这一战场，中国本土射频芯片争先

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2022-09-05 16:01:13 1

小小的射频开关，在全球射频前端市场占据重要位置，中国厂商更是给力。

作者：畅秋

5G越来越普及，手机内部各个功能块也越来越复杂，因为整体性能要不断提升，芯片元器件数量也在增加，与此同时，对小体积、高集成度又有越来越高的要求。这一点在射频前端体现得尤为凸出。

通常情况下，智能手机的射频前端主要包括功率放大器（PA）、滤波器（Filter）、射频开关（switch）、低噪声放大器（LNA）等。其中，滤波器的价值量占比较高，达到53%，其次是功率放大器（33%）、射频开关（7%）。

就价值量和设计难度而言，射频开关要逊色于滤波器和功率放大器，但前者在射频前端中的使用数量却很大，更重要的是，中国厂商在射频开关领域已经实现了较高的市占率，与滤波器和功率放大器相比，有更多的话语权。

射频开关的价值

射频开关又称微波开关，主要用于控制微波信号通道转换，广泛应用于智能手机等移动终端。按用途划分，射频开关可分为移动通信传导开关、Wi-Fi开关、天线开关等；按刀数和掷数划分，又可分为单刀单掷、单刀双掷、单刀多掷和多刀多掷开关。

射频开关由传导开关（Switch）和天线调谐开关（Tuner）两部分组成，Tuner的技术难度高于Switch，因为Tuner有极高的耐压要求，导通电阻和关断电容对性能影响极大，对产品提出了更高的设计和工艺要求。

受到模块化趋势影响，目前，过半Switch集成在模组之中。而分立式的Switch则主要应用在中低端手机中。

在智能手机中，射频开关处于射频前端的关键位置且必不可少，其插损、回损、隔离度、谐波抑制和功率容量等性能对射频前端链路有重要影响。射频开关的主要作用在于通过控制逻辑，实现对不同方向（接收或发射）、不同频率的信号进行切换，以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。

一般情况下，智能手机每多支持一个频段，其射频芯片就要增加一条接收通道，为了减少芯片面积，降低成本，一个接收通道往往会支持多个频段，这就需要在射频前端增加开关数量，以满足对不同频段信号接收、发射的需求。

5G手机所支持的频段在4G LTE 66个的基础上增加了50个，由于5G要全部向下兼容，全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段数量超过110个，因此，相对于4G手机，5G的射频开关数量将在10个基础上再提升50%，达到15个，而且，随着技术和应用需求的发展，未来这一数字还会进一步增加。

另外，随着封装尺寸的减小，射频前端呈现出模组化的趋势，未来，射频开关性能和单机价值量有望进一步提升。

制程工艺

制造工艺层面，射频开关主要分为两种类型：机电式和固态射频开关。固态开关使用半导体技术制造，例如硅或PIN二极管、场效应晶体管 (FET) 和混合技术（即PIN二极管和场效应晶体管的结合），并使用硅基基板构建。

射频开关制造工艺技术主要有CMOS、GaAs、RF SOI、RF MEMS，其中，RF SOI是主流技术，CMOS技术占据少量份额，GaAs已经面临淘汰。随着射频开关产品设计的不断创新，RF MEMS技术更能满足未来射频系统多模多频通信的需要，正成为业界布局的重点。

RF SOI是一种具有独特的硅/绝缘层/硅三层结构的硅基半导体工艺材料，它通过绝缘埋层(通常为SiO2)实现了器件和衬底的全介质隔离，在器件性能上具有诸多优点，主要包括：减小了寄生电容，提高了运行速度，与体硅材料相比，SOI的运行速度提高了20%-35%；具有更低的功耗，由于减小了寄生电容，降低了漏电，SOI器件功耗可减小35%-70%；消除了闩锁效应；抑制了衬底的脉冲电流干扰，减少了错误的发生；与现有CMOS硅工艺兼容，可减少13%-20%的工序。

随着RF SOI工艺的不断改进，这种射频开关的性能也在稳步提升。

RF SOI工艺可以满足当下的频段及性能要求，但也遇到了一些新的挑战。射频开关本身包含场效应晶体管(FET），FET会受到不需要的沟道电阻和电容的影响，通常情况下，射频开关中堆叠了10到14个FET，随着FET数量的增加，器件可能会遇到插入损耗和电阻带来的一系列问题。

另外，寄生电容也是一个问题，Skyworks（思佳讯）公司认为，在射频开关中，30％或更多的寄生电容来自于器件中的互连，互连包括金属层或bonding线，这些也是RF SOI工艺存在的问题。目前，射频开关的主流制造工艺是基于8英寸晶圆的180nm和130nm制程。许多互连层基于铝材质，铝价格便宜，但具有较高的寄生电容，因此，铜被用于射频开关中一些特定层，铜是更好的导体，并且电阻小于铝。

近些年，RF SOI晶圆代工厂已经从8英寸晶圆迁移到12英寸，制程节点也从130nm迁移到45nm。通常情况下，12英寸晶圆厂只使用铜互连，这样，射频开关制造商可以降低电容。不过，12英寸晶圆提高了制造成本，这就形成了一对矛盾关系，即成本敏感的手机OEM厂商需要射频开关保持较低的价格，但射频开关制造商和晶圆代工厂希望保持利润。

与RF SOI相比，RF MEMS的一些优秀特性就凸显了出来，这为射频开关拓宽了发展道路。

RF MEMS开关种类繁多，它们可以用不同的机制来驱动。由于具备功耗低、尺寸小的特性，静电驱动常用于射频MEMS开关设计。MEMS开关也可使用惯性力、电磁力、电热力或压电力来控制打开或关闭。

RF MEMS能够提供非常低的Ron(导通电阻)，这也意味着更低的insertion loss(插入损耗)。但RF MEMS还没有实现大规模量产，因为考虑到风险，主流OEM厂商很难选择新技术和小供应商，除非与RF SOI相比，RF MEMS开关能提供极具吸引力的价格，且其可靠性和供货稳定性有足够保障。

中国本土厂商崛起

2020年，全球射频开关市场规模为20多亿美金，中国市场至少占到50%。除了传统分立式射频开关，射频前端模块化的发展趋势，使得越来越多的开关被集成进模组，特别是手机PA模组，今后，PA模组里集成的开关会越来越多。这是国际大厂发展的方向，中国本土厂商也在快速跟进。

目前，国际知名的射频开关供应商主要包括：Skyworks、Broadcom（博通）、Murata（村田）、卓胜微、韦尔股份等。

由于技术难度相对较低、射频开关国产化率较高，卓胜微已经占据了全球射频开关（包含Switch和Tuner，分立式及模组中的开关）约15%市场份额，紫光展锐、昂瑞微、艾为、飞骧科技、唯捷创芯、韦尔股份、迦美信芯等厂商也具备开关生产能力，整体国产化率约为20%。但把开关作为主要产品的公司较少，如卓胜微、迦美信芯、韦尔股份（开关/LNA是公司射频产品线的主要产品）、艾为电子（开关/LNA是公司射频产品线的主要产品），其它厂商大多把开关作为副线产品。

之所以如此，卓胜微的强大是一个重要原因。其射频开关毛利率超过50%，年销售额超过50亿元人民币，是绝对的产业龙头。

在市场需求的推动下，中国本土射频开关厂商数量不断增长，目前已超过15家。不过，除了卓胜微，分立式开关年销售额超过1亿元的公司还未出现。以小米为代表的OEM厂商，为它们供货的中国本土射频开关企业中，除了卓胜微，其它家拿到的份额都很小，目前来看，大客户把卓胜微作为第一供应商的策略不会变，剩余的部分由10多家公司瓜分。

卓胜微的射频开关业绩是在2017年开始快速增长的，在2015年之前，RDA、飞骧科技、唯捷创芯都已经出货射频开关产品，直到今天，这些公司的射频开关产品还在市场上推广，但分立式射频开关业务增长乏力。

综上，在射频开关领域，中国企业市占率较高。在这样的基础上，本土企业应该再接再厉，对射频前端中具有更高技术含量和利润的芯片和模组加大投入力度，以期实现更高水平的发展。

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