5G時代 射頻領域開啟新的春天

1895年，馬可尼成功的進行了約3公里無線電通信，6年后的1891年，他在英格蘭和紐芬蘭之間進行橫跨大西洋的摩爾斯碼電報的發(fā)射和接受，正式標志著人類進入了無線通信時代，飛鴿傳書壽終正寢。

1973年4月一名男子站在紐約街頭，掏出一個約有兩塊磚頭大的無線電話，并打了一通電話，引得過路人紛紛駐足側目。這位就是“現(xiàn)代手機之父”，摩托羅拉的工程師馬丁·庫帕。

現(xiàn)代手機之父馬丁·庫帕與第一代“大哥大”

這一通電話也是馬丁·庫帕打給在貝爾實驗室工作的一位競爭對手，當時對方當時也在研制移動電話，但尚未成功。庫帕后來回憶道：“我打電話給他說：‘喬，我現(xiàn)在正在用一部便攜式蜂窩電話跟你通話?！衣牭铰犕材穷^的‘咬牙切齒’——雖然他已經(jīng)保持了相當?shù)亩Y貌。

時至今日，手機已經(jīng)誕生整整36年。手機的出現(xiàn)極大的豐富的我們的生活，現(xiàn)在各式手機已經(jīng)遍地開花，全球僅智能手機用戶就超過30億。我們可以用手機進行視頻電話、上網(wǎng)、聊天、看直播、購物、玩游戲……，在這背后是無線通信技術在這幾十年時間里飛速發(fā)展。

任何一部手機，都必須有無線通信功能才能上網(wǎng)打電話，否則就是一塊磚頭，因此所有的手機中都安裝有無線通信功能的射頻芯片。

射頻芯片種類很多，包括射頻前端和射頻后端，其中射頻后端主要就是基帶芯片。而射頻前端則主要包括：射頻天線，射頻開關、功率放大器（PA）、低噪放大器（LNA）、濾波器、雙工器等，這些都屬于射頻前端不可或缺的芯片。

射頻前端結構

從上世紀80年代開始，無線通信技術經(jīng)歷了1G、2G、3G、4G時代，直至2017年12月，3GPP組織發(fā)布了V15.0.0版TS 38.104規(guī)范，正式確定了5G標準。

新5G NR標準的頻率范圍分別定義為兩個不同的FR：即FR1與FR2。

FR1的重心放在450MHz-6GHz的頻譜上也稱為“Sub-6”標準，主要使用3GHz-4GHz之間頻段。FR2側重于24GHz~300GHz之間的頻段，又稱為“毫米波”標準，主要使用28GHz、40GHz和67GHz頻段。

無論是sub-6還是毫米波標準，所用的頻率都超過此前4G的200MHz-2.5GHz的頻率。因此在更高的頻率下，無論是移動設備還是基站，都對射頻芯片提出了更高的要求！

國際機構Yole預測，隨著5G的到來，幾個主要的手機射頻前端市場規(guī)模都會出現(xiàn)快速增長。

根據(jù)Yole的預計，到2023年，射頻前端市場規(guī)模有望超過340億美金，折合2300億元人民幣，而這龐大的市場中，有一大半是中國廠商消化掉的，因此未來中國將成為全球最大的射頻芯片市場！

誰能在這場商戰(zhàn)中勝出，誰將獲得最大的利潤！因此目前國內外公司都鉚足勁要在5G領域一爭高下！

曾經(jīng)巨頭壟斷，如今奮起直追

由于我國在無線通信領域，起步晚、技術差、基礎薄，在2G/3G時代只能眼睜睜看著國外巨頭在中國攫取巨額利潤。4G時代稍好一些，但是也只是跟跑者，國外廠商依然賺的盆滿缽滿。從市場格局上來看，射頻前端的幾大類芯片包括PA、LNA、濾波器、依然被國外公司所壟斷。

SAW濾波器被村田、TDK、太陽誘電、Skyworks、Qorvo等巨頭壟斷；BAW濾波器，更是被博通一家壟斷了87%的市場；

在PA領域內博通、Skyworks、Qorvo射頻三巨頭更是合計占有超過90%的市場份額。

整個射頻市場呈現(xiàn)寡頭壟斷格局。國內雖然也有不少行業(yè)公司，比如射頻開關的卓勝微、迦美；PA的昂瑞微、飛驤、唯捷創(chuàng)芯；濾波器的麥捷、大富、凡谷、諾思等。但就整體而言，國內射頻芯片公司在出貨量、性能、以及市占率方面，與各大巨頭相去甚遠，還需行業(yè)公司們發(fā)奮圖強，縮短差距，伺機趕超。

5G時代開啟化合物半導體材料的春天

在半導體世界里有，除了單一元素材料硅和鍺之外，還有一些由兩種及兩種以上元素結合而成的半導體材料，統(tǒng)稱為化合物半導體材料，主要包括GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）、氮化鎵（GaN）、SiC（碳化硅）等。

這些化合物材料相比硅材料，有著禁帶寬度更大、電子遷移率更高、擊穿場強大、耐高溫性更好等特點。這些利用這些優(yōu)異的特性，做出來器件，比傳統(tǒng)硅器件更耐高溫，耐高壓大電流、開關速度更快。所以因此在化合物半導體特別適合5G領域在內一些應用。

在之前的4G時代、主要有兩種方案來做PA。第一種是用硅材料的LDMOS結構做的PA，另外一種是用化合物材料來做的，比如GaAs HBT/HEMT結構的PA。

無論是LDMOS PA還是GaAs PA都有各自廣泛應用。LDMOS PA勝在產業(yè)成熟，易于制造，成本方面有優(yōu)勢，但是性能略弱于GaAs PA；GaAs PA勝在面積更小、性能優(yōu)異，但是制造工藝較復雜，產業(yè)公司稍少，生態(tài)不如硅產業(yè)成熟。

由于LDMOS低成本的原因，在4G時代在基站上曾一度被大量使用，占據(jù)半壁江山。但是在5G時代，無論是sub-6還是毫米波標準，所使用的頻率都超過4G的頻率，需要PA運行在更高頻率下。但此時由于硅材料本身物理性質所限，已經(jīng)力不從心。在高頻下線性度越來越差，增益也很難做高，如要想提高性能和功率密度，那面積就會呈幾何倍的增長，導致最終芯片變的碩大無比，面積變大后帶來的一系列的難題包括功耗、漏電、發(fā)熱量等都極其棘手。LDMOS的所面臨“三高問題”，功耗高、價格高、體積高，使得其商業(yè)前景存疑。

因此在5G時代，LDMOS PA是很難滿足實際需求的，將被逐漸邊緣化，此時輪到GaAs/GaN PA發(fā)力。GaAs/GaN PA在相同電壓下輕松可以上到40GHz，且芯片面積更小，更省電、功率密度更高，性能更加強悍，無論是移動設備終端，還是宏基站、微基站，在5G時代GaAs/GaN PA都將有很大的用武之地。

雖然化合物材料本身優(yōu)點突出，但是想要把完全發(fā)揮它的優(yōu)勢可是非常難的！化合物半導體有很多特殊結構和特殊工藝，不像CMOS那樣都是標準工藝，一定程度上可以互相學習和借鑒。而且PA射頻芯片又屬于模擬芯片，不像數(shù)字芯片那樣有標準參數(shù)。要用好化合物材料做PA，能做出怎么樣的芯片，完全取決于你的芯片設計能力、和對材料的理解，以及工藝的掌握程度，真正做到“know How”，才能做出最好的產品！

抓住機遇，貼近市場，服務全球

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展，不斷釋放紅利。有越來越多的海歸專家選擇回國創(chuàng)業(yè)。在杭州這片創(chuàng)業(yè)熱土上，就有這么一家公司，國內領先的砷化鎵射頻芯片制造公司——杭州立昂東芯微電子有限公司。杭州立昂東芯是杭州立昂微電子股份有限公司的控股子公司，是國內領先的射頻芯片制造公司。做為省重點集成電路企業(yè)，立昂東芯還承接了不少重點學科的研發(fā)項目，為浙江省的集成電路發(fā)展做出了貢獻。?

2016年3月被授予“浙江省射頻集成電路制造技術省級重點企業(yè)研究院”；

2016年承擔浙江省重點研發(fā)項目《6英寸第二代半導體微波射頻集成電路芯片項目》，；

2018年承擔杭州市重大科技創(chuàng)新項目《面向5G通信的化合物射頻器件關鍵技術項目》；

立昂東芯的CEO汪博士回想起2015年回國創(chuàng)業(yè)的時候，表示當時省政府非常重視，在省市區(qū)各級領導關懷和立昂集團王敏文董事長的大力支持下，汪博士和幾位志同道合者選擇回國創(chuàng)業(yè)。短短幾年時間，便建成了國內領先的射頻芯片制造線。創(chuàng)業(yè)途中雖遇到不少困難，但是都被克服了，從今日回望，滿滿的成就感。

“2015年東芯開始建設的，2017年我們生產出第一片HBT晶圓、第一片pHEMT晶圓這幾年時間內，立昂東芯不僅拿出過硬的產品，更是積累了寶貴的專利，技術和人才，頗為不易?！?/p>

汪博士回憶，“我曾經(jīng)在國外一家全球知名的射頻芯片公司干了近20年，看著整個射頻芯片市場的潮起潮落，但是國內公司一直落后于人，目前我國90%以上的射頻元器件依然依靠進口，國內水平處初級階段，因此我和我伙伴們，選擇回國創(chuàng)業(yè)，國產射頻芯片領域有著巨大的增長空間，我相信我們有能力把握住這股大潮！”

據(jù)汪博士介紹，客戶有時候會提出一些特定的需求，如果是適應市場發(fā)展的方向，立昂東芯就會進行技術疊加。

“公司已經(jīng)開發(fā)了擁有自主知識產權的具有世界先進水平的高集成的射頻芯片結構，比如InGaP HBT（銦鎵磷異質結雙極型晶體管）、GaAs pHEMT（砷化鎵贗配高電子遷移率晶體管）、BiHEMT射頻集成電路（RFIC）、VCSEL等，這些技術屬于我們的獨門秘籍，具有領先水準?！?/p>

汪博士說道：“此外一些傳統(tǒng)的工藝方面我們也做了不少改進，我們開發(fā)了雙異質結雙極晶體管（DHBT）、三層金屬鏈接、低k值高可靠性的層間介電質 (ILD)的先進工藝技術，更好的為國內外5G客戶服務?！?/p>

“最近就有不少射頻芯片設計公司來我們這里流片，我們的技術、工藝、產品、IP已經(jīng)得到客戶的認可，我們有信心與國外公司正面競爭，也期望與國內設計公司一起發(fā)展，共同成長和進步?！?/p>

“你只有腳踏實地，精益求精的做好每份客戶訂單，客戶才會更加認可你，信任你。在我們這行，絕對來不的半點馬虎和浮夸，一旦產品出問題，以后客戶再也不會和你合作了，你要想穩(wěn)固和商業(yè)伙伴的關系就要認真對待每片Wafer！”

——杭州立昂東芯CEO 汪耀祖

“除了砷化鎵之外，我們已經(jīng)做好準備，隨時可以開拓氮化鎵市場，雖然氮化鎵方面存在很大的挑戰(zhàn)，但是我們有信心，有能力，有把握做好氮化鎵。畢竟5G后期一定會過渡到毫米波標準，基站側的大功率射頻芯片，只有氮化鎵才能滿足，我們已經(jīng)做好準備靜待市場到來?！?/p>

5G時代即將來臨，類似立昂東芯的公司，杭州還有很多，離東芯不遠還有一家專注BAW濾波器的公司——杭州左藍微電子，該公司創(chuàng)始人張博士也緊盯著5G的進展，希望未來公司的濾波器產品趕上甚至超過國外水平。在杭州越來越多的半導體公司如雨后春筍一般迅速成長。這些未來的芯片生力軍，將帶領杭州、帶領浙江、帶領中國邁向更高的山峰。

杭州不僅有阿里巴巴、螞蟻金服、網(wǎng)易等“軟”公司，還有一干集成電路“硬核”公司！

5G大潮突飛猛進，“網(wǎng)紅之城”蓄勢待發(fā)！