5G時代，智能手機將采用2發(fā)射4接收方案，未來有望演進(jìn)為8接收方案。功率放大器（PA）是一部手機最關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。5G將帶動智能移動終端、基站端及IOT設(shè)備射頻PA穩(wěn)健增長。功率放大器市場增長相對穩(wěn)健，復(fù)合年增長率為7%，將從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元。高端LTE功率放大器市場的增長，尤其是高頻和超高頻，將彌補2G/3G市場的萎縮。

1 5G智能移動終端，射頻PA的大機遇

1.1 5G推動手機射頻PA 量價齊升

無論是在基站端還是設(shè)備終端，5G給供應(yīng)商帶來的挑戰(zhàn)都首先體現(xiàn)在射頻方面，因為這是設(shè)備“上”網(wǎng)的關(guān)鍵出入口，即將到來的5G手機將會面臨更多頻段的支持、不同的調(diào)制方向、信號路由的選擇、開關(guān)速度的變化等多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)外，也會帶來相應(yīng)市場機遇。

5G將給天線數(shù)量、射頻前端模塊價值量帶來翻倍增長。以5G手機為例，單部手機的射頻半導(dǎo)體用量達(dá)到25美金，相比4G手機近乎翻倍增長。其中濾波器從40個增加至70個，頻帶從15個增加至30 個，接收機發(fā)射機濾波器從30個增加至75個，射頻開關(guān)從10個增加至30個，載波聚合從5個增加至200個。

5G手機功率放大器（PA）用量翻倍增長：PA是一部手機最關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G 逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5-7顆，預(yù)測5G手機內(nèi)的PA芯片將達(dá)到16 顆之多。

5G手機功率放大器（PA）單機價值量有望達(dá)到7.5美元：同時，PA的單價也有顯著提高，2G手機用PA平均單價為0.3美金，3G手機用PA上升到1.25美金，而全模4G手機PA的消耗則高達(dá)3.25美金，預(yù)計5G手機PA價值量達(dá)到7.5美元以上。

載波聚合與Massivie MIMO對PA 的要求大幅增加。一般情況下，2G只需非常簡單的發(fā)射模塊，3G需要有3G的功率放大器，4G要求更多濾波器和雙工器載波器，載波聚合則需要有與前端配合的多工器，上行載波器的功率放大器又必須重新設(shè)計來滿足線性化的要求。

5G無線通信前端將用到幾十甚至上百個通道，要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者器件供應(yīng)商能夠提供全集成化的解決方案，這大大增加了產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜度，無論對器件解決方案還是設(shè)備解決方案提供商都提出了很大技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.2 GaAs射頻器件仍將主導(dǎo)手機市場

5G時代，GaAs材料適用于移動終端。GaAs材料的電子遷移率是Si的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對Si器件具有高頻、高速的性能，被公認(rèn)為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。在手機無線通信應(yīng)用中，目前射頻功率放大器絕大部分采用GaAs材料。在GSM通信中，國內(nèi)的紫光展銳和漢天下等芯片設(shè)計企業(yè)曾憑借RF CMOS制程的高集成度和低成本的優(yōu)勢，打破了采用國際龍頭廠商采用傳統(tǒng)的GaAs制程完全主導(dǎo)射頻功放的格局。但是到了4G時代，由于Si 材料存在高頻損耗、噪聲大和低輸出功率密度等缺點，RFCMOS已經(jīng)不能滿足要求，手機射頻功放重新回到GaAs制程完全主導(dǎo)的時代。與射頻功放器件依賴于GaAs材料不同，90%的射頻開關(guān)已經(jīng)從傳統(tǒng)的GaAs工藝轉(zhuǎn)向了SOI（Silicon on insulator）工藝，射頻收發(fā)機大多數(shù)也已采用RFCMOS制程，從而滿足不斷提高的集成度需求。

5G時代，GaN材料適用于基站端。在宏基站應(yīng)用中，GaN材料憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢，正在逐漸取代SiLDMOS；在微基站中，未來一段時間內(nèi)仍然以GaAs PA件為主，因其目前具備經(jīng)市場驗證的可靠性和高性價比的優(yōu)勢，但隨著器件成本的降低和技術(shù)的提高，GaN PA有望在微基站應(yīng)用在分得一杯羹；在移動終端中，因高成本和高供電電壓，GaN PA短期內(nèi)也無法撼動GaAs PA的統(tǒng)治地位。

全球GaAs射頻器件被國際巨頭壟斷。全球GaAs射頻器件市場以IDM模式為主，主要廠商有美國Skyworks、Qorvo、Broadcom，日本村田等。三家合計占有全球66%的份額，Skyworks和Qorvo更是處于全球遙遙領(lǐng)先的位置。2017年GaAs晶圓代工市場，臺灣穩(wěn)懋（Win Semi）獨占全球72.7%的市場份額，是全球第一大GaAs晶圓代工廠。

1.3 5G設(shè)備射頻前端模組化趨勢明顯，SIP 大有可為

5G將重新定義射頻（RF）前端在網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器之間的交互。新的RF 頻段（如3GPP在R15中所定義的sub-6GHz和毫米波（mm-wave）給產(chǎn)業(yè)界帶來了巨大挑戰(zhàn)。

LTE的發(fā)展，尤其是載波聚合技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致當(dāng)今智能手機中的復(fù)雜架構(gòu)。同時，RF電路板和可用天線空間減少帶來的密集化趨勢，使越來越多的手持設(shè)備OEM廠商采用功率放大器模塊并應(yīng)用新技術(shù)，如LTE和WiFi之間的天線共享。

在低頻頻段，所包含的600MHz頻段將為低頻段天線設(shè)計和天線調(diào)諧器帶來新的挑戰(zhàn)。隨著新的超高頻率（N77、N78、N79）無線電頻段發(fā)布，5G將帶來更高的復(fù)雜性。具有雙連接的頻段重新分配（早期頻段包括N41、N71、N28 和N66，未來還有更多），也將增加對前端的限制。毫米波頻譜中的5G NR無法提供5G關(guān)鍵USP的多千兆位速度，因此需要在前端模組中具有更高密度，以實現(xiàn)新頻段集成。

5G手機需要4X4 MIMO應(yīng)用，這將在手機中增加大量RF流。結(jié)合載波聚合要求，將導(dǎo)致更復(fù)雜的天線調(diào)諧器和多路復(fù)用器。

RF系統(tǒng)級封裝（SiP）市場可分為一級和二級SiP封裝：各種RF器件的一級封裝，如芯片/晶圓級濾波器、開關(guān)和放大器（包括RDL、RSV和/或凸點步驟）；在表面貼裝（SMT）階段進(jìn)行的二級SiP封裝，其中各種器件與無源器件一起組裝在SiP基板上。2018年，射頻前端模組SiP市場（包括一級和二級封裝）總規(guī)模為33億美元，預(yù)計2018~2023年期間的復(fù)合年均增長率（CAGR）將達(dá)到11.3%，市場規(guī)模到2023 年將增長至53 億美元。

預(yù)測2023年，PAMiD SiP組裝預(yù)計將占RFSiP市場總營收的39%。2018 年，晶圓級封裝大約占RF SiP組裝市場總量的9%。移動領(lǐng)域各種射頻前端模組的SiP市場，包括：PAMiD（帶集成雙工器的功率放大器模塊）、PAM（功率放大器模塊）、Rx DM（接收分集模塊）、ASM（開關(guān)復(fù)用器、天線開關(guān)模塊）、天線耦合器（多路復(fù)用器）、LMM（低噪聲放大器-多路復(fù)用器模塊）、MMMB Pa（多模、多頻帶功率放大器）和毫米波前端模組。

MEMS預(yù)測，到2023年，用于蜂窩和連接的射頻前端SiP市場將分別占SiP 市場總量的82%和18%。按蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)，支持5G（sub-6GHz 和毫米波）的前端模組將占到2023年RF SiP市場總量的28%。高端智能手機將貢獻(xiàn)射頻前端模組SiP組裝市場的43%，其次是低端智能手機（35%）和奢華智能手機（13%）。

2 5G基站，PA數(shù)倍增長，GaN大有可為

2.1 5G基站，射頻PA需求大幅增長

5G基站PA數(shù)量有望增長16倍。4G 基站采用4T4R方案，按照三個扇區(qū)，對應(yīng)的PA需求量為12個，5G基站，預(yù)計64T64R將成為主流方案，對應(yīng)的PA需求量高達(dá)192個，PA數(shù)量將大幅增長。

5G基站射頻PA有望量價齊升。目前基站用功率放大器主要為基于硅的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體LDMOS技術(shù)，不過LDMOS技術(shù)僅適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。對于5G 基站PA的一些要求可能包括3~6GHz和24GHz~40GHz的運行頻率，RF功率在0.2W~30W之間，預(yù)計5G基站GaN射頻PA將逐漸成為主導(dǎo)技術(shù)，而GaN價格高于LDMOS和GaAs。

GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性。提高功率放大器RF功率的最簡單的方式就是增加電壓，這讓氮化鎵晶體管技術(shù)極具吸引力。如果我們對比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會發(fā)現(xiàn)功率通常會如何隨著高工作電壓IC技術(shù)而提高。硅鍺(SiGe)技術(shù)采用相對較低的工作電壓（2V至3V），但其集成優(yōu)勢非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5V至7V的工作電壓，多年來一直廣泛應(yīng)用于功率放大器。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。新興GaN技術(shù)的工作電壓為28V至50V，優(yōu)勢在于更高功率密度及更高截止頻率(CutoffFrequency，輸出訊號功率超出或低于傳導(dǎo)頻率時輸出訊號功率的頻率)，擁有低損耗、高熱傳導(dǎo)基板，開啟了一系列全新的可能應(yīng)用，尤其在5G多輸入輸出(Massive MIMO)應(yīng)用中，可實現(xiàn)高整合性解決方案。

典型的GaN射頻器件的加工工藝，主要包括如下環(huán)節(jié)：外延生長-器件隔離-歐姆接觸（制作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-襯底減薄-襯底通孔等環(huán)節(jié)。

GaN材料已成為基站PA的有力候選技術(shù)。GaN是極穩(wěn)定的化合物，具有強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中電離度是最高的、化學(xué)穩(wěn)定性好，使得GaN器件比Si和GaAs有更強抗輻照能力，同時GaN又是高熔點材料，熱傳導(dǎo)率高，GaN功率器件通常采用熱傳導(dǎo)率更優(yōu)的SiC做襯底，因此GaN功率器件具有較高的結(jié)溫，能在高溫環(huán)境下工作。GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）憑借其固有的高擊穿電壓、高功率密度、大帶寬和高效率，已成為基站PA的有力候選技術(shù)。

GaN射頻器件更能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求。相較于基于Si的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（Si LDMOS，LateralDouble-diffused Metal-oxide Semiconductor）和GaAs，在基站端GaN射頻器件更能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求。目前針對3G和LTE基站市場的功率放大器主要有Si LDMOS和GaAs兩種，但LDMOS功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內(nèi)有效，而GaAs功率放大器雖然能滿足高頻通信的需求，但其輸出功率比GaN器件遜色很多。在5G高集成的Massive MIMO應(yīng)用中，它可實現(xiàn)高集成化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。

在毫米波應(yīng)用上，GaN的高功率密度特性在實現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸。實現(xiàn)性能成本的最優(yōu)化組合。隨著5G時代的到來，小基站及Massive MIMO的飛速發(fā)展，會對集成度要求越來越高，GaN自有的先天優(yōu)勢會加速功率器件集成化的進(jìn)程。5G會帶動GaN這一產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。然而，在移動終端領(lǐng)域GaN射頻器件尚未開始規(guī)模應(yīng)用，原因在于較高的生產(chǎn)成本和供電電壓。GaN將在高功率，高頻率射頻市場發(fā)揮重要作用。

2.2 GaN射頻PA有望成為5G基站主流技術(shù)

預(yù)測未來大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用GaN器件，小基站GaAs優(yōu)勢更明顯。就電信市場而言，得益于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益臨近，將從2019年開始為GaN器件帶來巨大的市場機遇。相比現(xiàn)有的硅LDMOS（橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)）和GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實現(xiàn)多頻帶載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場效晶體管）已經(jīng)成為未來宏基站功率放大器的候選技術(shù)。由于LDMOS無法再支持更高的頻率，GaAs也不再是高功率應(yīng)用的最優(yōu)方案，預(yù)計未來大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用GaN器件。5G網(wǎng)絡(luò)采用的頻段更高，穿透力與覆蓋范圍將比4G 更差，因此小基站（small cell）將在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演很重要的角色。不過，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等現(xiàn)有技術(shù)仍有其優(yōu)勢。與此同時，由于更高的頻率降低了每個基站的覆蓋率，因此需要應(yīng)用更多的晶體管，預(yù)計市場出貨量增長速度將加快。

預(yù)計到2025年GaN將主導(dǎo)RF功率器件市場，搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2014年基站RF功率器件市場規(guī)模為11億美元，其中GaN占比11%，而橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)（LDMOS）占比88%。2017年，GaN市場份額預(yù)估增長到了25%，并且預(yù)計將繼續(xù)保持增長。預(yù)計到2025年GaN將主導(dǎo)RF功率器件市場，搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場。

對于既定功率水平，GaN具有體積小的優(yōu)勢。有了更小的器件，則可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設(shè)計變得更加輕松。

氮化鎵基MIMO天線功耗可降低40%。下圖展示的是鍺化硅和氮化鎵的毫米波5G基站MIMO天線方案，左側(cè)展示的是鍺化硅基MIMO天線，它有1024個元件，裸片面積是4096平方毫米，輻射功率是65dbm，與之形成鮮明對比的，是右側(cè)氮化鎵基MIMO天線，盡管價格較高，但功耗降低了40%，裸片面積減少94%。

GaN適用于大規(guī)模MIMO。GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍，能比較好的適用于大規(guī)模MIMO技術(shù)。當(dāng)前的基站技術(shù)涉及具有多達(dá)8個天線的MIMO配置，以通過簡單的波束形成算法來控制信號，但是大規(guī)模MIMO可能需要利用數(shù)百個天線來實現(xiàn)5G所需要的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。大規(guī)模MIMO中使用的耗電量大的有源電子掃描陣列（AESA），需要單獨的PA 來驅(qū)動每個天線元件，這將帶來顯著的尺寸、重量、功率密度和成本（SWaP-C）挑戰(zhàn)。這將始終涉及能夠滿足64個元件和超出MIMO陣列的功率、線性、熱管理和尺寸要求，且在每個發(fā)射/接收（T/R）模塊上偏差最小的射頻PA。

MIMO PA年復(fù)合增長率將達(dá)到135%。預(yù)計2022 年，4G/ 5G基礎(chǔ)設(shè)施用RF 半導(dǎo)體的市場規(guī)模將達(dá)到16億美元，其中，MIMO PA年復(fù)合增長率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長率將達(dá)到119%。

預(yù)計未來5～10年，GaN將成為3W及以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)。根據(jù)Yole預(yù)測，2017年，全球GaN射頻市場規(guī)模約為3.84億美元，在3W以上（不含手機PA）的RF射頻市場的滲透率超過20%。GaN在基站、雷達(dá)和航空應(yīng)用中，正逐步取代LDMOS。隨著數(shù)據(jù)通訊、更高運行頻率和帶寬的要求日益增長，GaN在基站和無線回程中的應(yīng)用持續(xù)攀升。在未來的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，針對載波聚合和大規(guī)模輸入輸出（MIMO）等新技術(shù)，GaN將憑借其高效率和高寬帶性能，相比現(xiàn)有的LDMOS處于更有利的位置。未來5～10年內(nèi)，預(yù)計GaN將逐步取代LDMOS，并逐漸成為3W及以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)。而GaAs將憑借其得到市場驗證的可靠性和性價比，將確保其穩(wěn)定的市場份額。LDMOS的市場份額則會逐步下降，預(yù)測期內(nèi)將降至整體市場規(guī)模的15%左右。

到2023年，GaN RF器件市場規(guī)模達(dá)到13億美元，約占3W以上的RF功率市場的45%。截止2018年底，整個RF GaN市場規(guī)模接近4.85億美元。未來大多數(shù)低于6GHz的宏網(wǎng)絡(luò)單元實施將使用GaN器件，無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用占比將進(jìn)一步提高至近43%。

2.3 RF GaN市場的發(fā)展方向

GaN技術(shù)主要以IDM為主。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，GaN技術(shù)在全球各大洲已經(jīng)普及。市場領(lǐng)先的廠商主要包括Sumitomo Electric 、Wolfspeed（Cree 科銳旗下）、Qorvo，以及美國、歐洲和亞洲的許多其它廠商?；衔锇雽?dǎo)體市場和傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不同。相比傳統(tǒng)硅工藝，GaN技術(shù)的外延工藝要重要的多，會影響其作用區(qū)域的品質(zhì)，對器件的可靠性產(chǎn)生巨大影響。這也是為什么目前市場領(lǐng)先的廠商都具備很強的外延工藝能力，并且為了維護(hù)技術(shù)秘密，都傾向于將這些工藝放在自己內(nèi)部生產(chǎn)。

GaN-on-SiC更具有優(yōu)勢。盡管如此，F(xiàn)abless設(shè)計廠商通過和代工合作伙伴的合作，發(fā)展速度也很快。憑借與代工廠緊密的合作關(guān)系以及銷售渠道，NXP和Ampleon等領(lǐng)先廠商或?qū)⒏淖兪袌龈偁幐窬?。同時，目前市場上還存在兩種技術(shù)的競爭：GaN-on-SiC（碳化硅上氮化鎵）和GaN-on-Silicon（硅上氮化鎵）。它們采用了不同材料的襯底，但是具有相似的特性。理論上，GaN-on-SiC具有更好的性能，而且目前大多數(shù)廠商都采用了該技術(shù)方案。不過，M/A-COM等廠商則在極力推動GaN-on-Silicon技術(shù)的廣泛應(yīng)用。未來誰將主導(dǎo)還言之過早，目前來看，GaN-on-Silicon仍是GaN-on-SiC解決方案的有力挑戰(zhàn)者。

2.4 全球GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈競爭格局

GaN微波射頻器件產(chǎn)品推出速度明顯加快。目前微波射頻領(lǐng)域雖然備受關(guān)注，但是由于技術(shù)水平較高，專利壁壘過大，因此這個領(lǐng)域的公司相比較電力電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域并不算很多，但多數(shù)都具有較強的科研實力和市場運作能力。GaN微波射頻器件的商業(yè)化供應(yīng)發(fā)展迅速。據(jù)材料深一度對Mouser數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示，截至2018年4月，共有4家廠商推出了150個品類的GaN HEMT， 占整個射頻晶體管供應(yīng)品類的9.9%，較1月增長了0.6%。

Qorvo產(chǎn)品工作頻率范圍最大，Skyworks產(chǎn)品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM73%的產(chǎn)品輸出功率集中在10W～100W之間，最大功率達(dá)到1500W（工作頻率在1.0-1.1GHz，由Qorvo生產(chǎn)），采用的技術(shù)主要是GaN/SiC GaN路線。此外，部分企業(yè)提供GaN射頻模組產(chǎn)品，目前有4家企業(yè)對外提供GaN射頻放大器的銷售，其中Qorvo產(chǎn)品工作頻率范圍最大，最大工作頻率可達(dá)到31GHz。Skyworks產(chǎn)品工作頻率較小，主要集中在0.05-1.218GHz之間。

Qorvo射頻放大器的產(chǎn)品類別最多。在我國工信部公布的2個5G工作頻段（3.3-3.6GHz、4.8-5GHz）內(nèi)，Qorvo公司推出的射頻放大器的產(chǎn)品類別最多，最高功率分別高達(dá)100W和 80W（1月份Qorvo在4.8-5GHz的產(chǎn)品最高功率為60W），ADI在4.8-5GHz的產(chǎn)品最高功率提高到50W（之前產(chǎn)品的最高功率不到40W），其他產(chǎn)品的功率大部分在50W以下。