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Icbank半导体行业观察

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5G带来的半导体投资机会

2018-12-28
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来源:内容来自「 联讯证券 王凤华」,谢谢。


2019年全球子产业将保持增长

ICInsights预计2018年全球电子产品销售额16220亿美元,同比增长5.1%,2019年将达到16800亿美元,同比增长3.5%,2017~2021年CAGR=4.6%。

预计2019年通信市场销售额5350亿美元,依旧是最大的板块,同比增长3.9%,2017~2021年CAGR=4.8%。

随后依次计算机4270亿美元,同比增长2.2%,CAGR=3.3%;工业/医疗/其他2450亿美元,同比增长3.8%,CAGR=5.4%;消费电子2040亿美元,同比增长3.6%,CAGR=4.5%;汽车1620亿美元,同比增长6.3%,CAGR=6.4%,汽车电子将会是增速最快的领域;政府/军工1070亿美元,同比增长2.9%,CAGR=3.8%。

2019年各细分领域的销售额占比分别为通信(32%)、计算机(25%)、工业/医疗/其他(15%)、消费电子(12%)、汽车(10%)、政府/军工(6%)。

5G:引领创新浪潮,开启全新时代

5G是移动通信技术的重大变革,其性能相比目前网络将大幅提升。凭借无处不在的高速连接,5G将引领新一轮颠覆性创新浪潮。

5G具有三大应用场景:

1.增强移动宽带(eMBB);2.高可靠低时延连接(uRLLC);3.海量物联(mMTC)。

增强移动宽带(eMBB)为密集城市、农村、高流动性环境以及室内环境提供极高的吞吐量。用户将能够在几秒钟内下载3D视频等数千兆字节的数据,并且AR/VR将成为日常应用。

高可靠低时延连接(uRLLC)应用主要有无人驾驶、公共和大众交通系统、无人驾驶飞行器、工业自动化、远程医疗以及智能电网监控等。

海量物联(mMTC)是为智能城市、家居、电网、楼宇、制造、物流、农业、矿业等海量设备提供连接。

在这基础之上,AR/VR、物联网、车联网、8K、智慧城市等应用将兴起。

5G一般分为两个频段。

其中一个使用低于6GHz频率的频段,该频段在4GLTE上略有改进。

另一个利用24GHz以上频率的频谱,并最终走向毫米波技术。未来网络将是4GLTE与5GNR长期共存的状态。

2018年6月5G第一版标准R15正式冻结,支持eMBB场景,部分支持uRLLC场景,暂不支持mMTC场景。5G商用正式开启。预计2019年底第二版标准R16将冻结,全面支持三大应用场景。

我国计划2018年规模试验,2019年预商用,2020年规模商用。

目前第一阶段关键技术验证、第二阶段技术方案验证已完成。目前华为已经率先完成第三阶段系统验证。我国与国外进展基本同步。

预计2019~2022年是中频段网络建设密集期,可实现eMBB应用。

2022~2025年是毫米波网络建设密集期,可实现uRLLC、mMTC应用。预计我国2020~2025年是主建设期,2020~2022是整个周期的建设密集期。

上游芯片厂已陆续推出支持5G技术的调制解调器芯片,包括高通SnapdragonX50、联发科HelioM70、英特尔XMM8000系列、三星ExynosModem5000系列、海思Balong5000系列等。

以各家的进度来看,预计明年上半年进行客户送样认证,明年下半年量产出货。

TSR预计2019年5G手机开始出货,随后出货量不断增长。

5G版小米Mix3或于2019年欧洲上市。

三星预计2019年春天推出5G版GalaxyS10Plus手机。

华为计划在2019年2月MWC推出可折叠5G手机,与此同时可能还会推出搭载5G基带的P30Pro手机。

中兴将于2019年上半年推出5G商用手机。

三大运营商已经获得全国范围5G中低频段试验频率使用许可。

虽然正式的5G商用牌照还没有下发,但三大运营商各自频谱确定的意义仍然十分重大,最直接的影响就是运营商可以联合产业链伙伴进行5G网络建设。

这为产业界释放了明确信号,将加快我国5G网络建设和产业链的发展。

5G建设将带动基站、终端等硬件需求的增长,技术变革也将带来新的市场机会。

天线、PCB、射频前端、电磁屏蔽等元器件及产业链相关公司将获得新的增长动力。

在5G网络逐步完善之后,相应的应用如车联网、AR/VR等将会逐渐开发并渗透,这将开启更广阔的空间。

射频前端:5G时代迎来快速增长

射频前端(RFFE,RadioFrequencyFrontEnd)模块是移动终端通信系统的核心组件。低功耗、高性能、低成本是其技术升级的主要驱动力。

移动终端中的射频器件主要包括功率放大器(PA,PowerAmplifier)、双工器(Duplexer)、射频开关(Switch)、滤波器(Filter)、低噪放大器(LNA,LowNoiseAmplifier)等。

5G时代射频前端元器件用量快速增长,系统复杂程度也将提高。

射频前端的价值量从2G~4G不断提升,4G时代平均成本(全频段)约10美元,4.5G达到约18美元,预计5G将超过50美元。

Yole数据显示2017年手机射频前端市场规模150亿美元,预计2023年将达到352亿美元,2017~2023年CAGR=14%。

滤波器市场规模最大。2017年约80亿美元,预计2023年将达到225亿美元,2017~2023年CAGR=19%,主要来自于高频通信对BAW(BulkAcousticWave)滤波器的需求增长。

功率放大器市场规模位于第二位2017年达到50亿美元,预计2023年将达到70亿美元,2017~2023年CAGR=7%。高端LTEPA市场将保持增长,尤其是在高频和超高频段,但是2G/3GPA市场将会衰退。

射频开关市场规模位居第三位。2017年开关为10亿美元,预计2023年将达到30亿美元,2017~2023年CAGR=15%。

2017年低噪声放大器市场规模2.46亿美元,预计2023年将达到6.02亿美元,2017~2023年CAGR=16%。主要是多种射频前端模组的使用以及其在手机中与PA模块集成。

2017年天线调谐器市场规模4.63亿美元,预计2023年将达到10亿美元,2017~2023年CAGR=15%。主要受益于4×4MIMO技术的渗透。预计2023年毫米波前端模组的市场规模将达到4.23亿美元。

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目前射频开关、天线调谐器主要采用RF-SOI技术。滤波器、双工主要是SAW/BAW。

PA可以用CMOS、GaAs、RF-SOI技术。低噪声放大器可以用GaAs、RF-SOI技术。

进入5G时代,Sub-6GHz和毫米波阶段各射频元器件的材料和技术可能会有所变化。SOI有可能成为重要技术,具有制作多种元器件的潜力,同时后续有利于集成。

1、滤波器:市场规模最大的细分领域

Skyworks预计2020年5G应用支持的频段数量将翻番,新增50个以上通信频段,全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段将达到91个以上。

频段数上升将带来射频滤波器使用数量增多。

理论上每增加一个频段需增加2个滤波器。由于滤波器集成于模组,二者并不是简单的线性增加的关系。

双工器由两个滤波器组成,可在一条信道上实现双向通信。半双工是通信双方轮流收发。全双工是通信双方同时收发。全双工通过频分双工(FDD)或时分双工(TDD)实现。

射频滤波器包括声表面滤波器(SAW,SurfaceAcousticWave)、体声波滤波器(BAW,BulkAcousticWave)、MEMS滤波器、IPD(IntegratedPassiveDevices)等。

SAW和BAW滤波器是目前手机应用的主流滤波器。

采用MEMS工艺生产滤波器仍然存在挑战。MEMS技术制造滤波器具有极高的技术门槛,在保证高度一致性和高质量的条件下实现大规模量产难度较大。

全球SAW滤波器市场份额前五位的厂商分别为村田(47%)、TDK(21%)、太阳诱电(14%)、Skyworks(9%)、Qorvo(4%),合计占比达95%。

全球BAW滤波器市场份额前三位分别为博通(87%)、Qorvo(8%)、太阳诱电(3%),合计占比达98%。

国内SAW滤波器的厂商有麦捷科技、德清华莹(信维通信入股)和好达电子等。

2、功率放大器:GaAsPA仍是主流

PA的作用是将低功率信号进行放大。PA直接决定了手机无线通信的距离、信号质量,甚至待机时间,是射频系统中的重要部分。手机频段持续增加,PA的数量也随之增加。

4G多模多频手机所需PA芯片5~7颗。StrategyAnalytics预计5G时代手机内的PA或多达16颗。

目前GaAsPA是主流。CMOSPA由于性能的原因,只用于低端市场。Qorvo预计随着5G的来临,8GHz以下GaAsPA仍是主流,但8GHz以上GaN有望在手机市场成为主力。

2016年全球PA市场绝大部分份额被Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata占据,四家厂商合计占比达到97%,其中前三家合计占比达到92%。领导厂商Skyworks、Qorvo和Broadcom采用IDM模式。晶圆代工模式也在兴起,主要有台湾稳懋等。

国内设计公司有近20家,主要有汉天下、唯捷创芯、紫光展锐等。国内晶圆代工厂商主要有三安光电、海特高新。

3、5G带动SOI市场增长

2011年智能手机中还未使用RF-SOI产品。2010年GaAs射频开关是主流技术。

RF-SOI产品在性能和功耗相当的情况下将成本下降30%、die尺寸减少50%,在不到5年的时间内替代GaAs开关。

Navian数据显示90%的射频开关和调谐器基于RF-SOI制造。5G时代基于RF-SOI的射频开关使用数量会增加。

尽管射频开关的出货量巨大,但市场竞争激烈,价格压力较大,ASP为10~20美分。目前智能手机中均有RF-SOI产品,未来还将继续增长。

Yole数据显示2016年全球绝缘体上硅(SOI,SiliconOnInsulator)市场规模4.293亿美元,预计2022年将达到18.593亿美元,2017~2022年CAGR=29.1%。市场驱动力主要来自消费电子市场增长带来的需求提升。

Soitec预计2018年整个行业将出货150~160万片等效200mmRF-SOI晶圆,同比增长15%~20%,预计2020年将超过200万片。

SOI衬底大约占硅衬底市场规模6%。2016年200mm的SOI晶圆占据市场主导地位,在2017~2022年仍将有望以较快的速度增长。200mm的晶圆主要用于生产RF-SOI,这是制造智能手机天线开关和其他重要元器件所使用的材料。

2016年RF-SOI占据整个SOI市场最大的份额。按产品类型来看,射频前端占据SOI市场的最大份额。预计未来仍有较大幅度的增长。

厂商希望采用SOI将射频开关和LNA集成到一起,可能会用300mmSOI晶圆实现。SOI技术具备集成毫米波PA、LNA、移相器、混频器的潜力。

RF-SOI衬底制造主要有法国Soitec、日本信越、台湾环球晶圆和上海新傲科技。Soitec是“智能剥离(SmartCut)”技术的拥有者,RF-SOI衬底的最大供应商,拥有70%的市场份额。

Soitec生产200mm和300mmRF-SOI晶圆衬底。信越和环球晶圆也基于Soitec的技术生产200mm和300mmRF-SOI晶圆衬底。中国新傲科技生产200mmRF-SOI晶圆衬底。

格罗方德、TowerJazz、中芯国际、华虹宏力、台积电和台联电等晶圆代工公司在扩大200mm或300mm晶圆RF-SOI工艺产能。

格罗方德推出300mm晶圆RF-SOI工艺,包括130nm和45nm工艺。中芯宁波将承接中芯国际的RF-SOI或其他SOI工艺技术。华虹集团旗下的上海集成电路研发中心进行SOI技术开发,华虹宏力的0.2μmRF-SOICMOS工艺已经量产。台积电和台联电计划进军300mmRF-SOI晶圆。

设计公司CavendishKinetics推出了基于RFMEMS技术的射频开关和天线调谐器产品,目前也在发展之中,未来可能成为挑战者。

4、射频前端集成化,毫米波带来新机遇

射频前端集成化是必然趋势。集成化可以降低成本、提高性能,以及给系统集成商提供turn-key方案。

在射频前端模块集成上发展更快的厂商有望成为市场的主导者。同时拥有主、被动器件的设计能力、制造工艺以及集成工艺是未来射频元件公司的发展方向。

射频前端集成存在单片集成(片上SoC系统)和混合集成(SiP封装)两个发展方向。目前通过封装集成的形式更易实现,也是各大厂商重点着力的方向。

博通、Qorvo、Skyworks、村田、TDK不仅供应元器件还具有模组整合能力,将在集中度很高的市场中进一步确立优势。基带厂商也进入射频前端领域,行业竞争更加激烈。

近年射频前端领域有多起并购整合,相关厂商积极布局。2014年RFMD和TriQuint合并成立Qorvo,RFMD擅长功率放大器,TriQuint的技术优势则在于SAW和BAW,二者合并技术互补。

2017年1月高通和TDK合资成立RF360,TDK在SAW/BAW滤波器市场有技术积累。2017年2月联发科将其部分持股的射频前端芯片厂商络达科技的股份全部收购。安华高则收购博通。

毫米波技术采用与以往不同的方式实现高速数据传输,Sub-6GHz与毫米波技术可能重构射频前端产业。高通是毫米波领域的新进入者,英特尔、海思、三星、联发科也在积极探索新的机遇。

天线:MassiveMIMO和新材料将应用

5G将推动智能手机天线升级,MassiveMIMO技术提升通信速率,天线数量也将提升。

LCP(液晶聚合物,LiquidCrystalPolymer)适合于高频高速应用,传输损耗较小,可以作为基板、封装材料等。

2017年苹果首次使用LCP天线,单机价值量远高于之前的PI(Polymide,聚酰亚胺)天线。

LCP优良的弯折性能有助于合理利用智能手机内部的狭小空间。LCP产业链上、中游主要由外国厂商涉及。

生益科技进入LCPFCCL领域。信维通信进入LCP天线领域。立讯精密为LCP天线模组供应商。

MPI(ModifiedPolymide)在10~15GHz频段(或更低)性能与LCP相当,价格也更加便宜。

2019年苹果可能采用MPI天线,这将有利于改善良率,降低成本,同时提升对供应商议价能力。

MPI与LCP天线可能在5G时代共存,相对较低频段采用MPI,较高频段采用LCP。

Vivo方面认为目前手机毫米波天线阵列较为主流与合适的可能方向是基于相控阵(phasedantennaarray)的方式,实现方式主要分为三种:AoB(AntennaonBoard,天线阵列位于系统主板上)、AiP(AntennainPackage,天线阵列位于芯片的封装内)、AiM(AntennainModule,天线阵列与RFIC形成一模组),三者各有优势。现阶段更多的以AiM的方式实现。

高通推出了QTM052毫米波天线模组产品,一部智能手机可集成4个该模组,预计2019年用于5G终端。

5G封测:各大封测厂积极备战5G芯片

5G使用的芯片和元器件数量增加,通过集成可降低成本、提升性能、缩小体积。

现阶段高通、英特尔、联发科、华为等推出的5G芯片方案,搭配的前端射频模块均采用SiP封装。

SiP技术(FEMiD、PAMiD等)将10~15个器件(开关、滤波器、PA)封装在一起,连接可能采用引线(Wirebond)、倒装(FlipChip)、Cu柱(Cupillar)。

5G毫米波产品的集成密度会进一步提升。

未来还要寻找低损耗的材料,集成天线,优化封装整体结构,探索屏蔽防护措施。预计2017~2022年SiP封装销售额CAGR>10%,快于整个先进封装销售额增速(CAGR=7%)。

目前4G时代,智能手机射频前端SiP封装供应链由Qorvo、博通、Skyworks、Murata、TDK-Epcos5家IDM厂商领导。他们部分生产外包至领先的OSAT厂商,如:日月光、安靠、长电科技等。目前这几家IDM厂商主要集中于Sub6GHz解决方案。

高通则想直接开发毫米波产品并建立供应链以确保未来处于领先位置。

各大封测厂在5G芯片及SiP模块封测领域积极研发和布局并争取订单。

近年来全球主要封测厂商在持续提升晶圆级先进封装技术,尤其是扇出型(Fan-out)封装。

日月光、安靠、台积电、力成、长电科技、华天科技等厂商均已推出相应的扇出型封装服务。工研院预计未来5G高频通信芯片封装中扇出型封装技术将快速发展。

化合物半导体迎来新机遇

Yole数据显示2016年射频功率半导体(>3W)市场规模接近15亿美元,预计2020年将达到26亿美元,2016~2022年CAGR=9.8%。电信基础设施(包含基站、无线回传)射频功率半导体将占据一半的市场份额。预计2016~2022年基站市场CAGR=12.5%,无线回传市场CAGR=5.3%。

2016年LDMOS、GaAs器件市场占比较多,GaN器件仅占比约20%(>3W,不包括手机PA)。

随后GaN器件开始取代通信基站中的LDMOS、雷达和航空电子中的真空管以及其他宽带应用。GaN在基站和无线回传应用的增长主要来自数据业务的增长以及工作频率和带宽的提升。

随着载波聚合、MIMO技术的使用,GaN的高效率、大带宽优势将进一步得到体现。未来5~10年GaN会取代LDMOS成为3W以上射频功率应用的主要技术。

LDMOS技术成熟、成本低廉,在其他市场有潜在机会,但市场份额会降至约15%。GaAs由于性价比和可靠性较高,在防务、CATV市场中较多应用,将保持相对稳定的市场份额。

Yole数据显示2017年GaN射频器件市场规模约3.8亿美元。

其中电信、军事领域的市场占比分别为40%、38%。预计2023年将达到13亿美元,其中电信、军事领域的市场占比分别为43%、34%。

5G将会给GaN带来新的市场机遇,主要是基站中GaNPA取代LDMOS。

同时由于电磁波频率提升,未来需要布置更多基站,对元器件的需求量也会增加。

Yole预计Sub-6GHz时就会使用GaN器件。但是小基站功率不高,GaAs器件依旧有优势。随着器件技术提升和成本下降,未来GaNPA有望在小基站应用获得市场份额。

GaN器件适合高压(大于10V)应用,其高功率密度有可能减小PA的芯片面积。但现在手机使用的电压范围是3~5V,GaN的性能无法完全发挥。

高成本是阻止其进入消费电子领域的另一个障碍。此外还存在散热方面的问题。因此现有问题有待解决。但未来在手机中使用GaN技术是有可能的。

化合物半导体外延工序非常重要,领先厂商擅长外延并保有自己的生产能力以使技术保密。但是设计和晶圆代工同样快速发展。

2017年IDM厂商处于领导地位,未来设计和晶圆代工环节相对会有更快的发展。

GaN产业链的主要厂商有SumitomoElectric、Wolfspeed、Qorvo、M-A/COM、UMS、NXP、Ampleon、RFHIC、MitsubishiElectric、NorthropGrumman、Anadigics。

GaAs是重要的化合物半导体材料。

产业链上游为衬底制造,随后是GaAs外延(使用MOCVD、MBE等外延技术)。中游为晶圆加工和封测。下游为手机、基站等应用。住友电工、Freiberger、AXT三家公司占据约95%的GaAs晶圆市场份额。

IQE、全新光电、SCIOCS、英特磊等是主要的外延片制造商。IQE市场份额超过50%。

Skyworks、Qorvo和Broadcom是全球领先的GaAsIDM厂商。设计和先进技术(除晶圆制造)主要为IDM大厂掌握。稳懋是全球GaAs晶圆代工龙头。

三安光电也已进入化合物半导体代工领域,此外还有海特高新。

Yole数据显示2017年GaAs衬底用量175万片(以6英寸计),预计2023年将达到约415万片。

2018年GaAs射频产品占GaAs晶圆片市场的比例超过50%。但是手机市场饱和以及芯片尺寸缩小,该市场增速放缓。预计在Sub-6GHz波段,智能手机中GaAsPA依旧处于主流地位。

未来射频领域对GaAs晶圆片的需求仅小幅增长。主要的增长动力来自LED、光子学领域的应用。

苹果iPhone搭载的FaceID摄像头中使用了GaAs激光器,这将极大的推动GaAs在光子学领域的应用。Yole预计2023年GaAs晶圆片光子学应用方面的市场将达到1.5亿美元,2017~2023年GaAs晶圆片用量CAGR=39%。

GaAsLED将快速增长。Yole预计2017~2023年GaAsLED市场晶圆片用量CAGR=21%,2023年占全部GaAs晶圆片用量的比例超过50%。

StrategyAnalytics数据显示2017年全球GaAs元件市场总产值(含IDM厂组件产值)约88.3亿美元,达到历史新高,同比增长7.8%。前三位厂商占比分别为Skyworks(32.5%)、Qorvo(25.1%)、博通(9%)。

2017年砷化镓晶圆代工市场规模7.3亿美元。台湾稳懋一家独大,占比72.7%。随后是GCS(8.4%)、AWSC(7.9%)。

在半导体制造业中,IDM厂商和晶圆代工厂核心竞争力不同,同时产能投资策略也有差异。

IDM厂商的核心竞争力为产品设计和制造能力,持续开发更高性能的产品。

晶圆代工厂则依靠多样化以及先进制程技术,以利基型产品和低成本大规模制造并行的方式获取更大的经营效益。随着晶圆代工产业的成熟,IDM厂商为确保产能充分利用,投资扩产变的保守。

晶圆代工厂则通过获得设计公司、IDM厂商等的订单,维持一定水准的产能利用率。此外,以往少数兼营代工的IDM厂商,为了保有已付出大量资源所得到的最新研发成果,并不为客户兼竞争者提供最新制程的代工服务,因而客户逐渐流失,甚至最终放弃代工业务。晶圆代工厂则以最新制程为客户服务而获得竞争优势。

目前晶圆代工厂与IDM厂商在先进制程上已经并驾齐驱,打破了过去晶圆代工厂只能接收IDM厂商旧技术的规律。在GaAs晶圆制造市场中,IDM厂商仍旧占有超过50%的生产规模。

近几年由于专业代工更具成本优势,加上IDM厂商对于产能扩充投资趋于保守,持续释放出更大比率订单给晶圆制造代工厂,同时整体市场需求持续增长,这都为晶圆代工厂的发展提供了良好的机会。

5GPCB量价齐升

赛迪顾问数据显示2026年5G宏基站的数量达到475万个,是2017年底4G基站数量328万个的约1.4倍。此外5G小基站的数量保守估计是宏基站数量的2倍。基站数量的增长将带动对PCB需求的提升。

5G宏基站由CU、DU、AUU组成。AUU是有源天线单元,可简单等效为天线和RUU(4G)的集成。为减小传输损耗,用PCB集成天线和馈线,带来单基站PCB用量的提升。

5G使用MasiveMIMO技术,天线单元通过高频高速PCB集成,这也为单基站带来了新的增量。

目前常用的PCB板材为FR-4,不适合在高频高速条件下使用。

5G高频高速传输数据,应用于微波与毫米波频段的PCB板材主要采用低介电常数、低介电损耗的材料(PTFE、碳氢化合物、PPE树脂)制作。

高速电路板材主要采用特殊树脂、环氧改性特殊树脂。采用高频高速板材将使PCB价值量提升。

高频基材行业壁垒高,龙头企业优势明显,美日企业占据大部分市场。罗杰斯在PTFE-CCL的市场份额超过50%。国内主要有生益科技。

A股受益企业主要有沪电股份、深南电路、生益科技等。

电磁屏蔽、导热材料获得新市场空间

电子设备工作时不能被外界电磁波干扰,也要避免其自身辐射干扰外界设备或危害人体,因此需要通过电磁屏蔽阻断电磁波传播路径。电子设备主要通过结构本体和屏蔽衬垫实现屏蔽功能。

电子产品的性能越来越强大,工作功耗和发热量不断增大,这为导热材料的发展带来了机会。

屏蔽材料、导热材料产业链的上游是基础原材料,如:塑料粒、硅胶块、金属材料等。中游是电磁屏蔽及导热材料和器件。下游是各个应用领域的终端客户。

BCCResearch数据显示2013年全球EMI/RFI屏蔽材料市场规模52亿美元,2014年达到54亿美元,2016年达到约60亿美元,预计2021年将达到约78亿美元,2016~2021年CAGR=5.6%。

CredenceResearch数据显示2015年全球热界面材料市场规模7.74亿美元,预计2022年将提升至17.11亿美元,2015~2022年CAGR=12.0%。

5G时代电子设备数量持续增长,智能手机软硬件均会有显著变化,对电磁屏蔽和导热提出了新的要求。未来单机用量提升、产品类型多样化、工艺升级都将带来新的市场空间。


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