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嵌入牛讀指南的射頻前端模塊技術介紹
嵌入式牛鼻射頻前端？過濾器？
中國企業如何克服“拿來主義”，快速叠代發展？
鑲嵌牛文字
RFFE(Radio Frequency Front-End)芯片是實現手機和各種移動終端通信功能的核心部件，全球市場超過100億美元。10年本土手機的整體崛起，為本土射頻前端產業的發展奠定了堅實的產業基礎；5G在中國的商用和全球貿易環境的改變，給本土射頻產業增加了兩捆柴火。射頻前端芯片產業在國內有著15多年的發展歷史，創新創業活動非常活躍，各類企業數十家，也是市場和資本非常關註的領域。本文作者有幸在射頻芯片行業工作了11年，從2G時代做到了今天的5G。他也曾在外企、私企、國企工作過，直接開發並量產過每壹類射頻產品。本文總結了近年來筆者與部分業界朋友的討論，試圖梳理射頻模塊產品的技術市場和商業邏輯。同時，本地射頻發展了十幾年，競爭是行業主線，合作和友誼是非常稀缺的資源。本文將重點分享關於模塊化的知識，希望更多的本土廠商通過合作分享模塊化的巨大機遇。
介紹
根據魏少軍教授在“2020全球CEO峰會”上發表的題為“人間正道是滄桑——論巨變下的戰略定力”的主題演講，統計顯示，美國公司對中國市場的依賴度最高(以營收比計算)，如下圖所示。我們可以看到SKYWORKS、高通、Qorvo和博通，四家美國射頻巨頭(SKYWORKS和Qorvo主營射頻業務；高通和博通(包括無線電頻率服務)剛剛占據排行榜的前四名。
射頻前端的國際形勢
射頻前端技術主要集中在濾波器PA、功率放大器(PA)、低噪聲放大器和射頻開關。目前，全球射頻市場由美國四大射頻公司Skyworks、高通、Qorvo、Broadcom和Murata主導。
五大射頻巨頭在PA和LNA擁有超過90%的市場份額。至於濾波器，它們被分為兩種主要的聲表面波技術，聲表面波(SAW) BAW，體聲波(BAW)。目前，村田占了SAW濾波器市場的半壁江山，Skyworks約占65，438+00%，Qorvo約占4%，其余被太陽電感、TDK等大廠商瓜分。BAW過濾器市場90%被美國企業占據。
可見，射頻前端是壹個巨大的市場，可以容納五大國際巨頭的持續發展。國際巨頭技術跨度大，模塊化強；模塊化產品是國際競爭的主賽道。每個巨頭都有BAW技術或其替代品。
射頻前端的國內現狀
關於射頻前端國內情況的文章很多，這裏就不贅述了，只給出幾個結論:
1.本土公司壹般以分立器件為主要方向；分立器件是目前本土競爭的主賽道。2.本土公司缺乏先進的過濾技術和產品，模塊化普遍不強。
5G模塊化的挑戰和機遇之源
PCB布線空間和射頻調試時間的挑戰已經下沈到入門級手機，開啟了國產模組芯片的叠代升級之路。
射頻模塊芯片不是壹個新的產品系列。事實上，射頻模塊芯片的使用幾乎與LTE的商用不謀而合。10年來，各種復雜的射頻模塊被廣泛應用於各種品牌的旗艦手機中；同時，在大量的入門級手機中，分立器件的方案完全可以滿足所有要求。所以在過去的10年裏，出現了兩個截然不同的市場:旗艦機型的模塊方案；入門級模型的離散方案。模塊方案要求“高集成度、高性能”，所以價格也很高；分立方案要求“中低集成度，中等性能”，價格相對較低。兩種方案存在巨大的技術和市場差異，我們可以稱之為4G時代的“模塊差距”。
4G時代的“模塊鴻溝”
5G的到來徹底改變了這種局面。
相比4G入門級手機的2~4根天線，5G入門級手機的天線數量增加到了8~12根；需要支持的頻段和頻段組合也在4G的基礎上大幅增加。眾所周知，射頻元件的數量與天線數量和頻段有很強的相關性，這意味著射頻元件的數量急劇增加。同時由於結構設計的要求，5G手機留給射頻前端的PCB面積無法增加，所以分立方案的面積大大超過了可用的PCB面積。這就是空間帶來的束縛。
另壹個挑戰來自調試時間。使用分立器件方案的4G射頻調試時間壹般在壹周以內。隨著5G射頻復雜度的顯著增加，假設使用單獨的方案，可能會帶來3-5倍的調試時間增加；在成本上，還需要消耗更昂貴的5G測試設備和熟悉5G測試的工程師資源。如果使用模塊，那麽在模塊設計的過程中，大部分調試已經在內部實現，調試工作量會更多的移到軟件端，所以調試效率會大大提高。這就是時間帶來的約束。
時間和空間的限制是強大而普遍的。因此，在入門級5G手機中，對“中低性能高集成度”模塊有著天然的需求，與旗艦手機的“中高性能高集成度”模塊形成pin合壹。由於我們都需要高度集成的模塊，但指標要求不同，國產模塊芯片可以從“中低性能”(5G入門級手機)叠代進化到“中高性能”(5G旗艦手機)。因此，填補了“模塊空白”。
任何事情都有兩面性。“模塊鴻溝”被彌合後，分業市場的空間也出現了風險；對於專註於分立芯片的本土企業來說，也需要巨大的資源和實力在模組產品中找到自己的定位；如果不能突破，在不久的將來就會進入瓶頸階段。
5G前期，市場上還有壹種混合方案，即混合分立器件和模塊的方案。這種方案的出現有很多客觀原因，包括歷史上形成的“模塊鴻溝”。這個方案是妥協的產物，犧牲了壹些關鍵指標，在面積上做了讓步。如果沒有專註做國產模組的芯片公司，就不會有優秀的國產模組芯片；如果沒有優秀的國產模塊芯片，模塊方案的價格會壹直很高。
過濾技術的簡要分類
BAW濾波器:即體聲波濾波器。具有插入損耗小，帶外衰減大的優點，對溫度變化不敏感。BAW濾波器的尺寸會隨著頻率的增加而縮小，因此特別適用於1.7GHz以上的中高頻通信，在5G和sub-6G的應用中優勢明顯。
SAW濾波器:即聲表面波濾波器。應時晶體、鈮酸鋰、壓電陶瓷等壓電材料是利用它們的壓電效應和表面波傳播的物理特性，是壹種特殊的濾波器件。SAW濾波器具有性能穩定、使用方便、頻帶寬等優點，是1.6GHz以下頻率的主流應用，但它存在壹些缺點，如處理高頻信號時插入損耗大、發熱問題嚴重等，不適合處理1.6GHz以上的高頻信號。
LC型濾波器:即電感電容濾波器。LC濾波器壹般由濾波電容、電抗和電阻組成，電感和電容共同構成LC濾波電路。
射頻模塊的簡要分類
射頻前端模塊將射頻開關、低噪聲放大器、濾波器、雙工器和功率放大器等兩個或多個分立器件集成到壹個模塊中，從而提高集成度和性能，並實現小型化。根據集成方式的不同，主天線的射頻鏈路可分為:FEMiD(集成射頻開關、濾波器和雙工器)，PAMiD(集成多模多頻段PA和FEMiD)，LPAMiD(LNA，集成多模多頻段PA和FEMiD)等分集天線的射頻鏈路可分為DiFEM(集成射頻開關和濾波器)和LFEM(集成射頻開關、低噪聲放大器和濾波器)。
主天線射頻鏈路
分集天線射頻鏈路
射頻前端的“價值密度”
由於5G手機的PCB面積是有限的資源，我們需要在5G手機中“擠進”更多的射頻功能器件，所以我們在評估每壹類射頻器件時，都需要建立壹個參數來統壹描述，作為反映其價值和PCB占用面積的綜合指標。
ValueDensity=(平均售價ASP)/(芯片封裝尺寸)
接下來，我們以VD值為工具，分別分析濾波器、功放和射頻模塊的情況。
1.過濾器的VD值
首先，由於濾波器通常需要外接匹配電路，實際VD值低於器件的VD值。我們先忽略這個因素。根據上面的數據，我們可以得出壹些結論:從LTCC到四倍體，VD值不斷增加，從1.2到10.0，增加比較快。
2.功率放大器的VD值
根據以上數據，我們還可以看到:a)從2G到4G，VD值從0.6增加到1.5。b)從4G演進到CAT1的小型化產品和演進到HPUE或Phase5N的大功率PA的VD值增加到2左右。
3.射頻模塊的VD值
根據以上數據可以觀察到:a)接收模塊的VD值在5左右；b)接收模塊中小包裝的H/M/L LFEM和VD值非常突出，大於10；c)發射模塊(FEMiD除外)，VD值在4-6之間；D) FEMiD具有發射模塊的最高VD值。因此，當FEMiD與低VD值的MMMB PA混合時，可以實現合理的PCB布局效率。
同時我們還加入了技術國產化率和市場國產化率的參考數據。壹般來說，如果市場國產化率低，或者技術國產化率遠遠超過國產化率數字，VD值就會虛高。當地相應產品市場份額增加後，未來會有明顯的降價空間。
五座大山的射頻發射模塊
transmit 1:PA和LC濾波器的集成主要用在3 GHz到6 GHz的新5G頻段，典型產品有n77和n79的PAMiF或LPMIF。這些新頻段的5GPA設計很有挑戰性，但是因為新頻段的頻譜比較“幹凈”，所以對濾波器的要求不高，LC濾波器(IPD，LTCC)可以勝任。綜合來看，這類產品是壹個具有挑戰性但並不復雜的產品，其技術和成本是PA絕對控制的。
發射二:PA與BAW(或高性能SAW)的集成，典型產品為n41的PAMiF或Wi-Fi的iFEM產品，頻段在2.4GHz左右，這類產品的頻段屬於常見頻段，PA部分的技術規格有挑戰性但不高。因為工作在2.4GHz附近，頻段非常擁擠，所以需要在典型產品中集成高性能的BAW濾波器來實現* * *存儲。因為這類產品的濾鏡功能並不復雜，PA還是有技術控制力的；但是從成本上來說，濾波器可能會超過PA。總的來說，這類產品有挑戰性但不復雜，PA有壹定的控制力。
發射3:低波段發射模塊。LB (L)PAMiD通常集成4G/5G頻段(如B5、B8、B26、B20、B28等。)1GHz以下，包括高性能功率放大器和幾個低頻雙工器。在不同的方案中，還可以集成GSM850/900和DCS/PC的2GPA，進壹步提高集成度。低頻雙工器通常需要TC-SAW技術來達到最佳的系統指標。根據系統方案的需要，如果在LB PAMiD的基礎上集成壹個低噪聲放大器(LNA)，這類產品稱為LB LPAMiD。可見這類產品的復雜度已經比較高了:PA方面，需要集成高性能的4G/5GPA，有時還需要集成大功率的2GPA核；；對於濾波器，通常需要3~5個采用圓片級封裝(WLP)的TC-SAW雙工器。從總成本來看(假設需要集成2GPA)，PA/LNA部分和濾波器部分的比例基本相同。LB (L)PAMiD需要相對平衡的技術能力，所以第三個臺階出現在PA和濾波器的交界處。
發射4: Femid。這類產品通常包括從低頻到高頻的各種濾波器/雙工器/復用器，以及主路徑中的天線開關；不集成PA。FEMiD產品通常需要集成LTCC、聲表面波、TC-SAW、BAW(或同等性能的I.H.PSAW)和SOI開關。村田對這類產品的定義是，在過去的八年裏，占據了這個市場的絕對霸主地位。三星、華為等手機廠商已經或正在大量高端手機中使用此類產品。如上所述，有競爭力的PAMiD供應商主要集中在北美；考慮到供應鏈的多元化，壹些出貨量非常大的手機型號可以考慮使用MMMB(多模多頻)PA加FEMiD架構。MMMB PA的合格供應商廣泛分布在北美、中國和南韓，而村田的FEMiD產能非常巨大(主要在LTCC和SAW)。如上所述，FEMiD的VD值很高，整體方案的空間利用率也在合理範圍內。
發射5: m/h (l) PAM ID。這類產品是射頻前端市場價值最高，也是最難合成的領域，是射頻前端細分市場的巔峰。M/H通常覆蓋1.5GHz~3.0GHz的頻率範圍，這個頻率範圍是移動通信的黃金頻段。最早的四個FDDLTE頻段Band1/2/3/4在這個範圍內，最早的四個TDD LTE頻段B34/39/40/41在這個範圍內，TDS-CDMA的所有商用頻段都在這個範圍內。最早的商用載波聚合方案也出現在這個範圍內(由B1+B3四倍頻器實現)，GPS、Wi-Fi 2.4G、藍牙等重要的非蜂窩通信也工作在這個範圍內。可想而知，這個頻段最大的特點就是“擁擠”和“幹擾”，這也是高性能BAW濾波器發揮技能的廣闊舞臺。由於該頻段商用時間較長，該頻段PA技術相對成熟，核心挑戰來自濾波器件。
首先解釋壹下為什麽這個頻率是移動通信的黃金頻率。在漫長的發展過程中，移動通信的驅動力來自於移動終端的普及，而移動終端普及的核心挑戰在於終端的性能和成本。如果頻率過高，比如3GHz以上，10GHz以上，半導體晶體管的特性會迅速下降，難以實現高性能。但是對於太低的頻率，比如800MHz以下，300MHz以下，天線的尺寸會很大，用於射頻匹配的電感和電容也會很大。在終端尺寸的限制下，超低頻帶的射頻性能很難達到系統指標。簡而言之，從有源器件(晶體管)的性能角度，我們希望頻率更低；從無源器件(電容、電感、天線)的性能來看，頻率預計會更高。有源器件和無源器件的本質沖突，應用端的妥協，模塊內的集成，就像兩股強大的寒流和暖流，匯聚在人類移動通信最壯麗的主信道1.5~3GHz頻段，形成了終端RF最復雜、最有價值的黃金漁場:M/HB (L)PAMiD。太棒了！
目前這類高端產品的市場主要被博通、Qorvo、RF360等美國廠商占據。下圖是Qorvo公司在其官方微信官方賬號中提供的芯片開片分析。可以看出，這類產品包括10以上的BAW，2~3個GaAs HBT，3~5個SOI和1個CMOS控制器，是射頻產品中技術復雜度最高的。這類產品通常需要集成四倍頻器或五/六倍頻器等超高VD器件。
M/H LPAMiD開蓋圖
五座大山的射頻接收模塊
接收模塊的五嶽模型如上圖所示。
接收1: RF開關和LNA使用RF-SOI技術在單個芯片上實現。雖然只是單個管芯，但也是具有復合功能的射頻模塊芯片。這類產品的主要技術是RF-SOI，在4G和5G都有壹些應用。
接收2:利用RF-SOI技術實現LNA和開關的功能，然後與壹個LC型(IPD或LTCC)濾波器芯片封裝集成。LC濾波器適用於3~6GHz大帶寬、低抑制的要求，適用於5G NR部分的n77/n79頻段。這類產品也是以SOI技術為主，主要用在5G。
接收3:從接收3往上走，接收模塊壹開始需要集成幾個SAW濾波器，集成度越來越高。通常，需要集成單刀多擲(SPnT)或雙刀多擲(DPnT) SOI開關和幾個支持載波聚合(CA)的SAW濾波器通道。在包裝方式上，因為“收3”的集成度沒有限制，所以可能的路徑有很多。其中，國際廠商的產品主要是WLP技術，除了在可靠性和產品厚度上有優勢外，還可以在其他集成度更高的產品上重復使用。
接收機4:這種產品被稱為MIMO M/H LFEM。MIMO技術主要應用於M/H頻段(例如B1/3/39/40/41/7)的頻段，以提高通信速率，這是壹些中高端手機接入網絡的強制性要求。看來通信行業真的很愛M/H這個黃金頻段。從技術上看，這類產品是基於RF-SOI技術實現的LNA plus開關，再集成4~6路M/H高性能SAW濾波器。國際制造商已經開始在這些頻段廣泛使用TC-SAW技術，以實現最佳的整體性能。
接收5:接收芯片復雜度最高的是H/M/L M/L的LFEM，該類產品以極小的尺寸實現了10~15頻段的SAW濾波器、RF-Switch和信號增強(LNA)，並具有超高的值密度(約10)，可以幫助客戶大幅減少5G項目中Rx部分占用的PCB面積，減少寶貴面積。這類產品需要最高的綜合技能，基本需要采用WLP形式的先進封裝方法，滿足尺寸、可靠性、良品率的要求。
摘要
1.射頻模塊的核心要求是各種元器件的小型化和模塊的集成化。
2.無論是發射模塊還是接收模塊，純5G模塊難度大但不復雜。最具挑戰性和價值的模塊是4G/5G同時支持的高復雜度模塊。