5G对射频芯片提出更高要求，MACOM硅基氮化镓凸显优势

在不久前的EDICON  China  2019上，MACOM无线产品中心资深总监成钢先生向电子产品世界等媒体介绍了5G对射频功率&基站方面的需求和MACOM的解决方案。

与5G相关的氮化镓市场

从使用量来看，MACOM的估计是：纯粹的基站数，即5G对4G，差不多是1.5倍到2倍的差别，单个的基站又比原来的基站的RU部分贵约1.5到2倍。由于二者的倍乘关系，累积起来约是2.5倍到4倍的关系。再加上单个基站里的内容，原来是4通道、8通道，现在变成64通道，这些数目又会有约16倍以上的扩展。所以从对射频单元的需求量来看，相比原有的规模，预计有50倍到60倍的需求。

这对射频提供商来说是个很大的挑战，因为原来的规模很难去满足预计的新规模。这也是为什么MACOM在5G市场上是比较激进的，去布置产能，提前进行库存管理的原因，因为从数量上，这对相关芯片厂家的挑战是比较大的。

MACOM对5G射频的准备

2019年是5G无线通信的元年，对此MACOM非常重视，做了很多准备，前期包括对5G重点客户的跟踪，以及行业解决方案的准备。

因为MACOM本身产品线比较宽泛，即从IF信号处理，到IF的电平，及至整个链路，一直到后期的功率放大器，甚至整个天线层面关键的Massive MIMO（大规模多入多出）阵列，都有相应的解决方案。

可以说，MACOM用了长时间的积累和比较宽泛的产品线，为5G做了前期、预商用化、原型期的解决方案。

现在，MACOM要考虑的下一步是：如果5G能够达到大批量使用时，怎样能把这个市场的需求能够快速满足。

怎样满足大批量的需求

MACOM不仅有自己的fab（芯片工厂），同时还准备了Fabless（无芯片工厂）的方案，即不受限于自有工厂的产能，还利用第二家、第三家代工厂（Foundry）来备份产能。因此2018年MACOM和ST签署了联盟协议，ST可以提供6英寸的CMOS晶圆，用来做MACOM的氮化镓产品。在此基础上，2019年双方又把合作拓展了一步，即ST主流的8英寸晶圆也可以支持MACOM。如果MACOM的产能需要，可以随时切换到ST 8英寸晶圆上进行大批量的生产。

因为6英寸和8英寸晶圆的主要区别是产能方面，基本上，8英寸的die(裸片)产出是6英寸的2倍。

另外，ST的一个优势是在商用和民用市场已有大批量制造的经验，因为ST擅长机顶盒、有线通讯等，最近ST还成为特斯拉汽车的碳化硅等功率芯片的主要供应商，说明ST能够满足汽车行业的产能需求。“从市场规模来看，汽车市场比基站要大很多，”成钢指出，“因此ST的产能能够满足基站行业的需求。”

氮化镓：硅基 vs 碳化硅基

2016年，MACOM宣布放弃了碳化硅(碳化硅)基氮化镓(GaN)，转到硅基氮化镓。现在两三年过去了，业绩对硅基氮化镓的接受程度如何？

成钢总监称，目前还处于切换的过程中。MACOM的硅基设计能够比较平滑替代碳化硅基方案。现在硅基的性能、测试、验证等基本上已经完成，从客户的反馈来看，客户没有感觉到硅基比碳化硅基的性能上有多少恶化，同时还体会到硅基在一些特定指标上还有优势，诸如健壮性，价格也下降了，另外也不像原来受制于有限的碳化硅材料的产出比而产生供货波动。

在基站方面，硅基很显著地得到了客户的认可，客户也完成了原型样机的测试，包括可靠性及长期寿命的测试。硅基在市场上已经开始发货。

从周期上看，国际主流厂商一般要一年到一年半的时间才能完全走完设计周期，因此如果倒推回去，现在国内外客户能够开始接受硅基产品、开始发货，证明MACOM硅基氮化镓的推广还是比较顺利的。

氮化镓 vs LDMOS

氮化镓有一个重要的原生优势——高效率。高效率对5G可谓一个决定性的优势。因为现在很多厂家也可以提升LDMOS这种很低成本的方案，但是这种方案可能最后在市场上是很难接受的。因为对于整个MIMO基站，其里面有64个通道，每个通道的效率哪怕有些许的提高，对基站本身的散热都会有很大的改善。

这是因为现在的基站的瓶颈是在效率上，效率做不上去，功率就上不去。功率不上去，那么整个覆盖范围就很窄……。这样就导致了本身基站的性价比下降。简单地看，所谓性能稍微差一点，就比别人的覆盖少一点；反过来，基站建立起来后，长时间的运营成本十分可观——尽管电费很便宜，但时间长了，电费累积起来，比一个好器件的钱还要多。所以客户对效率强调得非常多。

氮化镓直接带来的好处就是效率满足，所以氮化镓方案受到运营商和设备商很大的关注，这也意味着氮化镓实际上是直接由运营商或用户来导向的方向。

那么，是否LDMOS就没有什么市场了？

当然也不能这么绝对。LDMOS在前期发货上的优势还是能体现出来的。

氮化镓的瓶颈首先是产能的问题。因此MACOM要去与ST合作。目前预商用阶段对MACOM是很有利的，这时没有很快上量。

第二，时间也很重要。MACOM一定要把时间节奏掌握好，把自己的方案在客户甚至最终用户那里能够得到很好的验证。然后在真正成熟的阶段，能够把产能切换到ST上面，以扩大产能。

毫米波与sub-6GHz的需求差异

尽管中国目前还没有打算采用毫米波，但是作为一家国际性公司，MACOM也十分重视毫米波的解决方案，因为毫米波在北美和欧洲有很多客户。

二者最大的差别主要还是来自于massive MIMO阵列，即毫米波的要求多一些，原来的方案是用分立器件搭，即用很多传统的波导、同轴结构来搭成高的射频性能，但这对5G毫米波的应用可能是很难接受的，毫米波需要把电路和天线尽量集成在一个单板上。

因为毫米波带来的一个好处是天线尺寸的显著下降，可以在一个天线Panel（平板）上集成1028个单元，。作为对比，现在sub-6GHz 5G大都是64个单元。所以可以利用毫米波的小尺寸、高集成度优势。

MACOM在毫米波集成电路方面有很长时间的积累，在北美的研发中心可以提供整体的相控阵阵列方案。客户可以把毫米波电路直接集成在天线的背部。这样，就可以把它作为一个完整的天线阵列提供给客户。

值得一提的是，毫米波的设计有很多专业上的要求，普通厂家很难做到，如果能提供一个交钥匙的解决方案，是客户非常欢迎的。下一步，MACOM也在往高集成、高性能、低成本的方案方向走。

针对sub-6GHz，国内外的客户需求有何特点？

实际上，国内外的方案还是有很大的差别。国外一些客户更倾向于一个更高集成度的方案，采用像手机前端的整体模块，里面包含了发射通道、接收通道，甚至是无源的隔离器也做在里面，开关全部在里面，甚至Power IC(电源管理芯片)都集成在模块里，可以说是一个独立的射频单元，和天线直接对接后，就完成了所有射频前端功能。

对于这种需求，MACOM可以把它完全整合成一个Device（器件），目标是大批量发货以后能够有一个低成本的模块。

氮化镓在小基站的机会

小基站市场也有机会。因为现在的小基站大量采用比较低功率的方案，诸如0.25W、0.5W方面的，传统用GaAs（砷化镓）来做。但是现在随着频率的提高，例如国内3.5GHz、4.9GHz等新频段提出来，使用small cell（小基站）可能会去做一些热点的覆盖，这会有很宽的带宽，造成了小基站的发射功率提高，现在已看到这样的需求，即1W以上的需求。

1W的平均功率如果转换成对峰值功率的需求，大概是10W到15W，这对砷化镓材料的处理能力上达到了极限/瓶颈，因而难以在大功率上做可靠的产品。

MACOM确实想在这方面去布局一些产品，因为MACOM最早针对massive MIMO的方案就是4通道的基站方案，最早的一个器件就是针对1W功率放大器，只不过因为之后中国移动把这个产品的规格不断提高，3W、5W、6W地提高。所以方案MACOM本身是有方案的。

但是MACOM还要考虑的是整个Small cell的市场的规模跟基站相比是一个很大的放大关系。如果现在两个市场都要做，能不能很好地服务？

所以MACOM目前先提供这种方案，让客户进一步地验证，验证完后，等到ST能够开始量产的时候，MACOM就开始1W的发货。

另外，Small cell和传统基站有一个时间的先后顺序，原则是要先满足覆盖的问题，然后才考虑后面的提高质量和服务水平。因此Small cell的市场会比基站的市场延后一到三年。所以从时间节拍看，现在考虑Small cell是一个合适的时机。

氮化镓的工艺、性能、成本进展及走向

现在氮化镓整体的性能、尺寸等已经有很大的变化了。一是性能方面，从基站的主要供应商的评估看，已经很难再区分是碳化硅基还是硅基的GaN带来的效率，包括线性度等的差别。

尺寸方面，前两年看到的是传统的陶瓷封装——是较大的封装，但现在更多的是QFN封装，即手机所采用的低成本、小型封装，尺寸也缩短到4mm×4mm、5mm×7mm，已是与手机芯片非常接近的产品形态了。所以在成本和结构方面，已经向手机去看齐，甚至业界会用跟手机同样的封测线来做氮化镓产品。“相信氮化镓的发展是一个递进的过程，”成钢总监预计，“只要把基站部分做起来以后，加上ST的足够产能，就会把氮化镓带到跟手机相当的成本结构和规模。这时去看民用和商用市场，是可以想象的一个空间了。”

那么，氮化镓未来的价格，手机能够承受吗？

的确，现在还没有达到手机能够承受的水平，因为氮化镓的发货量还没有达到手机的发货量。对于氮化镓功率器件，封装在里面占很大的部分，如果采用与手机相当的封装，剩下的就是看晶圆能不能达到和手机一样的晶圆尺寸。

但是，砷化镓作为目前手机最主要的供应链之一，普遍用6英寸晶圆，而MACOM与ST合作的有8英寸晶圆，即从晶圆片的规模成本上，可能未来比砷化镓更有优势。这是此消彼涨的角力过程，氮化镓有望最终能在手机方面有竞争力。

MACOM在5G的整体布局

MACOM本身有两块主力产品：光的解决方案，射频的解决方案。这两方面是齐头并进的。

现在网络结构也相对比较简单了，光纤可能是直接到塔上了，上来会跟基站有转换和连接。所以很多时候可以把它们当作一个整体方案去考虑。

MACOM在美国有专门的部门提供Massive MIMO阵列的解决方案，它下面的转换已经把64路甚至更高的路数进行了集成，进行光电转换，到下面的光网络去接收，这些方案可能以后会越来越集成，未来MACOM甚至能够提供一个微系统给客户。

MACOM官方资料

MACOM 亮相 EDICON China 2019 展示为 5G 连接及基站打造的全新射频产品解决方案

MACOM Technology Solutions Inc.(MACOM)于4月1-3日出席在中国北京举办的电子设计创新大会EDI CON China?2019。届时，MACOM在515号展位展示丰富的高性能射频产品组合，包括行业领先的MMIC、二极管、AlGaAs开关、功率放大器、前端模块 (FEM) 和氮化镓器件。同时，MACOM将重点展示适用于5G连接、无线基站、雷达、测试和测量，以及工业、科学和医疗 (ISM) 射频应用的全新产品解决方案。

诚邀您莅临515号展位，与MACOM专家进行面对面交流，了解更多有关MACOM技术及解决方案的信息，包括但不限于：

·可靠的高性能射频组件：展示MACOM服务于不同市场的高性能产品组合，测试和测量、卫星、雷达、有线网络和无线网络、汽车、工业、医疗以及移动设备等领域。

·5G连接：适用于 4G/5G的完整产品组合——提供可靠的高性能无线接入前端组件和模块。

·助力新一代无线基站：先进的硅基氮化镓Doherty功放模块，平均功率达60W。

·射频能量：MACOM的硅基氮化镓产品可提供主流射频应用所需的性能、规模、电源安全性和浪涌能力支持。

·应用支持：MACOM凭借其60多年的丰富经验和专业的客户支持服务，为客户解答及解决各种疑问和技术难题。

·相互对照工具：MACOM相互对照工具可协助客户查找所需的MACOM产品。