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無線周波数フロントエンド(RFFE、無線周波数フロントエンド)チップは、携帯電話や各種モバイル端末の通信機能を実現するコアコンポーネントです。世界市場は数百億ドルを超えています。過去10年間の国内携帯電話の全体的な成長は、国内無線周波数フロントエンド産業の発展のための強固な産業基盤を築きました。また、中国での5Gの商用化と世界貿易環境の変化は、国内無線周波数産業に2つの燃料を追加しました。無線周波数フロントエンドチップ産業は、我が国で15年以上の発展の歴史があります。イノベーションと起業活動は非常に活発で、さまざまなタイプの数十の企業があり、市場と資本にとって大きな関心を集めている分野でもあります。この記事の著者は、2G時代から今日の5Gまで、11年間無線周波数チップ産業で働く幸運に恵まれました。彼はまた、外国企業、民間企業、国有企業で働き、あらゆる種類の無線周波数製品を直接開発し、量産してきました。この記事は、著者と業界の友人たちとの近年の議論をまとめ、無線周波数モジュール製品の技術市場とビジネスロジックを整理しようと試みています。同時に、地元の無線周波数は10年以上発展してきました。競争は業界の主軸であり、協力と友情は非常に希少な資源です。この記事では、「モジュール化」に関する関連知識の共有に焦点を当て、より多くの地元のメーカーが「協力」を通じてモジュール化の大きな機会を共有することを期待します。
導入
魏少軍教授が「2020年グローバルCEOサミット」で行った基調講演「世界における正しい道は人生の浮き沈みである―大変革下における戦略的決断について」によると、統計では、中国市場への依存度が最も高いアメリカ企業(売上高比率で算出)は以下の通りである。アメリカのRF大手4社、SKYWORKS、Qualcomm、Qorvo、Broadcom(SKYWORKSとQorvoは主にRF事業に注力し、QualcommとBroadcomはRF事業も含む)が偶然にもランキングの上位4位を占めていることがわかる。
RFフロントエンドの国際情勢
RFフロントエンド技術は主に、フィルタ、パワーアンプ(PA)、低雑音アンプ(LNOA)、およびスイッチ(RFスイッチ)に焦点を当てています。現在、世界のRF市場は、冒頭で述べたアメリカの4社(Skyworks、Qualcomm、Qorvo、Broadcom)と日本の村田製作所という5大RF大手によって支配されています。
無線周波数分野の大手5社がPAおよびLNA市場の90%以上を占めている。フィルターに関しては、表面弾性波(SAW)フィルタリングと体表面波(BAW)フィルタリングの2つの主要技術がある。現在、SAWフィルター市場の半分は村田製作所が、約10%はスカイワークスが、約4%はコーボが占めている。残りは太陽誘電やTDKなどの大手メーカーが分け合っている。BAWフィルター市場はアメリカ企業が支配しており、市場の90%を占めている。
RFフロントエンドは、5つの国際的な巨大企業が継続的に発展していくのに十分な規模を持つ巨大市場であることがわかる。これらの巨大企業は幅広い技術力と強力なモジュール化能力を有しており、モジュール製品は国際競争における主要な戦略となっている。各社ともBAW技術、あるいはその代替技術を保有している。
RFフロントエンドの国内状況
無線周波数フロントエンドの国内状況については多くの記事で言及されているので、ここでは詳細には触れない。比較的共通認識となっているいくつかの結論だけを述べるにとどめる。
1. 地元企業は一般的に個別部品に注力しており、個別部品は現在、地元企業間の競争における主要な分野となっている。
2. 地元企業は高度なフィルター技術や製品が不足しており、モジュール化能力も概して弱い。
5Gのモジュール化における課題と機会
基板配線スペースとRFデバッグ時間の課題はエントリーレベルの携帯電話にも及んでおり、国内製モジュールチップの段階的なアップグレードの道筋が開かれている。
RFモジュールチップは新しい製品シリーズではありません。実際、RFモジュールチップの使用はLTEの商用化とほぼ同時期に始まりました。過去10年間、様々なブランドのフラッグシップ携帯電話には、多様な複雑なRFモジュールが広く使用されてきました。同時に、多くのエントリーレベルの携帯電話では、ディスクリートデバイスソリューションですべての要件を十分に満たすことができます。そのため、過去10年間で、フラッグシップモデルはモジュールソリューションを、エントリーレベルモデルはディスクリートソリューションを使用するという、2つの異なる市場が出現しました。モジュールソリューションは「高集積度と高性能」を必要とするため、価格も非常に高くなります。一方、ディスクリートソリューションは「中低集積度と中程度の性能」を必要とするため、価格は比較的低くなります。この2つのソリューションには、技術的にも市場的にも大きな違いがあります。これを4G時代の「モジュールギャップ」と呼ぶことができます。
4G時代の「モジュールギャップ」
5Gの登場は、この状況を完全に変えた。
4Gエントリーレベルの携帯電話のアンテナ数が2~4本だったのに対し、5Gエントリーレベルの携帯電話のアンテナ数は8~12本に増加し、サポートする必要のある周波数帯域と周波数帯域の組み合わせも4Gを基準に大幅に増加しました。周知のとおり、無線周波数部品の数はアンテナ数と周波数帯域数に大きく関係するため、無線周波数部品の数は劇的に増加しました。同時に、構造設計上の要件により、5G携帯電話のRFフロントエンド用に確保されたPCB面積を増やすことはできないため、ディスクリートソリューションの面積は利用可能なPCB面積を大幅に超過します。これはスペースによる制約です。
もう一つの課題はデバッグ時間です。ディスクリートデバイスソリューションを用いた4Gの無線周波数デバッグ時間は、一般的に1週間以内です。5Gの無線周波数の複雑さが大幅に増すと、ディスクリートソリューションを使用した場合、デバッグ時間は3~5倍に増加する可能性があります。コスト面では、より高価な5Gテスト機器と5Gテストに精通したエンジニアのリソースも必要になります。モジュールを使用する場合、デバッグの大部分はモジュール設計プロセス中に内部的に実装されているため、デバッグ作業の大部分がソフトウェア側に移管され、デバッグ効率が大幅に向上します。これは時間的な制約によるものです。
時間と空間の制約は強く普遍的である。そのため、エントリーレベルの5G携帯電話では、「中低性能・高集積」モジュールへの自然な需要があり、これはフラッグシップ携帯電話の「中高性能・高集積」モジュールと共通している。いずれも高集積モジュールを必要とするが、指標要件が異なるため、国内のモジュールチップは「中低性能」(5Gエントリーレベル携帯電話)から「中高性能」(5Gフラッグシップ携帯電話)へと段階的に進化できる。結果として、「モジュールギャップ」は解消される。
物事には必ず両面がある。「モジュールギャップ」が解消された後、ディスクリート市場にはリスクが浮上した。ディスクリートチップを専門とする国内企業も、モジュール製品市場で独自の地位を確立するためには、莫大な資源と力が必要となる。もし突破口を見出せなければ、近い将来、ボトルネックに陥るだろう。
5Gの初期段階では、個別のデバイスとモジュールを使用するハイブリッドソリューションが現在市場に出回っています。このソリューションが登場した背景には、歴史的に形成された「モジュールギャップ」など、多くの客観的な理由があります。このソリューションは、いくつかの重要な指標を犠牲にし、面積においても譲歩するという妥協の産物です。国内モジュールの製造に注力するチップメーカーがなければ、優れた国内モジュールチップは生まれません。そして、優れた国内モジュールチップがなければ、モジュールソリューションの価格は常に高止まりするでしょう。
フィルター技術の簡単な分類
BAWフィルタ:バルク音響波フィルタ。挿入損失が小さく、帯域外減衰が大きく、温度変化の影響を受けにくいという利点があります。BAWフィルタのサイズは周波数の上昇とともに縮小するため、1.7GHz以上の中高周波通信に特に適しており、5Gおよびサブ6Gアプリケーションにおいて顕著な優位性を発揮します。
SAWフィルタ:表面弾性波フィルタ。水晶振動子、ニオブ酸リチウム、圧電セラミックスなどの圧電材料を用いて作製された特殊なフィルタ装置で、圧電効果と表面波伝搬の物理的特性を利用しています。SAWフィルタは、安定した性能、使いやすさ、広い周波数範囲などの利点を持ち、1.6GHz以下の周波数帯では主流の用途となっています。しかし、高周波信号を処理する際には、大きな挿入損失や深刻な発熱問題などの欠点があります。そのため、1.6GHzを超える高周波信号の処理には適していません。
LC型フィルタ:すなわち、インダクタ・コンデンサ型フィルタ。LCフィルタは一般的に、フィルタコンデンサ、リアクタンス、抵抗器の適切な組み合わせで構成されます。インダクタとコンデンサが一体となってLCフィルタ回路を形成します。
RFモジュールの簡単な分類
RFフロントエンドモジュールは、RFスイッチ、低雑音増幅器、フィルタ、デュプレクサ、パワーアンプなどの2つ以上の個別デバイスを1つのモジュールに統合することで、集積度と性能を向上させ、小型化を実現します。さまざまな集積方法に応じて、メインアンテナRFリンクは、FEMiD(RFスイッチ、フィルタ、デュプレクサを統合)、PAMiD(マルチモードマルチバンドPAとFEMiDを統合)、LPAMiD(LNA、マルチモードマルチバンドPAとFEMiDを統合)などに分類できます。ダイバーシティアンテナRFリンクは、DiFEM(RFスイッチとフィルタを統合)、LFEM(RFスイッチ、低雑音増幅器、フィルタを統合)などに分類できます。
メインアンテナRFリンク
ダイバーシティアンテナRFリンク
RFフロントエンドの「価値密度」
5G携帯電話のPCB面積は限られたリソースであり、より多くの無線周波数機能デバイスを5G携帯電話に「詰め込む」必要があるため、各タイプの無線周波数デバイスを評価する際には、その価値とPCB占有面積を反映する総合的な指標として、それを統一的に記述するパラメータを確立する必要があります。
価値密度=(平均販売価格 ASP)/(チップパッケージサイズ)
次に、VD値ツールを使用して、フィルタ、パワーアンプ、無線周波数モジュールの3種類の製品を分析します。
1. フィルタのVD値
まず、フィルタは通常外部整合回路を必要とするため、実際のVD値はデバイスのVD値よりも低くなることを説明しておきます。ここではこの要素は無視しましょう。上記のデータに基づいて、いくつかの結論を導き出すことができます。LTCCからクワッドプレクサまで、VD値は1.2から10.0まで増加し続け、その増加は比較的速いです。
2. パワーアンプのVD値
上記のデータに基づくと、以下のこともわかります。
a) 2Gから4Gにかけて、VD値は0.6から1.5に増加します。
b) 4GからCAT1へと進化した小型製品、およびHPUEまたはPhase5Nから進化した高出力PAでは、VD値は約2に増加しています。
3. RFモジュールのVD値
上記のデータに基づくと、以下のことが観察できる。
a) 受信モジュールの一般的なVD値は約5です。
b) 受信モジュール内の小型パッケージH/M/L LFEMは、10を超える非常に顕著なVD値を持つ。
c) 送信モジュール(FEMiDを除く)の場合、VD値は4~6の間である。
d) FEMiDは送信モジュールの中で最も高いVD値を持つ。そのため、FEMiDをVD値の低いMMMB PAと組み合わせることで、適切なPCBレイアウト効率を実現できる。
表をまとめるにあたり、技術ローカライズ率と市場ローカライズ率に関する参考データも追加しました。一般的に、市場ローカライズ率が低いサブカテゴリー、あるいは技術ローカライズ率がローカライズ率を大幅に上回るサブカテゴリーでは、VD値が実際よりも高く算出される傾向があります。現地対応製品の市場シェアが増加すれば、将来的に価格引き下げの余地がより明確になるでしょう。
RF送信モジュールの五つの山
ローンチ1:PAとLC型フィルタの統合は、主に3GHz~6GHzの新しい5G周波数帯で使用されます。代表的な製品は、n77およびn79のPAMiFまたはLPAMiFです。これらの新しい周波数帯の5GPA設計は非常に困難ですが、新しい周波数帯のスペクトルは比較的「クリーン」であるため、フィルタに対する要求は高くなく、LC型フィルタ(IPD、LTCC)で十分です。総合的に見ると、このタイプの製品は困難ではあるものの複雑ではなく、その技術とコストは完全にPAによって制御されます。
展開2:PAとBAW(または高性能SAW)の統合。代表的な製品はn41のPAMiFやWi-FiのiFEM製品で、周波数帯域は2.4GHz付近です。このタイプの製品の周波数帯域は一般的な周波数帯域であり、PA部分の技術仕様は難しいものの、それほど高くはありません。2.4GHz付近で動作するため、周波数帯域は非常に混雑しており、代表的な製品では高性能BAWフィルタを統合して共存を実現する必要があります。このタイプの製品のフィルタ機能は複雑ではないため、PAが技術的に制御できますが、コスト面ではフィルタがPAを上回る可能性があります。一般的に、このタイプの製品は難しいものの複雑ではなく、PAが一定の制御権を持っています。
ローンチ 3: ローバンドローンチ モジュール。LB (L)PAMiD は通常、高性能パワー アンプと複数の低周波デュプレクサを含む 1GHz 未満の 4G/5G 周波数帯域 (B5、B8、B26、B20、B28 など) を統合します。さまざまなソリューションでは、統合レベルをさらに向上させるために、GSM850/900 および DCS/PCS 2GPA を統合することもできます。低周波デュプレクサは通常、最適なシステム仕様を実現するために TC-SAW 技術を使用して実装する必要があります。システム ソリューションのニーズに応じて、LB PAMiD をベースに低雑音増幅器 (LNA) を統合する場合、このタイプの製品は LB LPAMiD と呼ばれます。このような製品の複雑さはすでに比較的高いことがわかります。PA に関しては、高性能 4G/5GPA を統合する必要があり、場合によっては高出力 2GPA コアを統合する必要があります。フィルタに関しては、通常、ウェハレベルパッケージング(WLP)を用いた3~5個のTC-SAWデュプレクサが必要となる。総コストの観点から見ると(2GPAを統合する必要があると仮定した場合)、PA/LNA部とフィルタ部はほぼ同じ割合を占める。LB(L)PAMiDは比較的バランスの取れた技術力が求められるため、第3レベルはPAとフィルタの接合部に位置する。
ローンチ4:FEMiD。このような製品は通常、低周波から高周波までのさまざまなフィルタ/デュプレクサ/マルチプレクサ、およびメインパスのアンテナスイッチを含みますが、PAは統合されていません。FEMiD製品は通常、LTCC、SAW、TC-SAW、BAW(または同等の性能を持つIHSSAW)、およびSOIスイッチの統合を必要とします。村田製作所はこの種の製品を定義し、約8年間市場を支配してきました。サムスンやファーウェイなどの主要な携帯電話メーカーは、中級から高級携帯電話でこのような製品を多数使用してきました、または使用しています。前述のように、競合するPAMiDサプライヤーは主に北米に集中しています。サプライチェーンの多様化を考慮すると、出荷量が非常に多い一部の携帯電話モデルでは、MMMB(マルチモードマルチバンド)PAとFEMiDアーキテクチャの使用を検討する可能性があります。 MMMB PAの認定サプライヤーは北米、中国、韓国に広く分布しており、日本の村田製作所のFEMiD生産能力は非常に大きい(主にLTCCとSAW)。前述のとおり、FEMiDのVD値は非常に高く、ソリューション全体のスペース利用率も妥当な範囲内にある。
ローンチ 5: M/H (L)PAMiD。このタイプの製品は、RF フロントエンドの中で最も高い市場価値を持ち、包括的に統合するのが最も難しい分野です。RF フロントエンド市場セグメントの頂点です。M/H が通常カバーする周波数範囲は 1.5GHz ~ 3.0GHz です。この周波数範囲は、モバイル通信のゴールデン周波数帯です。初期の 4 つの FDD LTE 周波数帯 Band1/2/3/4 はこの範囲内にあり、初期の 4 つの TDD LTE 周波数帯 B34/39/40/41 もこの範囲内にあり、TDS-CDMA のすべての商用周波数帯もこの範囲内にあり、初期の商用キャリア アグリゲーション ソリューション (キャリア アグリゲーション) もこの範囲に登場しています (B1+B3 クワッドプレクサで実装)。GPS、Wi-Fi 2.4G や Bluetooth などの重要な非セルラー ネットワーク通信もこの範囲内で動作します。ご想像のとおり、この周波数帯域の最大の特徴は「混雑」と「干渉」であり、高性能BAWフィルタがその性能を発揮する絶好の舞台でもあります。この周波数帯域は長年にわたり市販されているため、この周波数帯域におけるPA技術は比較的成熟しており、核心的な課題はフィルタリングデバイスにあります。
まず、なぜこの周波数がモバイル通信の黄金周波数なのかを説明しましょう。モバイル通信の長い発展過程において、その原動力はモバイル端末の普及率にあり、モバイル端末の普及における核心的な課題は、端末の性能とコストにあります。3GHz以上や10GHz以上といった高すぎる周波数では、半導体トランジスタの特性が急速に低下し、高性能化が困難になります。一方、800MHz以下や300MHz以下といった低すぎる周波数では、必要なアンテナのサイズが非常に大きくなり、RF整合に使用するインダクタンスとキャパシタンスの値も非常に大きくなります。端末サイズの制約下では、超低周波数帯域におけるRF性能のシステム仕様を達成することは困難です。つまり、能動素子(トランジスタ)の性能の観点からは周波数が低い方が望ましく、受動素子(コンデンサ、インダクタ、アンテナ)の性能の観点からは周波数が高い方が望ましいのです。能動デバイスと受動デバイス間の本質的な対立から、アプリケーション側での妥協、そしてモジュール内での統合に至るまで、これらはまるで人類史上最も壮大な移動体通信のメインチャネルである1.5~3GHzの周波数帯で収束する2つの強力な暖流と冷流のようで、端末無線周波数にとって最も複雑で貴重な黄金の漁場、M/HB (L)PAMiDを形成しています。なんと素晴らしいことでしょう!
このようなハイエンド製品の市場は現在、ブロードコム、コーボ、RF360などのアメリカのメーカーが主に占めています。下の図は、コーボが公式アカウントで公開したチップの開封分析です。このタイプの製品には、10個以上のBAW、2~3個のGaAs HBT、3~5個のSOI、1個のCMOSコントローラが含まれており、無線周波数製品の中で最も技術的に複雑であることがわかります。この種の製品は通常、クワッドプレクサやファイブ/シックスプレクサなどの超高VD値のデバイスの統合を必要とします。
M/H LPAMiD オープニング画像
出典:Qorvo公式アカウント
RF受信モジュールの五つの山
モジュールを受け入れる呉中山モデルは、上記の図のとおりです。
受信機1:RFスイッチとLNAは、RF-SOI技術を用いて単一のダイ上に実装されています。単一ダイではありますが、複合機能RFモジュールチップでもあります。この種の製品の主要技術はRF-SOIであり、4Gおよび5Gにおいていくつかの応用例があります。
受信機2:RF-SOI技術を用いてLNAとスイッチの機能を実装し、LC型(IPDまたはLTCC)フィルタチップとのパッケージ統合を実現します。LC型フィルタは、3~6GHzの広帯域幅と低抑制の要件に適しており、5G NR部分のn77/n79周波数帯域に適しています。このタイプの製品もSOI技術が主流であり、主に5Gで使用されます。
受信3:受信3からさらに進むと、受信モジュールには複数のSAWフィルタを統合する必要があり、集積度はますます高くなります。通常、単極多投(SPnT)または双極多投(DPnT)SOIスイッチと、キャリアアグリゲーション(CA)をサポートする複数のSAWフィルタを統合する必要があります。パッケージング方法に関しては、「受信3」の集積度にはまだ制限がないため、多くの選択肢があります。その中でも、海外メーカーの製品は主にWLP技術に基づいています。信頼性と製品厚みの面で優れているだけでなく、より高い集積度の他の製品にも再利用できます。
受信4:このタイプの製品はMIMO M/H LFEMと呼ばれています。主にMIMO技術をM/Hバンド周波数帯(B1/3/39/40/41/7など)に適用して通信速度を向上させます。一部の中級から高級携帯電話のネットワークアクセスには必須です。通信業界はM/Hの黄金周波数帯を本当に好んでいるようです。技術的な観点から見ると、このタイプの製品はRF-SOI技術で実装されたLNAとスイッチをベースに、4~6チャンネルのM/H高性能SAWフィルタを統合しています。国際的なメーカーは、これらの周波数帯で最高の総合性能を実現するために、TC-SAW技術を一般的に使用し始めています。
受信5:受信チップの中で最も複雑なのは、H/M/LのLFEMです。このタイプの製品は、非常に小型なサイズで、10~15の周波数帯域に対してフィルタリング(SAWフィルタ)、チャネル切り替え(RFスイッチ)、信号増幅(LNA)を実現します。値密度は超高(約10)です。5Gプロジェクトでは、受信部が占めるPCB面積を大幅に削減し、送信機/アンテナなどの貴重な領域を他の部品に活用することで、全体的なパフォーマンスを向上させることができます。このタイプの製品には高度な総合技術が求められ、サイズ、信頼性、歩留まりの要件を満たすために、基本的にWLPなどの高度なパッケージング手法を用いる必要があります。
まとめる
1. RFモジュールの核となる要件は、各種コンポーネントの小型化とモジュール統合である。
2. 送信モジュールであれ受信モジュールであれ、純粋な5Gモジュールは難しいものの複雑ではありません。最も難易度が高く、かつ価値が高いのは、4Gと5Gを同時にサポートする高複雑度モジュールです。
現地での代替は絶好の機会であり、既存の技術革新に頼る必要はありません。重要なのは、4G/5G無線周波数チップの製品化、小型化、モジュール化を実現するための技術革新です。開元通信は無線周波数モジュールチップの開発に注力しており、厦門、上海、台北に研究開発センターを設立し、「モジュール一元化」を目指して主要なリソースを無線周波数モジュールに投入し、最もコスト効率が高く手頃な価格のモジュールチップを積極的に推進することで、国内モジュール製品の量産を加速させ、中国通信産業の健全な発展を支援しています。
RFモジュールの工業化は、中国よりも5~10年早く欧米企業で始まりました。この記事の冒頭の図に示すように、中国市場では多数の外国製RFモジュールが販売されており、中国は依然として個別部品産業の段階にあります。もちろん、中国産業は追いつく必要があり、追いつくための第一歩は、5Gモジュールに関する知識を深く分析し、自社の競争優位性を活かし、適切な参入ポイントを見つけ、最終的にモジュール産業のトレンドを全面的に受け入れることです。このトレンドを心から受け入れる限り、約5~10年で国内RFモジュール分野で飛躍的な進歩を遂げられると確信しています。
サンクトペテルブルクにあるピョートル大帝の像
同様の成功例を挙げてください。近代産業革命は西ヨーロッパで始まりました。西ヨーロッパは工業化を始めていましたが、ロシアは依然として後進的な封建農業国でした。1703年、ロマノフ王朝のピョートル大帝は、バルト海沿岸の港に新首都を建設するよう命じました。あらゆる反対と数々の論争にもかかわらず、職人に扮して西ヨーロッパを旅し学んだロシア史上屈指の皇帝は、あらゆる困難に立ち向かい、ヨーロッパと世界への扉を開く新たなロシアの首都(サンクトペテルブルク)を建設しました。それはヨーロッパ、海洋、そして産業革命を全面的に受け入れるものでした。18世紀のロシアでは、ヨーロッパ、海洋、そして産業革命がトレンドでしたが、今日では、RFフロントエンド業界では、国内代替、5G、そしてRFモジュールがトレンドとなっています。
ピョートル大帝が生まれた時、ロシアはまな板の上の魚の切り身のようなものだった。彼が亡くなった時、ロシアはすでに肉を切るための包丁になっていた。国内の携帯電話産業の総合的な発展を基盤として、中国の無線周波数産業が勇敢に前進し、国内代替、5G情報化、無線周波数モジュール化という歴史的な波に乗ることを期待する。私たちがこの業界に入った時、中国のRF産業はまだまな板の上の魚のようなものだったが、私たちが「引退」する頃には、中国のRF産業はすでに肉を切るための包丁になっていることを願う。皆さんを応援しよう!
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