯片模組，以及其他適合毫米波的先進封裝?！皬S商也在扇出和嵌入式封裝方面進行嘗試?！比赵鹿飧笨偛?/span>Harrison Chang說。

實際上，在毫米波芯片封裝上，封裝工程師必須考慮更多的因素，嘗試更多的方法?！埃ê撩撞ǖ模┥漕l前端要復雜得多，”Chang說，“我們必須保證封裝的結構，例如連線、墊盤（pad）和通孔，使之不會妨礙到芯片上的射頻設計?！?/span>

走在前頭的佼佼者

從上面的描述中，我們可以看到，5G給整個產業(yè)鏈帶來了全新的挑戰(zhàn)，當中有一些提早布局的公司會從中受益。處理器、內存、顯示、電源、連接器這些廠商自然會獲得受益，但一些與5G密切相關的材料、制造、封裝和射頻相關的廠商，從5G獲取的好處是自不然更多的。先說一下射頻方面。

從現(xiàn)在的市場現(xiàn)狀分析，目前全球的RF前端主要被海外巨頭壟斷，市場呈寡頭之勢。如在濾波器領域，日企 Murata、TDK 和 Taiyo Yuden 占據(jù) SAW 雙工器 85%以上。BAW 雙工器市場基本被博通壟斷，博通占據(jù) 87%的市場份額；

功率放大器市場基本被 Skyworks、Qorvo、Broadcom 三家企業(yè)占據(jù)，三家企業(yè)市場份額達 93%；

天線領域市場相對較為分散，也是國內企業(yè)有所參與的領域：華為占據(jù)全球天線市場約23%的市占率，是全球第二大天線供應商。全球最大的天線供應商是 Kathrein，占據(jù) 25%的市場份額（此處僅統(tǒng)計基站天線）；PAmiDs 整合模塊（包括 PA、雙工器和天線開關）環(huán)節(jié)，Skyworks、Qorvo、Broadcom三家企業(yè)占據(jù) 99%的市場份額。

由于篇幅有限，我們不能每個都分析，就從最具代表性的技術和公司進行分析。首先就談一下射頻這塊。

目前，射頻器件中的功率放大器主要采用基于硅的橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)技術。

但是硅基技術在高頻應用領域存在局限性：LDMOS 功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而

大幅減少，LDMOS 僅在不超過約 3.5GHz 的頻率范圍內有效。

隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設備需要支持高頻性能的功率放大器。如今，GaN 是

有可能滿足這些要求的唯一普及的技術：GaN 功率放大器已經(jīng)能處理 50GHz 或以上的毫米

波頻率。另外，GaN 功率放大器支持更高的帶寬，即使在較高的頻率也是如此。雖然目前從

性價比考慮，LDMOS 將仍然會是中低端頻率的主流，但是在在 10GHz 以上的頻段，GaN

的優(yōu)勢非常大。我們認為 5G 時代 GaN 功率放大器將成為超高頻通信領域的首選，Qorvo算是最先切入的廠商之一。

（1）     Qorvo

作為全球知名的射頻方案提供商，Qorvo在5G方面的布局是非常領先的。這首先體現(xiàn)在GaAs器件的布局上。Qorvo表示，由于毫米波的應用。對新型器件就有了強烈的需求，與砷化鎵和硅等材料相比，GaN在有高頻率需求小型基站需求的5G中優(yōu)勢是非常明顯，而5G也會驅動很多技術的進步。

5G演進之路

GaN擁有更高的功率密度，將會帶來小尺寸、低電流損耗和高系統(tǒng)效率等優(yōu)勢。

除了基站外，Qorvo也推動GaN器件在手持設備上的普及。

Qorvo表示，GaN器件一開始是被應用在如軍事雷達等軍事用途，逐漸則被推進到了商業(yè)基站和有線電視中繼等領域，但這些應用的工作電壓基本上都是處于28V到48V之間。但我們知道移動手持設備的工作電壓都是2.7到5V，為了推動這些GaN器件在手機上應用，Qorvo正在應用替代材料，適配相關的電壓。

而Qorvo目前也推出了一些GaN器件，以滿足5G的應用。當中包括了一些高壓低頻率和高頻率的器件。

Qorvo的 GaN路線圖

（2）     英飛凌

介紹英飛凌之前，首先說一下，在今年7月，英飛凌以以8.5億美金的價格將wolfspeed功率和射頻部收歸囊中，其中包括功率碳化硅襯底業(yè)務、射頻和寶石應用。這對其GaN on SiC 射頻解決方案是一個很好的補充。

而據(jù)英飛凌介紹，從之前隸屬于其母公司西門子公司時開始，英飛凌就一直是移動通信中射頻器件的領導者。早在2014年，他們就認識到了使用LTE LNA的必要性并推出業(yè)界第一款產品。如今英飛凌仍然是全球最大的LNA供應商。

此外，英飛凌還引領了LTE射頻前端和天線調諧的性能優(yōu)化，并向客戶提供全新的構架方案和高品質現(xiàn)場支持。展望未來，我們已經(jīng)成為在未來的Pre-5G和5G應用的領先者。

目前英飛凌提供世界一流的 SiGe:C 技術，可使 LNA 具有最低噪聲系數(shù)、最高線性度和最低功耗；130 nm RFCMOS 技術使射頻開關尺寸小巧且插入損耗低；2 層導線架封裝適用于復雜系統(tǒng)，可提供設計靈活性；致力于投資創(chuàng)新技術，已經(jīng)在毫米波應用取得領先。

英飛凌的相關前端產品

（3）  NXP

NXP認為，在向5G演變過程中，需要更高的頻率帶寬，Si LDMOS在目前的網(wǎng)絡中還處于主力位置，但在大雨3.5GHZ之后，GaN和GaAs會成為主力，更大的寄生效應就會引致更高的集成化需求；而MIMO和小型蜂窩則會帶來更低發(fā)射功率的需求，這就要求更低的供電電壓；更小尺寸的PA封裝需求和高集成度；在這過程中也會產生信號帶寬的持續(xù)增長。

而NXP也會做相關的布局，如下圖所示。

（4）  Skyworks

Skyworks的技術方案主管Stephen Kovacic曾表示，5G跟以往標準的不同之處，在于新一代的標準，吸引了Intel和Google這樣的廠商參與到標準的制定中來。他認為5G離普及還有一段很長的路要走。業(yè)界會圍繞空中接口的定義和通信鏈路頻率的不確定性展開討論。他認為對于移動前段來說，將會面臨一個前所未有的挑戰(zhàn)，而這些不會再在系統(tǒng)層級上討論。

他還認為對于前端來說，SiP封裝，會帶來很大的好處。他指出，將基于GaAs HBT

制造的PA和SOI RF開關融合在一起是未來最佳的選擇。而SAW/FBAR濾波器，CMOS的PA控制也是不錯的選擇。

從硬件看，5G提出要全頻段覆，所以景對射頻器件的性能（功率、工作頻率、可靠性等）有極高的要求。 以PA 功率附加效率（PAE）為例，最低要求 60%。 skyworks的 GaAs PA芯片可以做到 78%，而最好的硅基 CMOS 產品僅能做到 57%。

其次是制造。

TowerJazz高級戰(zhàn)略市場總監(jiān)Amol Kalburge表示，“在6GHz頻率以下的應用中，SOI工藝的開關將繼續(xù)是主流，但SOI開關在毫米波頻率的應用研究還不充分，其可發(fā)揮的作用與可能遇到的問題還是個未知數(shù)。波束成型天線可以支持不同的收發(fā)通道，所以在毫米波中有可能不需要天線開關也能實現(xiàn)兩個通道的完全隔離。如果毫米波應用仍然需要模擬開關，現(xiàn)在的SOI工藝開關由于插入損耗高，很有可能不可用。SOI工藝的不足將給MEMS工藝開關或其他新技術帶來機會。”

另外，硅鍺采用8英寸晶圓的標準CMOS制造流程，晶圓代工廠也在持續(xù)提高硅鍺工藝的性能。例如，GlobalFoundries最近推出的130nm硅鍺工藝，其工作頻率最高可達340GHz，比舊工藝提高了25%。此外，TowerJazz最近也推出了130nm硅鍺工藝。

除了GaAs，業(yè)界也在嘗試其他的三五價材料來制造PA，例如硅鍺?！芭c制造PA所使用的其他工藝相比，GaAs在效率、線性度和頻率范圍等方面都有優(yōu)勢，”Strategy Analytics分析師Eric Higham說，“與硅基工藝相比，GaAs工藝的缺點是成本比較高，不易集成?！?/span>

Higham表示，GaAs代工廠大部分還采用4英寸晶圓來生產，但是為了降低成本，很多廠商開始把產線升級到6英寸。

在低頻段，GaAs HBT的柵極長度通常在0.25至0.5微米之間，“要做到毫米波頻率，多數(shù)器件廠商會選用柵極長度在0.1至0.15微米的工藝，”Higham說，“Qorvo推出了90nm的GaAs工藝，不過90nm已經(jīng)是現(xiàn)在量產GaAs工藝的極限尺寸了?！?/span>

至于測試和封裝這個環(huán)節(jié)，未能找到更多的相關介紹資料，希望大家補充。

另外包括但不限于高通、博通、Avago、Intel、展訊、聯(lián)發(fā)科、三星、矽品、日月光、TowerJazz、是德和NI等廠商，還有半導體材料、制造、封裝產業(yè)都是未來5G的重要參與者，受篇幅所限，并沒能一一列出，大家最看好誰成為其中最大的受益者？摩爾精英