GaAs PA还有未来吗?

来源:内容由公众号半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:钟林,谢谢!



一朝入射频,从此工艺定命运

无线的世界,无限的世界,射频PA因无线电而生,生活因无线通信而精彩。

行业文章和讨论纷纷,GaN(氮化镓)来了,SOI和SiGe射频前端芯片应用越来越多了, GaAs(砷化镓)还有未来吗?应邀请,与法国Yole进行了探讨和交流,数据分析和未来预测,写此文章,抛砖引玉,欢迎交流指正。

数字芯片是基于CMOS工艺选择制程,并非制程越先进越好,取决于芯片的定位和应用。目前射频PA的主流工艺是GaAs,主流之外还有CMOS、SOI和SiGe工艺应用于射频PA。

国内射频PA公司选择什么工艺,面对的就是什么样的路。选择GaAs工艺,就是艰辛之路,你追我赶,很难拉开差距。选择其他工艺,就是风险之路,要么成功要么失败。

因工艺选择失败的射频PA公司

正如德鲁克所言,企业只有两项基本职能:创新和营销。国外芯片公司热衷创新,中国芯片公司热衷营销。常常听到一句话,没有卖不出去的产品,只有不会做销售的人。

GaAs PA有了Avago、RFMD(Qorvo)、Skyworks之后,国外多家初创公司选择的都是致力于用CMOS PA替代GaAs PA这条路。只有创新,才有价值

2009年Skyworks收购Axiom Microdevices,当时AXIOM已经在2G手机上实现了千万级的CMOS PA出货量。

2013年4月, Avago Technologies 完成对Javelin Semiconductor的收购。RFMD收购CMOS PA初创公司Amalfi。

2014年6月,美国高通(Qualcomm)宣布收购BlackSand。成立于2005年的BlackSand发布了全球首款3G CMOS PA,并将效率做到39%,使得CMOS替代GaAs成为现实。其BST34系列功率放大器被设计为现有3G GaAs射频功率放大器的替代产品,而且实现了完全的功能及管脚兼容。由GaAs转换到CMOS,能够从改善的供应链和更低的成本中获益。

同年,高通RF360射频前端解决方案正式获中兴旗舰级手机Grand S II LTE采用,当时给市场一种感觉,未来CMOS PA将在LTE及LTE-A载波聚合(CA)技术的移动终端市场应用中大行其道,颠覆射频前端产业版图。

结果呢?2017年,美国高通(Qualcomm)推出一系列全面性的射频前端(RFFE)解决方案,包括首度推出砷化镓(GaAs)多模功率放大器(MMPA)模块。宣告高通CMOS PA之路彻底失败。

2016年5月,Skyworks宣布收购RFaxis。创办于2008年的RFaxis,立志成为新一代无线射频芯片的先锋。网上可以查到其高管的之前相关言论:“从2007年iPhone问世至今,大家都在讨论如何让RF简单化。传统的无线芯片一直采用的是砷化镓(GaAs),这导致成本高、产能低。硅是上帝送给人类的礼物,整个芯片业几乎都拿到这份礼物,无线通信领域应该尽快得到这份礼物。就像物联网是‘自然进化’的必然结果一样,虽然砷化镓是美国政府花了几十亿美元(用于国防)研制出来的,但是随着人们掌握更多如何应用硅的技术,‘GaAs之死’是必然的。”

GaAs没死,那些做CMOS PA的国外初创公司却都已消失,但创新的精神不会消失,芯片行业需要创新。国外CMOS PA初创公司失败在哪里呢?因为无线通信技术的车轮是滚滚向前的,对射频PA技术指标要求越来越高,设计要弥补工艺的不足是很难的,工艺要弥补设计的不足相对要容易很多

因工艺选择成功的射频PA公司

国内射频PA公司集中在两个赛道:手机射频PA和WIFI射频PA。这两个赛道上都有不少于10家射频PA设计公司。因为谁都没有成功,谁都有机会。因此,射频芯片投资,看起来更像一场赌局。

收购或者并购国内芯片创业公司,鲜有发生,等待的要么是成功要么是失败,没有收购这个中间选项。为何?因为绝大多数国内芯片创业公司没有创新,没有差异化,走的是重复之路。

国内射频PA公司,有两家选择了工艺差异化路线。一家是汉天下,另一家是慧智微。汉天下走的是国外公司走过的路,慧智微走的是国外公司没有走过的无人区

汉天下的成功在于2G PA,2G PA的成功在于选择CMOS工艺。尽管手机已经从2G到3G,再到4G,现在进入5G时代。这几年2G PA的市场需求始终保持在80KKpcs/M左右。汉天下通过CMOS 2G PA在性能上可以媲美GaAs PA,在成本上可以辗压2G GaAs PA,一举取得60%以上的市场份额。2016年汉天下也因2G CMOS PA曾获得“第十届(2015年度)中国半导体创新产品和技术项目奖。

再谈国内射频PA技术,避不开慧智微,一位射频PA公司创始人曾跟我说,国内射频PA竞争过度,长远来看慧智微会有优势。他是砷化镓射频领域的资深专家,又是友商,此言一出,我颇为惊讶。有言道,外行看热闹,内行看门道。市场的人看市场,技术的人看技术,我是产品人,喜欢从产品的角度来看技术和工艺。

基于SOI的RF性能特性和成本介于CMOS和GaAs之间,慧智微创新4G PA架构,一二级采用SOI,第三级放大采用GaAs,相比于三级放大都采用GaAs工艺的4G PA来说,成本上会有优势。但搞新东西,一是冒风险,二是需要持续的高强度研发投入。走这条路线,比跟随Skyworks的其他国内射频PA厂商要付出更多,没有学习和模仿的对象,全靠自己摸爬滚打和坚持。一旦产品成功,就会建立技术壁垒。

创业之后才知创业的苦,创新之后才知创新的难。创业走别人同样的路是很难有机会的,要想成功,唯有创新。三伍微选择走pHEMT工艺路线,很多人不解,也不看好。ESD就是第一个拦路虎,SKY用pHEMT做的开关ESD只有120V,三伍微做到了1000V,以至于闳康测试完ESD,看到结果都怀疑是测试错了。因为不相信,海外客户拿到三伍微开关样品又重新做ESD测试。在pHEMT上做LDO和控制电路,难度不小,一遍一遍的研发测试,技术攻关,就是为了走出一条特色之路。每个工艺有每个工艺的优势,取其长处,避其短处,目的是为了寻找市场机会,定义出高度契合工艺和技术的产品。

GaAs工艺还有没有未来

砷化镓(GaAs)分为三类:HBT、pHEMT、MESFET。频谱范围:1GHz到100GHz,满足低频到高频应用。射频前端芯片产品中,射频PA采用HBT工艺,RF switch和LNA采用pHEMT工艺。

RF switch和LNA已转向SOI工艺,这是大势所趋。据悉,SONY关闭了pHEMT工艺线。SiGe抢食了一部分GaAs HBT份额,而且有扩大趋势。CMOS已经抢走了低频GaAs HBT市场。随着5G的到来,Qorvo 预测,8GHz以下砷化镓仍是主流,8GHz以上氮化镓替代趋势明显。氮化镓(GaN)作为一种宽禁带半导体,因具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持更宽带宽等特点,国际射频PA巨头已经在GaN上投入了巨额资金研究。

GaAs HBT工艺基于其稳定性与不错的性价比,未来将维持一定比重。作为射频PA的主流工艺,其研发工作仍在不断的进行中,必将拓展GaAs HBT的应用空间。GaAs pHEMT也是很好的工艺,如果能持续加以开发和利用,也会有不错的市场前景。

根据全球砷化镓6寸晶圆消耗数量和预测,法国调研机构Yole做了一个初步的统计和分类,由于疫情影响,2020年全球手机出货量会下滑,下面的数据会进一步更新。

Yole预测,从2019年到2025年,GaAs wafer 6"消耗量将保持4%的复合年增长率,晶圆需求量从74.4万片/年增加到94.1万片/年。

其中,手机PA对砷化镓晶圆需求量是最大的,占57%,预测2020年晶圆消耗量为45.9万片(会下修数据)。手机PA之外,手机WIFI PA路由器WIFI PA消耗砷化镓晶圆的数量占比为26.5%,预测2020年晶圆消耗量为21.2万片(会下修数据)。

虽然随着物联网的到来,例如LTE Cat.1对GaAs PA的需求增加,但整体来看,集成CMOS PA的WIFI、蓝牙、NB-IoT、Lora等主芯片应用是趋势,GaAs晶圆消耗是负增长,预测复合年增长率为-7%。

根据预测,基站对GaAs PA和GaAs射频前端芯片的需求也有7%的年增长率,从2019年的3.4万片增长到2025的5.2万片。

出乎意外的是,Yole预测汽车雷达几乎将抛弃GaAs工艺,从2018年的6900片减少到2025年的800片。

来源:Yole

根据一家有代表性晶圆厂的数据统计,WIFI PA对砷化镓晶圆的需求并不小,数据改变我们以往的认知,WIFI PA市场其实不是小众市场。

2018年的时候,该晶圆厂的WIFI PA占比为25-30%,比手机PA只少10个百分比。手机上采用的是砷化镓WIFI PA,苹果、三星和华为等品牌都是。路由器上采用的更是砷化镓WIFI PA。

2019年,路由器主芯片开始集成5.8G PA,WIFI PA需求减少。手机上,除了苹果继续采用Murata的砷化镓WIFI PA,其他手机厂商已经转向SiGe工艺的WIFI FEM,因此2019年前两季度WIFI PA所需的砷化镓晶圆下降。随着WIFI6的到来,砷化镓WIFI PA的需求大幅增加,对应的砷化镓晶圆消耗量在2019年Q3季度又占到20-25%,比手机PA少了15个百分比,手机PA占比为35-40%。

结语

选择决定命运,环境造就人生。在射频的世界里,工艺是我们要面对的选择。国外射频PA巨头可以有不同的团队做不同的工艺方向,并驾齐驱;国内射频PA创业公司,团队有限,资金有限,只能朝着一个工艺前进,工艺选择决定射频PA公司命运。

我看好每一个工艺,每一个工艺都有自己适合的产品和市场。不要奢望每一个工艺都能快速成为未来市场的主流,未来在我们的未知世界里。大梦想引领小梦想,小梦想助就大梦想。晶圆厂是大梦想,射频芯片设计公司是小梦想,只要晶圆厂坚定方向,就会有芯片设计公司跟随;只要有工艺的土壤,设计的种子就会生长。美好的世界,在彼此之间成就。

作者:

钟林,晋江三伍微电子有限公司

zhonglin@gsrmicro.com

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