一、化合物半導體：射頻應用前景廣闊 化合物半導體在通訊射頻領域主要用于功率放大器、射頻開關、濾波器等器件中。砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導體分別作為第二代和第三代半導體的代表，相比第一代半導體高頻性能、高溫性能優異很多，制造成本更為高昂，可謂是半導體中的新貴。
▲不同化合物半導體應用領域
三大化合物半導體材料中，GaAs占大頭，主要用于通訊領域，全球市場容量接近百億美元，主要受益通信射頻芯片尤其是PA升級驅動；GaN大功率、高頻性能更出色，主要應用于軍事領域，目前市場容量不到10億美元，隨著成本下降有望迎來廣泛應用；SiC主要作為高功率半導體材料應用于汽車以及工業電力電子，在大功率轉換應用中具有巨大的優勢。
▲化合物半導體材料性能更為優異
砷化鎵 相較于第一代硅半導體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應用在主流的商用無線通信、光通訊以及國防軍工用途上。無線通信的普及與硅在高頻特性上的限制共同催生砷化鎵材料脫穎而出，在無線通訊領域得到大規模應用。
基帶和射頻模塊是完成3/4/5G蜂窩通訊功能的核心部件。射頻模塊一般由收發器和前端模組（PA、Switch、Filter）組成。其中砷化鎵目前已經成為PA和Switch的主流材料。
4G/5G頻段持續提升，驅動PA用量增長。由于單顆PA芯片僅能處理固定頻段的信號，所以蜂窩通訊頻段的增加會顯著提升智能手機單機PA消耗量。隨著4G通訊的普及，移動通訊的頻段由2010年的6個急速擴張到43個，5G時代更有有望提升至60以上。目前主流4G通信采用5頻13模，平均使用7顆PA，4個射頻開關器。
資料來源：QORVO，國盛證券研究所 ▲PA價值量明顯受益4G發展趨勢
從Yole Development等第三方研究機構估算來看，2017年全球用于PA的GaAs 器件市場規模達到80-90億美元，大部分的市場份額集中于Skyworks、Qorvo、Avago 三大巨頭。預計隨著通信升級未來兩年有望正式超過100億美元。
同時應用市場決定無需60 nm線寬以下先進制程工藝，不追求最先進制程工藝是另外一個特點。化合物半導體面向射頻、高電壓大功率、光電子等領域，無需先進工藝。GaAs和GaN器件以0.13、0.18μm以上工藝為主。Qorvo正在進行90nm工藝研發。此外由于受GaAs和SiC襯底尺寸限制，目前生產線基本全為4英寸和6英寸。以Qorvo為例，我們統計下來氮化鎵制程基本線寬在0.25-0.50um，生產線以4英寸為主。
資料來源：qorvo，國盛證券研究所 ▲Qorvo氮化鎵射頻器件工藝制程
氮化鎵： 氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)并稱為第三代半導體材料的雙雄，由于性能不同，二者的應用領域也不相同。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速率大、熱導率高、化學性質穩定和抗輻射能力強等優點，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一。
資料來源：英飛凌，國盛證券研究所 ▲GaN HEMT禁帶寬度表現優異
目前氮化鎵器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域；在民用領域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。氮化鎵基站PA的功放效率較其他材料更高，因而能節省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段，功率密度大，能夠減少基站體積和質量。 資料來源：RFMD，國盛證券研究所 ▲GaN較GaAs大幅減少體積
氮化鎵射頻器件高速成長，復合增速23%，下游市場結構整體保持穩定。研究機構YoleDevelopment數據顯示，2017年氮化鎵射頻市場規模為3.8億美元，將于2023年增長至13億美元，復合增速為22.9%。下游應用結構整體保持穩定，以通訊與軍工為主，二者合計占比約為80%。 資料來源：Yole、國盛證券研究所 ▲氮化鎵射頻器件下游結構
基站建設將是氮化鎵市場成長的主要驅動力之一。Yoledevelopment數據顯示，2018年，基站端氮化鎵射頻器件市場規模不足2億美元，預計到2023年，基站端氮化鎵市場規模將超5億美元。氮化鎵射頻器件市場整體將保持23%的復合增速，2023年市場規模有望達13億美元。
資料來源：Yole、國盛證券研究所 ▲氮化鎵射頻器件市場結構
氮化鎵將占射頻器件市場半壁江山。在射頻器件領域，目前LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）、GaAs（砷化鎵）、GaN（氮化鎵）三者占比相差不大，但據Yoledevelopment預測，至2025年，砷化鎵市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵有望替代大部分LDMOS份額，占據射頻器件市場約50%的份額。
▲射頻器件市場結構
2、FPGA：賽靈思預計5G有望帶來3~4倍相關收入 隨著目前5G時代的進展以及AI的推進速度，MRFR預測FPGA在2025年有望達到約125.21億美元。在2013年全球FPGA的市場規模在45.63億美元，至2018年全球FPGA的市場規模緩步增長至63.35億美元。
▲FPGA全球市場規模（百萬美元）
對于全球FPGA的市場分布而言，MRFR統計對于FPGA的下游應用地區分布而言，目前最大的為亞太地區，占比39.15%，北美占比33.94%，歐洲占比19.42%；而至2025年，亞太地區的占比將會繼續的提高至43.94%，此間原因也主要因為下游應用市場在未來的主要增長大部分集中在亞太地區。 ▲2018市場按地區分布
▲2025E市場按地區分布
FPGA龍頭Xilinx在5月召開的投資者會議中表示，5G將帶來1.5倍的基站數量、2倍的硅含量、1.3倍的市場份額，預計將使賽靈思有線及無線事業群機會收入提高至4G時代的3至4倍。 ▲賽靈思預計5G時代收入
3、存儲：5G大幅催生數據存儲需求！ 5G支持下的AI、物聯網、智能駕駛，從人產生數據到接入設備自動產生數據，數據呈指數級別增長！智能駕駛智能安防對數據樣本進行訓練推斷、物聯網對感應數據進行處理等大幅催生內存性能與存儲需求，數據為王！
所有數據都需要采集、存儲、計算、傳輸，存儲器比重有望持續提升。同時傳感器、微處理器（MCU/AP）、通信（RF、光通訊）環節也將直接受益。存儲器芯片是推動半導體集成電路芯片行業上行的主要抓手，密切關注大陸由特殊、利基型存儲器向先進存儲有效積累、快速發展進程。
存儲器占半導體市場規模增量70%以上。從全球集成電路市場結構來看，全球半導體貿易統計組織預計2018年全球集成電路市場規模達4015.81億美元，相較于2016年增長了1249億美元。而存儲器18年市場規模達1651.10億美元，相較2016年增長了883億美元，占增量比重達71% ▲全球半導體市場結構（百萬美元）
4、天線：5G背景下迎來高速成長機遇 基站端： MassiveMIMO趨勢下，單個基站天線數目將大幅增長。考慮到輕量化、集成化需求，未來5G天線振子工藝上，塑料振子將成為主流。同時，以目前64通道方案來看，單面需集成192個振子，目前振子價格約為1美元左右，2019年國內5G宏站振子市場規模約為3~4億元，考慮逐年調價的情況下，2022年有望達20億元，CAGR達70%以上。 ▲基站天線演變歷程
▲塑料振子
▲5G陣列天線架構
天線有源化將大幅提升天線價值。傳統無源天線，天線與RRU采用分離模式，而5G時代，隨著頻率增加、波長減小，為減小饋線損耗，將采用射頻模塊與天線一體化的設計方案，即AAU。隨著射頻模塊的集成，AAU天線整機價格相較無源天線將由大幅度的增長。 ▲射頻模塊與天線一體化
終端： 手機天線生產工藝經歷了從“彈片天線——FPC天線——LDS天線”的演變過程。2013年以前，單機天線數量較少，包括通信主天線、無線、收音機、GPS、藍牙等，此后隨著智能手機功能的延展，單機的天線數量可以達到10個以上，按用途分大致可分為通訊天線、WiFi天線及NFC天線三種天線模組。 ▲不同天線類型對比
▲天線模組對比
高通已宣布推出全球首款面向智能手機和其他移動終端的全集成5G新空口毫米波及6GHz以下射頻模組，即QTM052毫米波天線模組系列和QPM56xx 6GHz以下射頻模組系列。QTM 052內置四個天線組成的微小陣列，體積極小，初期售價為十數美元，如單個手機使用4個天線模組，即使考慮到規模化、成熟化之后價格下降，單機價值量也將較傳統天線有較大幅度的提高。 ▲高通QTM052天線模組與高通X50調制調解器
5、濾波器：預計復合增速有望近20% 5G來臨，SAW濾波器需求增長。隨著2G 到4G 的發展，手機上的頻段也越來越多，現在在移動通信中所使用的頻段數量已經從2000年初的4個頻段大幅增加到今天的30多個頻段。而且隨著5G的到來這個數字會進一步上升，所使用的濾波器數量也會隨之增加。高通預計2020 年濾波器的單機用量有望接近100 只。 ▲射頻器件價值量（美元）
濾波器類型很多，包括多層陶瓷濾波器、單體式陶瓷濾波器、聲學濾波器、空腔濾波器等。在智能手機射頻前端領域，主要用SAW（聲表面波）濾波器和BAW（體聲波）濾波器。SAW是在壓電基片材料表面產生并傳播，且振幅隨著深入基片材料的深度增加而迅速減少的一種彈性波。相比SAW filter，BAW filter更適合于高頻率。BAW filter有對溫度變化不敏感，插入損耗小，帶外衰減大等優點。與SAW filter不同，聲波在BAW filter里是垂直傳播。 ▲SAW原理
▲BAW原理
根據Yole Development的報告數據，2017年全球射頻前端市場達到150 億美元，其中濾波器占80 億美元。2022年預計射頻前端市場有望達到228億美元，而濾波器市場成長最快，CAGR 約為19%。 ▲全球射頻前端市場空間
目前全球射頻前端市場集中度較高，前四大廠商Skyworks、Qorvo、Avago、Murata占據著全球85%的市場，且均是日美發達國家企業，而這也意味著國產射頻企業的成長空間巨大。目前國內主要參與SAW 濾波器行業競爭的國內廠家有：麥捷科技（中電26 所）、信維通信（德清華瑩、中電55 所）、無錫好達電子、三安光電等。 ▲SAW市場份額
▲BAW市場份額
▲國內的SAW廠商
6、PCB及CCL 在5G的時代之下，作為通信設備的原材料PCB也是被影響的最多之一的： 1. 因需求致使單價提高：由于5G使用的是Sub6G以及毫米波頻段，對PCB承載高頻頻段以及高速傳輸數據的性質較過往有著質的提高，也就帶動了高端PCB板的價格上升。 2. 因結構致使面積增加：同時由于5G頻段的大幅增加，MassiveMIMO結構的應用使得PCB上的元器件數量激增，也直接導致了PCB的面積擴大。 3. 因頻道致使數量激增：再到5G基站的數量上，較為常見的5G頻道由于頻率為4G的兩倍，即從物理學概念而言相同情況下5G頻道所能覆蓋的范圍僅為4G頻道覆蓋范圍的1/4，這也意味著5G基站所需將會是4G基站的4倍。但由于目前技術提高所致的高功率以及多天線設計，5G基站根據中國產業信息網預測所需要的數量可能會是4G基站的1.1~1.5倍。
單價、使用面積、使用數量，這三者均因為5G的到來而帶動PCB產業的升溫。而我們也將在下文具體分析各自原因。
5G建設之：起量 5G由于需要提供更快的傳輸速度（4G網絡的40倍），所使用的頻率將向高頻率頻道轉移，從而無法避免的會將其信號的衍射能力（即繞過障礙物的能力）降低，而想要將其解決的辦法即使：增建更多基站以增加覆蓋。
較為常見的5G頻道由于頻率為4G的兩倍，即從物理學概念而言相同情況下5G頻道所能覆蓋的范圍僅為4G頻道覆蓋范圍的1/4，這也意味著5G基站所需將會是4G基站的4倍。但由于目前技術提高所致的高功率以及多天線設計，5G基站根據中國產業信息網預測所需要的數量可能會是4G基站的1.1~1.5倍。
根據賽迪顧問的預測數據顯示，5G宏基站的數量在2026年預計將達到475萬個，是2017年底4G基站328萬個的1.45倍左右，配套的小基站數量約為宏基站的2倍，約為950萬個，總共基站數量約為1425萬個。PCB是基站建設中不可缺少的電子材料，如此龐大的基站量，將會產生巨大的PCB增量空間。 ▲宏基站
▲微基站
隨著5G的推廣，從5G的建設需求來看，5G將會采取"宏站加小站"組網覆蓋的模式，歷次基站的升級，都會帶來一輪原有基站改造和新基站建設潮。2017年我國4G廣覆蓋階段基本結束，4G宏基站達到328萬個。根據賽迪顧問預測，5G宏基站總數量將會是4G宏基站1.1~1.5倍，對應360萬至492萬5G宏基站。 ▲宏基站年建設數量預測
于此同時在小站方面，毫米波高頻段的小站覆蓋范圍是10~20m，應用于熱點區域或更高容量業務場景，其數量保守估計將是宏站的2倍，由此我們預計5G小站將達到950萬個。
從下游終端市場來看，5G的出現將極大的改變人們的生活方式，實現4K+超高清視頻觀看、在線AR/VR、云辦公、云游戲等全新體驗，5G的出現對各行業都有重要影響，更是會再次點燃通信市場，通信用PCB將會出現巨大增量市場。 ▲通信領域各環節所使用的PCB說明
5G建設之：高價 在前文我們所寫的從物理角度上而言5G的傳輸面積僅為4G的1/4，但因為技術的提高，目前5G所需覆蓋4G同區域理論而言為1.1~1.5倍。而其根本的技術改變源自于多方面，其中即包括了結構改變以及材料改變這兩種，而他們也就直接導致了5G用PCB板的價格提升。
結構改變：RRU+天線=AAU，PCB用量提高。從5G宏基站的結構方式來看，5G宏基站的結構方式與4G基站相比發生了巨大變化。 ▲5G基站BBU拆分為CU和DU
▲Massive MIMO及RRU合并示意圖
4G基站分為三部分：分別是BBU（基帶處理單元）、RRU（射頻拉遠單元）、天饋系統，RRU和天線之前通過饋線連接。
5G宏基站則將將天線和RRU集合為AAU（有源天線單元），配以CU(集中單元)、DU（分布單元）最終形成5G宏基站架構。AAU射頻板要在很小的空間內集成更多地電子元件，同時需要滿足隔離要求，此時天線和RRU的集成位AAU的過程中就需要采用更多層的PCB板材，由此增加了單個宏基站的PCB使用量。 ▲5G宏基站與4G基站PCB價值量測算
根據我們進行的產業鏈調研及測算，在單個4G基站內所使用的PCB板材總量約為0.294平方米，而在5G宏基站內所使用的量根據測算約為0.513平方米。從量級上5G宏基站所使用的PCB將會是4G基站所使用的不到一倍。
5G基站用PCB要求之高直接致使PCB價格上漲。由于5G建設使用的是高頻高速等高性能PCB板，較之4G所使用材料來說在價值量上有大幅提升。高端PCB板材與低端板材價值量差異巨大，僅僅考慮原材料之一的覆銅板而言，低端基材與高端之間都有數倍的差異。 ▲天線陣列演化需要使用更多高頻材料
▲不同種類覆銅板價格差異
此外，5G大規模使用MIMO技術以實現海量信號的高效傳輸，4G基站天線陣列單元通常小于等于8個，由于5G大規模使用MIMO技術，天線陣列單元普遍達到了64/128個左右，天線單元之間也是通過高頻PCB進行集合，由此產生疊加增量空間。 ▲5G天線陣子集成
從信道帶寬來看，5G信道的增寬也使得基站所用的單片PCB面積有所擴大，進一步增加了5G基站的PCB使用面積。
5G建設之：高壁壘 國內PCB行業集中度不高，往期市場紅利都是由眾多廠商共同分享，但此次的5G建設帶來的市場紅利卻只會由龍頭廠商獨享。5G時代不同于4G，在5G時代中，使用“高頻+低頻”的組合頻道模式，具有“連續廣域覆蓋”、“高容量”“低延時”等特點，由于高頻頻率的引入，5G建設所使用的板材必須是高端的高頻高速PCB板，生產具有較大的技術壁壘，僅有少部分龍頭廠商具備規模化生產能力。
PCB板材中，介電常數Dk、介質損耗Df、導體表面粗糙程度對板材性能影響重大，高頻高速PCB板必須保證以下三點： 1. 實現高速傳輸必須保證較低的介電常數； 2. 高頻信號的傳輸具有較高的損耗，因此必須保證介質損耗處于低位； 3. 導體表面的粗糙程度會對信號的傳輸會產生趨膚相應，趨膚效應越強，信號傳輸影響越大。 因此，高頻高速板材須使得導體表面較為光滑。 ▲介質損耗與速率反相關（左）、以及趨膚深度與頻率（右）
▲趨膚效應示例
除此之外，要使得PCB板更好傳輸高頻信號，對熱膨脹系數、吸水性、耐熱性、抗化學性等物理性能也有較高要求。 ▲高性能PCB板要求
高端PCB板材的優良特性也造成了極高的加工難度，提升了行業的技術壁壘，不具備高端PCB生產技術的小廠商將逐步被淘汰出核心圈，而國內具有較高技術能力的大廠商將會獨享5G盛宴。本圖文來源：ittbank
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發表于 2019-7-1 16:32:20
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