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Icbank半导体行业观察

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5G带给IC产业的十年一遇机会

2018-12-15
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来源:内容来自中信建投电子研究团队,文 | 黄瑜  马红丽  朱立文,谢谢。


一、5G全面带动产业创新


1.1 近十年一遇的技术升级

我们创新性地提出电子行业创新周期模型:一个完整的行业创新周期可以分为创新期、渗透期和稳定期。

1)创新期:为行业周期的初始阶段,行业驱动因素为新品研发导致的ASP提升。由于短期内渗透率较低,故本阶段对公司的业绩增厚并不明显,但行业估值出现明显回升,研发驱动型的企业最先受益。

2)渗透期:随着技术成熟和成本下降,创新产品的产业化水平逐步提升,虽然新产品ASP下降,但在新品渗透率快速上升以及换机周期缩短的推动下,企业在经营上仍然体现为量价齐升,业绩快速释放,估值进一步上行,其中扩张能力强的进取型企业有望表现最佳。

3)稳定期:行业整体技术进步放缓,集中度开始提升,客户对供应链的管理加强,成本控制/精细化管理能力较强的企业获得更大份额,同时由于行业增速下降,整体估值下移。

从历史上看,每一轮电子产业创新周期均主要由通信代际升级驱动,历时5-8年。我们认为2017-18年为4G时代的稳定成熟期,而进入2019年,运营商加速投入5G网络建设,电子终端产品亦有望在运营商、品牌厂等推动下,迎来新一轮创新周期。

从产品及应用场景来看,iPhone X在材料、设计以及交互方式上领先创新(包括高频材料、3D光学等),本质上是4G向5G过渡期的提前探索。预计2019年安卓阵营将推出多款5G手机,成为5G终端的起点,而苹果则将在2020年推出5G版本的iPhone,且智能汽车、AR眼镜等新型终端有望放量,带动5G终端渗透率大幅提升。而带有创新配置的终端保有量不断积累,也将使AI、AR等新兴应用场景具备更大的推广可能,有望再次看到应用与硬件之间的相互促进和良性循环。

1.2 5G 商用已进入全方位冲刺阶段

1.2.1 5G标准、运营商、芯片、终端进展加快

2018年,4G LTE网络已进入十年部署的后半程。随着LTE-A和LTE-A Pro网络的建设,通信网络已从4.5G逐渐过渡到Pre-5G时代。通信网络的升级将极大提高用户体验,拓展应用场景。根据Ericsson预测,全球移动数据流量正快速增长,预计2017年至2022年的CAGR将超过40%。5G网络的升级将极大的提高网络速率,从而促进高清视频、VR/AR等高流量需求的应用。此外,5G还将在物联网和关键任务服务上扩展应用场景。

5G网络标准和规范正逐步完成,预标准的5G商用部署将更早启动。5G标准由ITU、3GPP等通信行业组织制定。目前3GPP已提前完成5G NR标准,ITU将提交5G提案,而IMT-2020规范将于2020年完成,部分运营商可在2019年实现商业部署。全球来看,美国四大运营商已宣布于2018年底至2019年中提供5G服务,韩国、日本、中国也将于2019年部署早期5G网络,而5G网络大规模部署则将于2020年启动。我们认为,5G商用将分阶段影响电子行业。从商用阶段来看,5G网络标准先行,芯片其后,终端的研发测试最后。目前阶段,运营商、终端厂商、芯片厂商已经进入原型测试密集期,5G商用进入全方位冲刺阶段。

部分5G基带芯片已进入出货阶段,2019年将有更多基带上市。2018年10月17日,高通发布首款5G基带芯片X50。该基带采用28nm工艺,峰值达5Gbps,支持毫米波和中国规划的Sub-6GHz中频;同时它将采用外挂形式,支持骁龙835、845和8150旗舰芯片。除苹果、华为以外,OPPO、vivo、小米等18家主要安卓手机厂商均参与高通5G芯片合作。除高通外,Intel、三星、华为、MTK也已推出5G基带芯片。出货进展方面,目前高通X50 5G基带已实现出货,三星Exynos 5100基带计划2018年底后出货,华为Balong 5000基带芯片计划2019上半年出货,MTK Helio M70基带计划2019上半年出货,Intel XMM 8160基带计划2019年底出货。我们认为,各大基带厂商作为5G终端设备的核心供应商进展顺利,为终端厂商的5G商用计划打下良好基础。

5G终端商用进入冲刺阶段,2019年将是5G手机商用元年。根据Ericsson 2018报告,智能手机、路由器、CPE、平板等终端的5G商用进展将分阶段推进。最早的5G商用终端以固定无线设备(FWA)和数据连接设备为主,包括CPE和路由器等网络设备。这类终端将为5G网络提供流量入口,预计将于2018年底推出。手机方面,预计业界将于2019上半年推出支持中频段的5G商用机,2019年中或下半年推出支持毫米波的5G商用机。另外,5G将为更多行业提供新用例,预计2020年将首次商用支持工业监控的超低延迟5G物联网模组。网络连接量方面,5G商用早期阶段的渗透率较低,但随着网络和芯片的成本降低,以及终端设备的价格降低,预计5G终端将于2020-2023年迎来快速增长,预计2023年全球将有10亿个支持5G增强移动宽带的终端设备。

 目前各大终端厂商正积极布局5G手机,主流安卓厂商均计划在2019年推出5G预商用手机。例如OPPO、vivo、小米已宣布完成5G信令链接、数据链路链接测试等功能测试,三星、华为也计划于2019年推出5G商用手机。另外,苹果与Intel等基带芯片厂商在5G方面合作,计划于2020年推出5G版iPhone。

    

1.2.2  5G商用将缩短换机周期,预计2020-2023年开启新一轮换机潮

回顾历代通信终端升级历史,我们发现在新一代通信终端首次投入使用后的第2-5年是其增长最快的时期。2008年3G手机首次商用,手机终端进入互联网时代,文字、图片和基础互联网服务成为消费者关注热点。在其后的2009-2012年间,3G手机渗透率快速提升,2012年渗透率达到最高值73.9%。2010年4G手机首次商用,手机终端进入互联网+时代,更高速度和无处不在的网络连接使视频、互联网服务、O2O成为消费者关注热点。2011-2014年间,4G手机渗透率快速提升,2014年渗透率达到37.9%。我们认为,换机潮的本质是网络应用生态的完善和服务体验的提升,其背后动力则来自运营商、设备商、终端商、芯片商和配套厂商的协力创新。

后4G时代换机周期延长,而5G将缩短换机周期。据IDC统计,2014年以来,换机周期不断延长,内部原因在于手机质量提高和寿命延长,外部原因在于4G所能承载的应用创新和服务创新逐渐饱和,而非革命性的局部创新难以刺激用户换机需求。随着5G商用加速,高清视频、VR/AR、5G物联网等创新应用和创新生态的兴起,应用和服务体验创新必将大幅提升用户体验。目前部分安卓厂商已明确表示2019年首次商用5G手机。我们认为,2019年将是5G手机创新元年,5G+AI+折叠屏创新将燃起新一轮换机需求。由于2019年处于5G预商用阶段,技术和服务尚在摸索阶段,因此5G手机出货量有限。我们预计2020-2023年将开启新一轮换机潮。

    

1.3 5G应用场景更加丰富,带动细分市场增长

1.3.1 5G网络/应用体系及其对下游行业的带动

5G应用围绕四层体系展开,从终端智能化,到网络高效化,到信息数据化,最终与传统行业紧密融合、孕育基于5G的新兴信息产品和服务,重塑产业发展模式。5G通信模块使得传统终端拥有强大的感知能力、反馈能力、以及操控能力,在新兴终端上实现智能交互。网络层面,5G高容量、大连接、低延时特点,可在eMBB、uRLLC、mMTC等多种场景下应用,实现端到端海量信息传输。强大的数据传输能力使得5G和大数据、云计算等前沿科学深度结合,进一步释放人工智能在各个行业领域的潜力,而这些计算和分析为5G应用提供了平台型的解决方案。最终,终端、网络、数据的革新将驱动传统领域往智能化数据化的方向发展,实现万物互联。

5G可实现增强型移动宽带、海量物联网、关键任务型服务三大类服务,将极大扩展无线通信的应用场景。(1)增强型移动宽带(eMBB)基于5G中频和毫米波频段,将实现更广更快的无线连接。(2)海量物联网(MIoT)基于5G Sub-1GHz频段,借助早期的物联网和机对机通信技术,在低功耗和低成本要求下,将为数百亿台终端和数万亿连接提供无线支持。(3)关键任务型服务(MCS)基于5G毫米波频段,将以高可靠、超低时延的网络连接支持高安全性、高可用性应用。根据IHS Markit估计,2035年5G在全球创造的潜在销售活动将达12.3万亿美元,约占2035年全球实际总产出的4.6%,并将跨越多个产业部门。

 5G生态是一个有机整体,但5G三大频段具有不同应用场景和电子系统设计。5G Sub-1GHz频谱较窄,可较好满足低功耗、低成本,并且网络速率较慢的物联网应用。5G Sub-6GHz是当前LTE网络向5G网络的扩展延伸,适用于高清视频、VR/AR等需要更高网络速率的应用场景。5G毫米波通常应用于短距离高速传输,适用于车联网、自动驾驶、医疗机器人等大带宽低时延应用场景。5G生态基于5G物联网、Sub-6GHz、毫米波技术的并行发展,与此同时三大频段之间的连接将5G整合为一个有机整体。另外,对于手机等终端射频系统,5G物联网和5G Sub-6GHz的电子封装大致维持3G/4G时代的结构模组,即分为天线、射频前端、收发器和基带四个系统级封装和模组。对于5G毫米波频段,天线、射频前端和收发器则将整合成单个系统级封装。

5G将成电子行业长期增长引擎,看好汽车电子、VR/AR、物联网电子等细分市场。根据IC Insights数据,2019年全球电子元器件产值将达到1.68万亿美元,同比增长3.5%。就应用市场而言,汽车电子、通信电子、工业/医疗电子将是2019年和未来3年增长最快应用市场。5G细分行业方面,智能手机以流量入口地位将是5G首选平台。此外,VR/AR、车联网、自动驾驶等新应用也将受益5G技术的成熟。我们认为汽车电子、VR/AR、物联网电子将是5G优先受益行业,有望带动上游相关配套的电子元器件市场。

    

1.3.2  5G加速汽车电子化,有望提升汽车电子和汽车半导体ASP

汽车产业正处于智能化发展初期,而其终极目标是实现完全自动化、联网化的智能汽车。高速低延迟的5G将加速车联网、智能驾驶、无人驾驶、汽车娱乐、电动汽车趋势,并通过智能化提高汽车电子化程度和汽车电子ASP。我们认为5G汽车电子的受益是全方位的,包括Wi-Fi、蓝牙、蜂窝模块、毫米波雷达、毫米波天线、无线充电等射频电子,以及显示器、摄像头、声学器件、传感器、控制器、功率器件、无源器件、PCB等。

根据IHS数据,2016-2022年汽车电子ASP保持5.6%年均增长,2022年汽车电子ASP达1500美元,2022年全球汽车电子价值达1600亿美元。具体到汽车半导体,2016-2022年汽车半导体市场保持7.1%年均增长,2022年市场空间达580亿美元,占汽车电子的36%。根据McKinsey数据,典型中等汽车的汽车半导体ASP为350美元,对于混合动力/豪华汽车其汽车半导体ASP可高达600-1000美元。我们预计,随着电动汽车产量增长和自动驾驶逐渐成熟,2020年后汽车电子/汽车半导体市场将加速增长,看好MCU、模拟IC等细分行业。

1.3.3 加速VR/AR应用,带动下游电子元器件成长

VR/AR通过虚拟现实增强用户体验,在游戏、影音、教育、展示、营销、测绘、导航等应用上极有前景。而VR/AR与低时延和高速率的5G网络的结合,可以进一步拓展其交互性和沉浸式体验,有望被各行各业的通用型应用广泛使用。根据ABI Research预计,VR在未来几年将不断普及,到2022年,VR用户将达到2.56亿,VR市场规模也将超过600亿美金,此外VR/AR未来将不断融合。随着VR/AR市场兴起,其对电子元器件的需求亦将释放,处理器、存储器、PCB、摄像头、OLED、声学器件、光学器件、传感器等的需求将实现增长。例如,对于VR显示屏,AM OLED以其特有优势正加速替代传统液晶屏,VR/AR OLED需求量将在2017-2021年将实现112%的年均复合增长。对于VR/AR和AI应用的传感器,2017年市场空间约为970亿美元,2017-2022年市场空间将实现11%的年均复合增长,2022年VR/AR和AI应用的传感器市场空间可达1600亿美元。

 

1.3.4 5G IoT 将驱动电子/半导体行业长期增长

5G IoT可较好满足低功耗、低成本,且网络速率较慢的物联网应用,将深度受益5GSub-1GHz网络连接。5G IoT正加速在全球范围内的部署,目前全球已经商用部署60多个Cat-M1和NB-IoT标准的蜂窝物联网。例如在中国,NB-IoT技术已在全国部署,并支持智能城市和智能农业等用例。我们认为,这两种物联网技术的大规模部署以及由此产生的大批量芯片组预计将降低芯片组价格,并进一步加速蜂窝物联网连接。随着5GIoT标准逐渐落地,芯片逐渐完善,成本不断降低,蜂窝物联网连接数有望在2019-2023年迎来爆发式增长。根据Ericsson预测,2017年蜂窝物联网连接数量为7亿个,2023年则有望达35亿,复合年均增长率达30%。

IoT器件作为半导体子行业,具有典型的规模经济特征。我们认为,技术成熟度提高和应用生态的完善将显著降低物联网器件的成本,加速物联网从当前大而散的应用生态转向规模经济。我们认为,5G IoT将驱动半导体行业长期增长,主要受益器件包括连接类器件(无线通信和有线通信器件)、传感类器件和处理器(AP、MCU、DSP等)。根据IHS数据,IoT半导体器件出货量将从2016年的324亿增长到2025的741亿,年均复合增长9.6%。市场价值方面,IoT半导体器件市场将从2016年的940亿美元增长到2025年的1728亿美元。

       


二、5G创新带动零组件充分收益


2.1 LCP/MPI 天线:受益5G高频高速和小型化趋势

2.1.1 苹果引领LCP/MPI天线浪潮

2017年苹果首次在iPhone X/8/8Plus中使用LCP天线,开启LCP在电子设备的商用热潮。传统天线软板使用PI基材,而iPhone X使用LCP基材(液晶聚合物)天线,可提高天线的高频高速性能并减小空间占用。据产业界拆解,iPhone X使用2个LCP天线,iPhone 8/8 Plus使用1个局部基于LCP软板的天线。2018新机中,iPhone XS/XS Max使用了3个LCP天线,iPhone XR使用了2个LCP天线,渗透率继续提升。价值量方面,iPhone X单根LCP天线约4-5美元,2根合计8-10美元;iPhone 7 PI天线单机价值约0.4美元,从PI天线到LCP天线单机价值提升约20倍。此外,iPhone X还在中继线和3D Sensing摄像头模组中使用了LCP材料,用于改善信号传输的高频高速性能和模组小型化能力。我们认为,iPhone X首度使用LCP软板意义重大,可解读为苹果为5G的布局和验证;对于电子行业层面,LCP软板正成为高频高速和小型化趋势下新的软板技术浪潮。

 

2.1.2 高频高速和小型化趋势下,LCP/MPI将替代传统PI软板/模组

随着高频高速应用趋势的兴起,LCP/MPI将替代PI成为新的软板工艺。5G趋势下,通信频率和网络带宽越来越高。为了适应网络和终端的高频高速趋势,传统PI软板作为终端设备的天线和传输线,正在遭遇性能瓶颈。而基于LCP基材的LCP软板凭借在传输损耗、可弯折性、尺寸稳定性、吸湿性等方面的优势,既可用于高频高速数据传输,也可用作高频封装材料,因此成为高频高速趋势下传统PI软板的绝佳替代工艺。此外,随着MPI(改质PI,一种改良的PI)技术的成熟,MPI的综合性能也在15GHz以下频率范围内接近LCP。

5G时代LCP/MPI有望共存,但LCP才是主角。随着MPI技术逐渐成熟,对于工作频率在15GHz以下的1-4层简单软板,MPI性能已可比LCP。因此,出于供应商生态、产能、成品率和成本考虑,我们判断2019年苹果可能局部采用MPI以替代LCP(新的天线模组可能集成更多功能)。尽管如此,LCP仍是未来趋势,并且对于15GHz以上应用或4层以上的复杂软板,LCP是较优选择。我们认为,MPI是5G Sub-6GHz过渡技术,无法完全替代LCP;而LCP才是5G终端中最重要的高频高速软板,其最重量级的应用将是毫米波天线模组,业内龙头Qualcomm、Murata均在积极布局。

LCP/MPI软板替代PI软板和同轴电缆,可实现更高程度的小型化。空间压缩趋势下,手机厂商对小型化天线模组和连接器/线的需求越来越强烈。LCP/MPI软板相较PI软板具有更好的柔性能力,可以自由设计形状,因此能充分利用手机中的狭小空间,具有更好的空间利用效率和弯折可靠性。以跨越电池的软板排线为例,传统软板在回弹效应下无法较好地贴合电池表面,而村田的MetroCirc(一种LCP软板)可完美贴合电池进行排线,从而节省更多空间。此外,对于天线传输线应用,LCP软板相较传统同轴电缆方案可进一步提高空间效率。LCP软板拥有与同轴电缆同等优秀的传输损耗,并可在0.2毫米的3层结构中容纳若干根同轴电缆,从而取代肥厚的同轴电缆和同轴连接器,并减小65%的厚度,具有更高的空间效率。

 LCP可实现射频电路的柔性埋置封装,具有更高价值,有望成为5G射频电路的最佳封装方案。LCP封装由两种不同熔点的LCP材料构成,高熔点温度LCP(315ºC)用作核心层,低熔点温度LCP(290ºC)用作粘合层,多层之间埋置无源器件和有源器件,并以金属通孔互联构成多层电路结构。例如,村田已开发出可集成MLCC和射频前端的LCP多层基板产品MetroCirc。我们认为,LCP从软板到封装模组已经发生质的变化,其产品属性已从早期的天线和传输线扩展至具有模组封装能力的柔性载板,产品附加值将得到大幅提升。

 高频高速和小型化趋势下,LCP/MPI将全面替代传输线。LCP/MPI软板具有和传输线同等优秀的高频性能,因此有望凭借更优的空间效率替代天线传输线。目前,村田制作所和住友电工均已推出兼有天线传输线功能的LCP天线,苹果亦已在iPhone X/XS中商用兼有天线传输线功能的LCP天线。我们认为小型化需求下,LCP软板对天线传输线的替代是未来趋势;苹果示范效应下,安卓阵营亦有望采用兼传输线功能的LCP天线。

除天线传输线之外,LCP/MPI软板还将替代高速接口传输线。随着终端应用和网络速度的不断提高,设备间的数据传输速率已从几百Mbps提升到几Gbps。通常情况下,主板和高速接口用体积肥厚的同轴电缆连接。随着新标准的数据速率越来越高,传输损耗日益严重。为了进一步提高数据接口的传输速度,并减小空间占用,可使用具有良好高频特性的LCP/MPI软板替代传统接口电缆。我们认为,在数据接口高速化趋势下,终端天线、高速接口传输线、服务器内部传输线对LCP/MPI软板的替代需求日益增加,构成对传统传输线的替代逻辑。

 LCP封装有望成为天线和射频前端集成的终极方案,5G到来后,天线市场的增量逻辑将从天线软板量价齐升转为高密度LCP封装带来的价值提升。目前阶段,手机天线主要采用软板工艺,并逐渐从2x2 MIMO向4x4 MIMO渗透。5G到来后,终端将采用数量更多但面积更小的阵列天线构架,天线工艺有望转向LCP封装。我们认为,从射频系统角度看,2018-2020年天线市场增量来自天线软板的量价齐升;而2020年后,5G射频将发生质变,天线和射频前端有望集成到封装模组中,届时其价值可能由5G射频模组的数量和封装密度决定。

2.1.3 短期需求确定,长期增长无忧,LCP/MPI市场进入快速增长期

我们看到,LCP/MPI软板的应用不限于终端天线和3D Sensing摄像头软板,其本质是小型化的高频高速软板。从小型化的高频高速软板的逻辑来看,LCP/MPI软板的应用包括天线、摄像头软板、高频连接器/线、高速传输线、显示面板软板、SSD软板、COF基板、通信电缆、毫米波雷达、高频电路基板、多层板、IC封装、u-BGA、扬声器基板等细分领域,将深度受益5G频率和带宽提升及VR/AR等大容量通信需求。我们认为,LCP/MPI软板短期受益于iPhone LCP天线渗透提升;2018-2020年间,受益于MIMO提升对天线的增量需求,及安卓阵营对LCP/MPI天线、高速传输线的替代需求;2020年后,LCP/MPI有望成为主流,受益于5G市场对小型化高频高速软板和LCP封装模组的需求。

iPhone LCP/MPI 天线市场率先爆发。IDC预测,2017-2021年智能手机出货量将从15.17亿部增长到17.43亿部。我们估算,2017-2021年手机LCP/MPI天线渗透率将从6%提升到25%,市场空间有望从3.7亿美元提升到29.2亿美元,年均复合增长57%。另外,2018款iPhone XS/XS Max/XR各使用3/3/2个LCP天线,渗透继续提升。价值方面,iPhone XS/XS Max/XR LCP天线每根2.5-4.5美元,单机价值6-10美元。综合考虑2019年部分LCP天线可能替换为MPI天线,以及MPI天线可能集成dock软板,我们预计2019款iPhone LCP/MPI天线单机价值约8美元,2017-2019年iPhone LCP/MPI天线市场空间为3.66、8.75、11.20亿美元。

LCP/MPI天线价值主要在软板,模组约有3-4成价值含量。细分市场方面,我们估计LCP模组环节的天线价值约占30%,软板环节价值约占70%。再对软板成本进行拆分,按照LCP树脂材料和铜箔各占软板成本15%;另外,MPI材料成本为LCP材料成本70%,并假设2019年LCP/MPI天线出货占比为1:1。我们预计,2017-2019年,iPhone  LCP/MPI模组环节价值量可达1.10、2.63、3.41亿美元,软板价值量可达2.56、6.13、7.79亿美元,LCP/MPI材料价值量可达0.38、0.92、1.02亿美元,铜箔价值量可达0.38、0.92、1.19亿美元。

2.1.4 产业链日趋成熟,大陆厂商迎来机会,立讯率先切入

2018年苹果LCP/MPI天线产业链初步形成:1)材料环节,LCP树脂/膜仍为产业链难点之一,考虑苹果与村田的独家协议,我们判断18年将延续村田独供格局。2)软板环节预计形成分散供应趋势,但由于LCP天线需要特别的材料、配方、设计、制程、设备与测试方案,并且LCP FCCL存在高温液化问题(激光钻孔生热),因此软板厂商面临困难的学习曲线。目前产业链仅有村田与嘉联益,预计今年臻鼎(MPI)等厂商具备切入机会。3)天线模组环节,村田已确认退出,我们判断除安费诺以外,苹果已引入立讯精密,且未来不排除培养臻鼎等公司。从份额来看,模组环节我们判断立讯已替代村田成为iPhone LCP天线主供,有望获得2018年iPhone LCP天线35%左右份额。软板环节,如不考虑臻鼎等潜在厂商,2018年订单仍以村田为主,嘉联益为辅。

 产业链日益完善,大陆公司有望受益。随着5G商用加速,LCP/MPI需求持续扩大,国内产业链日益完善。目前,国内厂商已在LCP天线、LCP封装模组、LCP连接器/线、LCP多层板、LCP软板等领域布局研发和扩展。LCP商用进展上,目前立讯精密已打入苹果天线模组供应,我们看好立讯精密LCP天线模组份额提升。从长期来看,立讯在LCP传输线/连接器等新应用亦有受益机会。信维通信的LCP业务从材料到封装全线布局,亦有望迎来新的成长机遇。信维的多层LCP不仅可实现单根或多根传输线一体化设计,并可实现集成天线的射频前端。我们看好公司“前端材料+中端设计和整合+后端制造”的一体化解决方案和其带来的成长机遇。

       

2.2 射频前端:5G商用之际,射频前端芯片国产化正当其时

2.2.1 网络和终端创新推动射频前端需求和价值提升

射频前端是通信设备核心,具有收发射频信号的重要作用,并决定了通信质量、信号功率、信号带宽、网络连接速度等诸多通信指标。以典型智能手机为代表,其包含的Cellular(蜂窝网络)、BT(蓝牙)、Wi-Fi、GPS、NFC等射频前端模块使得文字/语音/视频通信、上网、高清音视频、定位、文件传输、刷卡等应用服务得以实现。对于智能手机等通信终端设备,位于天线和射频收发器之间的所有组件统称为射频前端。

 iPhone X使用6-7个前端模组实现高中低频全覆盖,模组化程度空前提高。iPhone X  A1865 & A1902中的Broadcom AFEM-8072 PAMiD作为中高频发射模组,集成了3个射频开关、4个模拟IC和双工器、FBAR滤波器等;Skyworks SKY 78140 PAMiD作为低频发射模组,集成了2个射频开关、2个模拟IC和双工器等。高度模组化的射频前端不仅有助减小面积占比,更能有效减小射频系统设计复杂度,提高供应链效率,成为未来趋势。

iPhone射频前端ASP已达30美元,未来还将持续增长。据外媒数据,2013-2018年iPhone射频前端ASP从14.7美元增到30.2美元,年均复合增长15.5%。iPhone XS/Max射频前端ASP约35美元,继续向上突破。我们认为,射频前端价值增长主要来自数据需求提升和网络升级,5G创新趋势下,其价值还将持续保持增长。

 射频前端价值分布不均,滤波器、射频开关、PA合占9成。典型智能手机包含6到数十个前端模组,但由于模组内集成有大量器件,实际单机器件数可能多达50-100多个。平均而言,中高端手机射频前端ASP在14-28美元,其中滤波器、PA、射频开关价值最大,合占前端单机价值9成。随着MIMO升级和5G射频前端重构,以及高发射功率对功耗要求的提高,天线调谐、LNA、包络芯片的需求也迎来增长,单机价值合计达2-3美元。

数据需求爆发、通信技术升级、终端设计创新等因素正推动射频前端需求和价值的快速提升。根据IHS无线半导体竞争报告数据,过去7年手机射频前端市场已从2010年的43亿美元增长到2017年的134亿美元,复合年均增长超过17.7%,增速是整个半导体市场的5倍。根据YOLE数据,2017年手机射频前端市场为160亿美元,预计到2023年增长到352亿美元,未来6年复合增长率达14%,仍是半导体行业增长最快的子市场。

我们认为,2019-2023年射频前端的增长主要分两个阶段:(1)早期增长来自LTE-A  Pro对射频前端的创新需求,但最主要的增长来自中期的5G NSA。2017年底3GPP R15中定义的5G NSA将5G NR(新频谱)纳入LTE网络,从而构建5G过渡网络,因此其建设的双网络连接将更大程度地推动射频前端构架创新。(2)5G频段将分阶段从LTE频段提高到Sub-6GHz,未来还将提升至毫米波频段,因此市场将在原有基础上新增毫米波射频前端。据YOLE预测,2023年用于毫米波段的射频前端模组市场空间将达4.23亿美元。

5G频谱划断全面提升,高频化推动前端工艺演变。5G频谱分为Sub-1GHz、Sub-6GHz和毫米波频段,频谱划断全面提升。Sub-1GHz适用于5G大规模物联网通信,Sub-6GHz适用于100MHz带宽的增强型移动带宽服务,毫米波频段适用于5G固定无线连接和增强型移动带宽连接。高频趋势下,射频前端工艺面临挑战,如声学滤波器不适用于毫米波段。此外,在高频趋势下,PA、LNA、开关等多个器件可能转向SOI工艺。

 射频前端复杂度持续提升,模组化趋势显著。射频前端复杂度随支持的频带数量增加而提高,通常与天线数量和所支持数据流数量相关,但随着全面屏、更多功能组件、更大电池容量等设计持续压缩主板空间,主板上留给此功能区的空间进一步被压缩。因此,开发端的难度和成本不断增加,对高集成度射频前端模组的需求也越来越强烈。目前,根据模组集成度的高低可以将其分为低端模组、中端模组和高端模组。在支持全球通的趋势普及下,高度模组化的射频前端愈加具有竞争力。

中高端机型模组化程度更高,其射频前端具更高价值。随着智能机支持的频带数量急剧增长,叠加不同地区对通信模式和频段要求不同,多机型成为终端厂商的产品策略。旗舰机倾向于支持全球频段,因此拥有高度模组化的射频前端;而中端机为了优化成本通常采用区域性机型,具有较低的模组化程度。价值方面,射频前端的价值和其模组化程度成正相关,例如2012款Galaxy S III中射频模组用量6%,占成本26%;2017款Galaxy S8 Plus射频模组用量则提升至32%,而成本占比达到87%。

        

2.2.2  多层行业壁垒下,高端市场暂由美日厂商垄断

并购整合后美日厂商形成寡头垄断,合占近9成市场份额。美系厂商Broadcom、Qorvo、Skyworks作为第一阵营瓜分高端市场,日系厂商Murata、TDK、Taiyo Yuden作为第二阵营占据中端市场,韩台陆厂作为第三阵营以低端市场为主,并努力向中高端市场渗透。2017年旗舰机中,前2阵营厂商的射频前端占主板面积在10%-25%范围。据SystemPlus统计,同代旗舰机中,美厂Broadcom、Qorvo、Skyworks射频前端主板面积占比最高,其次是日系厂商Murata、TDK。另外,上述5家厂商也持续保持苹果射频前端核心供应商地位。我们认为,由于高端产品的技术壁垒较高,在苹果等旗舰机射频前端领域,供应格局相对稳定,短时间内不会有较大变化。

前端厂商分为产线齐全和产线单一、有无基带话语权、IDM和fabless、有无模组能力等阵营。产线齐全构筑首层壁垒。射频前端作为一个系统工程,供应商的综合产品方案和服务能力至关重要。齐全产线为厂商带来显著优势,不仅能提高客户服务能力和客户黏性,更有利于布局壁垒和价值更高的模组产品。目前,Qualcomm是唯一覆盖包括射频前端和基带在内的整个射频系统的厂商,其他国际大厂也已基本实现覆盖多个产线;国内除紫光展锐等少数厂商外,大多仍专注单品类器件,通过销售分立器件或为模组厂商供货抢占中低端市场。

由于基带与射频前端的协同至关重要,因此基带厂商对前端市场有较大影响力,基带话语权形成第二层壁垒。根据Strategy Analytics数据,2017年全球基带市场达212亿美元,其中Qualcomm以53%份额一家独大。出货量方面,国产厂商紫光展锐以27%份额与Qualcomm、 MTK三分天下。由于基带决定射频前端支持的模式、频数等,因此从底层对射频前端有全局影响。例如,Qualcomm可通过基带捆绑PA并补贴价格抢占市场。

射频前端作为半导体子行业,业态仍以IDM为主,制造和封测能力为第三层壁垒。随着硅基半导体制程标准化提高,半导体企业在剥离生产等重资产环节中逐渐分化并流行fabless+foundry(fab)模式。然而在射频前端领域,由于滤波器、PA、LNA、射频开关、天线调谐等均未采用标准化硅基工艺,而多采用MEMS、化合物半导体、SOI、SiGe等非标准硅基工艺,因此fabless生态并不完善。射频前端产业存在代工壁垒高,先进产能供给不足等问题。我们认为,拥有制造能力或有可靠fab合作伙伴的国产厂商在市场中将更具竞争力。

 模组厂商赢家通吃,模组能力构筑第四层壁垒。并购整合使前端市场在分立器件和前端模组两个领域形成新格局,分立器件竞争激烈,滤波器、射频开关、PA、LNA、天线调谐等细分市场集中度低,厂商众多。前端模组市场存在Broadcom、Qorvo、Skyworks、Murata、TDK等5家龙头,产线齐全,具有设计、制造、封测全链能力,在分立器件领域亦兼具竞争力。细分环节来看,美日厂商在设计领域绝对领先,拥有最好的模组能力和产品;台湾企业在晶圆代工、封装测试等中下游环节占据重要位置;大陆厂商由于在技术、专利、工艺等方面处于劣势,因此集中在无晶圆设计领域,主要供应中低端PA、SAW滤波器、SOI开关等产品,竞争较大。

2.2.3 5G将促使市场格局洗牌,部分国产厂商有望突破

5G重新洗牌射频前端市场,Sub-6GHz领域国际龙头率先调整战略。(1)Broadcom通过将中高频段融合在一起,为5G超高频段(UHB)做好准备。凭借FBAR BAW滤波器技术,Broadcom还拥有高频(HB)和超高频段的主要前端模组。(2)Skyworks的中端产品取得国产OEM HMOV等绝大部分份额,并凭借SkyOne® LTE前端方案在高端模组领域处于领先地位。面向5G,Skyworks以新发布的Sky5TM平台将战略重心定于5G超高频市场。(3)Qorvo采用类似方法,分别通过RF Fusion TM和RF Flex TM平台提供涵盖高端和低端市场的广泛产品组合,并且其优秀的封装测试能力可以缩短市场反应时间并持续改进产品。在5G布局方面,Qorvo是首个推出超高频前端模组的厂商。(4)Murata的前端产品主要涵盖低频段,但非常适合不断增长的多元化的模组市场。(5)Qualcomm是前端市场新进入者,其拥有从调制解调器到天线的完整解决方案。通过整合TDK的滤波器技术,并以价格补贴方式捆绑基带和前端,Qualcomm在前端领域快速占领市场。

Sub-6GHz之外,毫米波前端模组可能更大程度地重构前端行业。毫米波前端可为高速无线连接开辟新途径,并可能拥有与传统射频前端不同的技术路径。目前阶段,除Qualcomm明确定位于5G毫米波射频前端外,其他顶级平台Intel、Samsung、MTK、海思也都在积极探索这一领域。

从4G到5G Sub-6GHz时代,射频前端市场格局仍将延续;而从Sub-6GHz到毫米波时代,高端市场格局可能迎来巨变。我们认为,随着巨头纷纷部署下一代射频前端,传统中高频领域面临的国际竞争反而可能降低。例如,在从3G到4G升级阶段,国际巨头纷纷退出中低端PA市场,国产厂商顺势进入,反而保持了较高毛利。因此在产业升级之际,不仅国际大厂将实现利润制高点的开拓,国产厂商亦能在传统中高端领域向上突破。

产业升级之际,国产厂商有望顺势突破。尽管射频前端在高端市场完全被国际厂商垄断,但在中低端市场领域,国产厂商近几年的进步令人瞩目。随着中国消费电子市场和OEM厂商的发展壮大,国内涌现出一批具有竞争力的射频前端厂商,包括处理器厂商华为海思、紫光展锐等,也包括滤波器、PA、射频开关等领域的射频器件厂商。这些厂商依靠成本优势切入中低端市场,并在挤出国际大厂后迅速向中高端产品线扩展。

我们认为,5G到来之后,4G时代的中高端市场将降级为中低端市场,部分国产厂商仍将利用上述策略在这一领域抢占份额。此外,国产厂商若能较好地把握射频前端模组化趋势,基于现有技术资源提供完整的射频系统解决方案,则有望全面进军高端市场。例如可提供基带和射频前端的紫光展锐,以及提供包括天线在内的射频方案供应商信维通信。此类厂商的产品线具有高度的协调性,客户黏性提高将为其带来综合竞争力的显著提升。我们看好化合物半导体制造龙头三安光电、射频方案平台厂商信维通信,射频器件厂商韦尔股份、天通股份、麦捷科技,非上市公司建议关注紫光展锐、中科汉天下、飞骧科技、唯捷创芯、卓胜微、好达电子、中电26所、中电55所等。

 

2.3 高频高速PCB/CCL:5G宏基站架构/数量变化带来高频高速基材需求爆发

毫米波、小基站、Massive MIMO多天线技术、波束成型等技术的应用,使得5G 通信设备对PCB及CCL材料的性能要求更高,需求量也将更大,其中,5G宏基站为前期5G低频段建设要点,在2020年正式商用后,预计更加成熟的小基站建设方案将会用于5G高频段,小基站数量亦有望迎来爆发增长。

2.3.1 5G宏基站覆盖密度大幅增加,对于高频高速材料性能要求更高

无线网络是通过无线电波进行信息的传输,而无线电波则具有不同的频率,每一块频率范围可划分成一个频段(频谱)。频率越高、穿透能力越差,覆盖范围越小;频率范围越大,传输速率越快。根据GSA8月最新发布的报告,全球来看,700MHz、3400MHz-3800MHz、24GHz-29.5GHz是全球主流5G频段,其中3400MHz-3800MHz最为主流。

2017年11月,工信部发文明确我国5G将使用3300MHz-3600MHz和4800MHz-5000MHz频段,其中3300MHz-3400MHz频段原则上限室内使用。在3300MHz-3600MHz及以下的5G低频段,低频资源主要用于连续广覆盖、低时延高可靠、低功耗大连接等应用场景,主要载体是5G宏基站。

相比4G而言,5G的使用频段要高于4G,电磁波的穿透力差、衰减大,在不考虑其他因素的条件下,其基站的覆盖范围要比4G基站覆盖范围要小,建设密度更大。根据工信部数据,2017年12月我国4G基站数量约328万个。2018年三大运营商4G方面的规划包括:1)中国移动:2017年新增4G基站36万个,2018年将控制新站建设,预计宏基站新建数量小于8万个。2)中国电信:4G基站在2017年新增28万个达到117万个,2018年将新增20万个,用于改善用户体验和覆盖质量。3)中国联通:2017年4G基站新增11万个,2018年新增数预计与2017年相当,对重点区域网络进行扩容。以上合计预计2018年底4G基站数量达到367万个,到2020年5G商用正式商用之前国内4G宏基站总量达到400万个。

考虑5G频谱分配、大规模天线及上下行解耦带来的覆盖提升,我们预计我国5G宏建站密度将至少是4G基站的1.5倍,总数或将达到600万个,根据中国信通院数据,截至2018年Q1,我国4G基站的数量达到339.3万个,4G网络规模位居全球首位,而全球4G基站共约500多万个,中国占比约60%,假设5G时代中国延续既有优势,5G宏基站建设数量占据全球60%,则全球5G宏基站建设规模总量有望达到1000万个。

5G高频段资源则主要对应于热点高容量(高频意味着可以分配更多带宽),高频对于宏基站而言,覆盖范围太小,使得成本过高,且宏基站部署困难,站址资源不容易获取,因此5G高频段资源将不再使用宏基站,微蜂窝将成为主流,形式是以小基站为基本单位,进行超密集组网,即小基站的密集部署(预计国内小基站将更多基于4.9GHz及毫米波建设)。在5G超密集组网场景中,小基站之间的间距很小(10-20米),对比宏基站最短间距也要达到500米,可以看出,小基站要实现连续覆盖,其数量规模将远远高于宏基站,但目前来看,体量及规模建设时间点较难估计,我们以5G宏基站的讨论作为重点。

 5G通信设备对高频通信材料的性能要求将会更加严苛,能够在控制介电损耗最小化的情况下保持介电常数的稳定优质,是高频段工作的重要基础。5G宏基站建设数量的提升将带动高频高速材料用量提升,其次,小微基站、室内基站、毫米波基站为未来潜在增量。


2.3.2 5G宏基站架构变化,从BBU+RRU+天线到AAU+BU/CU

传统3G/4G基站通常是基带处理单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)和天馈系统三者独立。

       5G核心网技术融合后,基站架构相较于4G基站将会发生重大变化:

  • BBU重构为CU+DU:根据中国移动C-RAN白皮书《迈向5G C-RAN:需求、架构与挑战》,5G的BBU功能将被重构为CU(中央单元)与DU(分布单元)两个功能实体。CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分,CU设备主要包括非实时的无线高层协议栈功能,同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署,而DU设备主要处理物理层功能和实时性需求的层2功能,考虑节省RRU与DU之间的传输资源,部分物理层功能也可上移至RRU实现。

  • RRU与天线融合为AAU:4G基站的RRU与天线是独立的,采用馈线连接,Massive MIMO技术下的5G基站若继续采用传统天线架构,则每个收发单元都要馈线,基站侧将承受巨大的压力,将RRU与天线集成在一起的AAU有源天线可以减少馈线,减少损耗,有望成为主流选择。

 2.3.3 单基站用量大幅提升叠加5G宏基站数量增加,催生高频高速PCB及材料需求爆发

用于高频信号传输的印制线路板(PCB)称为高频微波印制板,也称为高频印制板、高频板、射频微波印制板等。印刷线路板行业的“高频”是指用分布式元件描述电路和器件互连的频率范围,通常定义为频率在1GHz以上,也采用趋高(≈l GHz)、高频(1-3GHz)、超高频(≥5GHz)的分类。

高频微波印制板一般可分为两大类:一类是高频信号传输类电子产品,应用于雷达、广播电视和通讯(移动电话、微波通讯、光纤通讯)等;另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品,应用于电脑、电器、通讯等产品。

 (1)“4G基站RRU+天线”对比“5G基站AAU”

4G基站的天线射频板与RRU主板一般采用高频PCB板(其上游材料为高频覆铜板),其中,RRU安装了PA(功放)、滤波器等,我们预计单个基站的RRU+天线的PCB使用面积约2.26平方米,单个基站的RRU+天线的PCB合计价值量5224元,均为高频PCB板。

5G基站天线有源化趋势下,天线+RRU+BBU变成AAU+BBU(CU/DU)的架构,单个基站将对高频高速PCB及其上游材料带来更大需求。在5G基站AAU 方案中,天线振子与微型收发单元阵列直接连接在一块PCB板上,微型收发单元阵列中集成了数字信号处理模块(DSP)、数模(DAC)/模数(ADC)转换器、放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、滤波器(Filter)等器件,担任4G基站RRU的功能。AAU中的天线板与振子集成在一块PCB上(面积分别算),收发单元阵列与PA等器件集成在一块PCB板上(面积分别算),我们预计5G基站的AAU(天线+RRU)PCB总面积为2.22平方米,其中微型收发单元阵列采用高速板,PA为高频板,天线射频板为更高端的高频板,天线振子则采用普通高速板;预计单个5G基站的AAU的PCB合计价值量为10911元,均为高频或高速PCB板。

        

(2)4G基站BBU对比5G基站BBU

5G宏基站的BBU与4G基站相比,尺寸及数量没有太多变化,但由于信号传输速度及承载量要求,背板及单板的层数将由4G的18-20层提高到5G的20-30层,采用的覆铜板需要由传统FR-4升级为性能更优的高速材料,如松下的M4/6/7型号高速覆铜板材料,因此单平方米价格有所提升。我们预计5G基站BBU的PCB面积约为0.47平方米,与4G基站的大致相同,单个5G基站BBU的PCB价值量约为5112元,4G为2750元。

根据测算,单个4G基站PCB价值量约0.79万元,其中高频/高速PCB价值量约0.59万元;单个5G基站的PCB价值量约为1.60万元,均为高频/高速材料,则高频/高速PCB的价值量从4G到5G单基站大幅提升了167%。假设5G建设周期拉长为2019-2026年,国内宏基站建设总量为570万站,占比全球60%,全球5G宏基站建设总量约950万站。则根据我们的测算,5G宏基站的PCB价值量峰值期2022年有望达到279亿元。

 以上为PCB价值量的测算,上游高频/高速材料方面,在4G基站天线领域,目前市场相关PTFE高频覆铜板采购价格占天线高频PCB售价的比重约为50%-60%,一般通信类PCB中FR-4覆铜板的采购价格占PCB售价的比重约17%,假设4G基站高频/高速覆铜板在PCB中平均价值占比为30%,考虑到通信基站领域下游客户群体的产业链地位及招投标商业模式的特殊性、高频高速PCB及CCL产品技术门槛,假设5G基站高频/高速覆铜板在PCB中的价值量占比在5G基站建设展开前几年相对更高,后逐步降低,假设50%-30%。据此,大致测算5G宏基站建设高峰期2022年,高频/高速CCL的需求总量约98亿元。


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