化合物半导体行业研究-2016-12

化合物半导体行业研究2016-12射频性能优异的化合物半导体化合物半导体射频性能优异。硅单晶材料是制作普通集成电路芯片的主要原料，但受限于材料特性，很难适用于高频/高压/大电流芯片应用。化合物半导体材料因其优良的器件特性广泛适用于射频器件。常见的化合物半导体包括三五族化合物半导体和四族化合物半导体。其中，砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）作为其中应用领域最广、产业化程度最高的三五族化合物材料，具有优良的射频性能，天然具备禁带宽度宽、截止频率高、功率密度大等特点，作为射频功率器件的基础材料分别主宰主流民用和军用/高性能射频集成电路市场。工艺独特，产业链自成体系化合物半导体工艺独特，需要专门的制造产线。普通硅工艺集成电路和砷化镓/氮化镓等化合物集成电路芯片生产流程大致类似：先将衬底材料纯化、拉晶、切片后在某种衬底上形成外延层，由代工厂按照设计公司的设计进行一系列工艺步骤进行电路制造，制成的芯片交由相关厂商进行封装与测试，最终完成芯片制造。然而由于材料特性、外延方式和制作环境要求和普通硅CMOS工艺截然不同，化合物集成电路需要使用专门的生产工艺流程与产线设备，进而催生出专门针对化合物半导体集成电路生产的工厂（Fab）。化合物半导体射频器件产业存在整合元件制造商（IDM）和（无晶圆设计公司+晶圆代工厂）两种商业模式。传统的国际设计厂商都采用IDM形式，各自配备私有产线，从设计到晶圆生产成品都自己完成。该模式的优点为有利于技术保密、产线工艺参数控制及设计精确度提升，缺点是重固定资产配置的产线容易闲置浪费，且规模扩张受限。新兴化合物集成电路设计公司往往采用无晶圆设计（FablessDesignHouse）模式，即设计公司本身不配备芯片制造产线，而将晶圆代工和封装测试都交由下游专业代工厂（Fab）配合进行。射频核芯：GaAs占据主流，GaN利润战略双高地PA：独立于主芯片的射频器件射频功率放大器（PowerAmplifier,简称PA）是化合物半导体应用的主要器件，也是无线通信设备射频前端最核心的组成部分。射频前端（RFFrontEnd）是用以实现射频信号发射与接收功能的芯片组，与基带芯片协同工作，共同实现无线通讯功能。射频前端包括功率放大器（PowerAmplifier）、开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer）、低噪声放大器（LowNoiseAmplifier）等功能构件，其中核心器件是决定发射信号能力的射频功率放大器芯片。PA芯片的性能直接决定了手机等无线终端的通讯距离、信号质量和待机时间，是整个通讯系统芯片组中除基带主芯片之外最重要的组成部分。射频前端功能组件围绕PA芯片设计、集成和演化，形成独立于主芯片的前端芯片组。随着无线通讯协议的复杂化及射频前端芯片设计的不断演进，PA设计厂商往往将开关或双工器等功能与功率放大电路集成在一个芯片封装中，视系统需求形成多种功能组合。目前PA芯片除实现发射信号功率放大功能外，往往会集成开关器或双工器，进而演化出TxM（PA+Switch）、PAiD（PA+Duplexer）、PAM（多PA模组）等多种复合功能的PA芯片类型。砷化镓占据PA主流，氮化镓战略利润双高地化合物PA芯片是射频前端市场的主流产品。PA主要有化合物工艺的砷化镓/氮化镓PA和硅工艺的CMOSPA。砷化镓PA芯片相对于硅工艺CMOS芯片具备高频高效率等特点，目前广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域，其射频性能虽略逊于氮化镓射频器件，但成本和良率方面存在相对优势，完全可以满足民用需求；GaNPA具有最高的功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度低于砷化镓芯片，目前主要用于远距离信号传送或高功率级别（例如雷达、基站收发台、卫星通信、电子战等）射频细分市场和军用电子领域。CMOSPA采用普通硅基集成电路工艺制造，由于与主流半导体（硅）制造工艺兼容，易于集成射频控制逻辑单元，近年来在2G手机和低端Wifi等消费电子领域出现爆发性增长，但始终受限于材料性能，只能应用于对线性度、频率和效率等方面要求较低的低端应用，无法满足复杂通讯系统的性能要求。随着无线网络频率范围不断向高频扩展及无线通讯系统频带分布的复杂化，化合物半导体射频芯片的优势地位未来仍将维持。砷化镓PA占据市场主流，CMOSPA低端市场占比扩大。因性能远超硅基CMOSPA器件，产品良率和制造成本优于氮化镓PA器件，砷化镓PA目前在消费电子市场占据统治地位。根据IBS数据，2015年，全球PA市场规模为84.5亿美元，其中CMOSPA产值3.77亿美元，市场占比仅4.67%；化合物PA产值80.76亿美元，占比高达95.33%，其中绝大多数为应用于消费品电子射频前端的砷化镓PA。氮化镓PA占据利润高地，且战略位置显著。Cree公司相关年报显示，其氮化镓相关的射频与功率器件部门2013/2014/2015年产值分别为0.89亿/1.08亿/1.24亿美元，毛利率分别为54%/56.5%/54.7%，受益于高端应用，维持较高毛利水平。氮化镓射频器件经过近十年的科技攻关已在2010年实现高可靠量产，产品性能在宽带、效率、高频等三个方面全面超越GaAs器件，主要用于军事雷达、电子战、民用基站等高端高性能应用场景，战略位置显著。此外，长期困扰GaN功率器件实用化技术推广的瓶颈如可靠性和稳定性问题随着材料、工艺和器件结构等水平的提高已大幅提升。以HRL公司生产的E-W波段GaN器件为例，其输出功率是其他材料器件的5倍，且性能仍有广阔的提升空间。处于军事目的考虑，国外高性能的氮化镓射频PA均实行对华禁运。因此完善和发展自主氮化镓射频半导体产业，对增强国防安全和促进高性能射频器件研制具有重要的意义。通讯升级驱动市场稳健增长核心驱动力：3G/4G/5G终端市场持续稳定增长预计全球2018年移动终端出货总量为26.5亿部。据IDC数据，手持终端市场从2000年至2015年保持12%的复合增长率，2015年全球手持终端出货量为21.8亿部。据电子行业研究机构Navian2015年统计，预计2018年全球手持终端出货量26.5亿部。手持终端出总量保持平稳增长将拉动对砷化镓PA芯片的需求，从而推动化合物半导体产业的持续稳定发展。4G终端市场占比扩大，载波聚合（CA）技术维持砷化镓PA优势地位。2012年2G/3G/4G移动通讯手持终端出货量占比分别约为44.7%、48.5%、6.8%；2014年分别为17.1%、51.7%、31.2%；2018年预计为6.2%、19.1%和74.7%。4G手持终端出货量和市场占比逐年增加，由2011年2100万台迅速增长至2015年的9.67亿台，预计2018年可达19.8亿台，2001年至2018年复合增速高达91.45%。LTE-A标准使用的载波聚合技术对PA线性度和能效的高标准要求将进一步强化砷化镓射频PA芯片在该领域的绝对市场份额。多模多频终端单机所需的PA芯片增至5-7颗，StrategyAnalytics预测5G单机需16颗PA。手持终端单机所需PA个数取决于通讯标准的调制方式和频带数目，考虑到无线通讯设备对通讯制式的向下兼容，对单机射频前端数目更多且性能要求更高。一方面，3G/4G所需频带数目较2G系统大幅增加，尤其是4G频段众多，而单个终端内PA数目与需要支持的频段数目正向相关，不相邻频段间难以实现PA复用；另一方面，3G/4G的通讯信号调制方式与2G不同，对PA的特性要求不同（3G/4G要求使用线性PA），基于性能考虑很难通用。加之各国各运营商频段和制式（FDD/TDD）分配情况复杂，单个手持终端为满足用户多模多频的实际应用需求，需要集成的PA个数和实现复杂度都随之提升，进而导致单机PA成本提升。统计结果显示，2G时代手机单机PA芯片成本仅0.3美元/部，3G手机则提升至约1.25美元/部，而4G时代则增至2美元～3.25美元/部，高端手机成本甚至更高，仅iPhone6射频部分就使用了6颗PA芯片。据StrategyAnalytics，5G手机天线可能与信号收发器集成，需多颗PA组成发射通道，未来单机所需PA或达16颗。移动通讯升级成为化合物射频半导体持续增长的主要动力。移动终端射频前端作为化合物集成电路的主要应用市场，其增长速度大于终端产品出货量增速，主要受益于3G/4G单机PA复杂度的上升和成本的增加。根据终端出货情况和对应射频前端成本，我们测算2014年全球手持终端市场PA芯片（部分含Switch）总产值约40.38亿美元，预计2018年，总产值将增长至86.57亿美元。未来5G技术的发展将进一步拓展化合物PA芯片的市场空间。5G标准预计采用的高载频（6G～80GHz），高数据吞吐率和宽频多天线系统，对PA性能指标和数目也提出更高的要求。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。砷化镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持宽带宽等特点，5G时代将被广泛应用于基站等基础设施，而氮化镓有望在更广阔的移动终端市场成为主力。目前CMOS工艺射频器件尚不能满足3G/4G通讯性能的需求。可以预计在未来载波频率更高、频段更多、频宽更宽的5G时代，氮化镓化合物PA芯片仍将占据主流，将进一步强化和拓展化合物半导体产业的市场空间。同时，PA应用数量将大幅提升，StrategyAnalytics称5G时代单机所需PA或达16颗。辅助驱动：物联网高性能互连需求和军工无线网关领域对高数据率远距离传输的性能需求，将加速推动WiFi领域对化合物射频功放芯片的需求。目前无线局域网网关WiFi领域采用的802.11b/g/n标准对射频性能要求不高，功率发射单元多被集成到WIFI基带芯片中，只有中高端方案采用单独PA芯片供WIFI使用。从2016年开始，在无线局域网网关和物联网WiFi领域，支持双频（2GHz&5GHz），MIMO（多进多出天线）和高发射功率性能需求的802.11ac标准的设备市占率将大幅增加。根据InfoneticsResearch预测结果，2018年802.11ac标准WiFi市场占比将超过80%。预计在手机WiFi模块应用上也将出现同样的趋势。支持802.11ac协议的旗舰手机目前已逐步增加，业界标杆企业苹果在iphone6/6plus中已配置支持该协议的WiFi模组。物联网对数据传输速率和多频运行环境支持将进一步拉动性能优势明显的GaAsPA增量快速发展。军工领域对于高端通讯产品的需求也将促进化合物半导体射频芯片市场更快增长。未来雷达和电子战系统需要大功率的无线信号发射系统，器件的可靠性要求也更为严苛，其功放芯片通常采用GaN或GaAs制造。根据StrategyAnalytics的预测，2018年军用GaAs器件市场规模将达到5亿美元，年复合增长率达13%，其中最大的应用领域为雷达，约占60%。军用领域的增长驱动以及军用产品国产化的迫切需求将给化合物半导体带来更大的市场空间。化合物射频集成电路：百亿美金市场空间砷化镓占据射频PA市场绝对市场份额，2020年可达百亿美元规模。2014年，全球PA市场规模为73.9亿美元，由于砷化镓PA由于相对Si基CMOSPA性能优势明显，砷化镓PA产值占据绝对市场份额，合计71.49亿美元，市场占比高达94%。同时，受益于移动终端升级、物联网产业的持续发展，PA市场总量预计2020年将增至114.16亿美元，2014至2020年复合增长率为7.51%。氮化镓射频器件市场预计2020年可达6.2亿美元。YoleDevelopment数据显示，2010年全球氮化镓射频器件市场总体规模仅为6300万美元，2015年2.98亿美元，2020年预计约6.2亿美元。2015年至2022年复合增长率为13%。总体市场规模相对于砷化镓射频芯片小很多，但考虑到氮化镓PA器件在军事安全领域和高性能民用基站、高频功率转换器件等领域的诸多应用，其战略位置和发展前景不言而喻。寡头格局