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5G时代,滤波器市场正在重构

    1. 万变不离其宗,滤波器承载四大基础功能

    1.1. 低通、高通、带通、带阻,滤波器四大基础功能
  
    从电信发展之初,滤波器在电路中就扮演着重要的角色,并随着通信技术的发展而取得不断进展。新的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术,而这种新技术的发展进一步加速了滤波器技术的研究和发展。
  
    而在现代通信技术领域内,几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等,都广泛地采用数字滤波器,特别是在数字通信、网络通信、图像通信等应用中,离开了数字滤波器,几乎是寸步难行。
  
    我们认为滤波器在通信领域发挥了巨大的作用,首先我们需要对滤波器有个基本的认识:滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其它频率成分。广义地讲,任何一种信息传输的通道都可视为是一种滤波器。滤波器的分类方式多种多样,可按波段和应用领域分类,也可以按其它方式分类。滤波器按照处理信号类型分类有模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器又分为有源滤波器和无源滤波器。无源滤波器就是无源器件组成的滤波器,一般都是RC和LC等分立元件构成,常用的无源滤波器有贝塞尔滤波器、巴特沃斯滤波器、切尔雪夫滤波器、椭圆滤波器等。有源滤波器则是有源器件构成的,常用的有源器件有运放。滤波器按照材料工艺分类又分为声学滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器等。声表面滤波器是声学滤波器的代表,它是在单晶材料上采用半导体平面工艺制作,具有良好的一致性和重复性,极高的温度稳定性,还具抗辐射能力强,动态范围大,不涉及电子迁移等特点。晶体滤波器具有品质因数高、衰减特性好、损耗小、选择性高等优点。陶瓷滤波器是一种固体电路,具有滤波特性好,不需调谐,不受磁场干扰的特点,且造价低,在移动通讯终端如手机中常用作为中频滤波器器件,使中频信号稳定,不易受外部磁场干扰。按照通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

    无论滤波器如何分类,以及采用何种技术方案,滤波器在任何一个电路中都是承载四大基础功能:低通、高通、带通、带阻。低通: 阻止高于某个频率的所有频率并允许所有其他频率通过(和高通相对)。高通: 允许高于某个频率的所有频率通过,并阻止所有其他频率(和低通相对)。带通: 允许两个频率之间的所有频率通过, 并阻止所有其他频率(和带阻相对)。带阻: 阻止两个频率之间的所有频率,并允许所有其他频率通过(和带通相对)。其中,带通滤波器在信号电路应用非常广泛。
    1.2. 射频前端,滤波器扮演着重要角色

    1.2.1. 无线通信,离不开射频前端系统
  
    射频前端是无线通信的核心
  
    无论何种通信协议,使用的通讯频率是高是低,配置射频器件模块是系统必备的基础性零部件。无论是使用13.56Mhz的信号作为传输载体NFC系统;抑或是使用900/1800Mhz信号作为传输载体的GSM通讯系统;还是使用24Ghz和77Ghz电磁波信号作为传输载体的无人驾驶毫米波雷达,均需要配置射频器件模块。射频前端是无线通信的不可或缺的一环。
  
    从2G、3G、4G再到5G,对射频前端要求越来越高
  
    从移动网络的角度看,2G的GSM,3G的WCDMA,再到4G的LTE-Advanced,每一代的更新换代都带来新的通讯协议,并且复杂程度也以指数倍提升,对手机内的射频系统要求也更高、更严格。
   在带宽方面,2G信道带宽为200kHz;3G为一般为5MHz左右;4G中的LTE-Advanced协议拥有带宽为100MHz。更高的带宽带了更快的速度,但是带宽目前作为稀缺资源,加上各种其他专用通信带宽的占用(如军用,民航通信等专用网络),为避开干扰各个频谱间还需空出一定带宽进行隔离,手机通信的可用带宽则是少之又少。各方想方设法节省频谱资源,如4G所用的载波聚合(CA)技术,它可以使2-5个LTE中的成员载波(带宽小,通常为20M)聚合在一起,实现最大100MHz的传输带宽。还如正交频分复用技术(OFDM),它将信道分成若干正交子信道,将通信信号分成多组,同时并行传输在各个子信道中,大大节省了带宽利用。除此之外还有MIMO等技术,这些技术的实施也对手机射频器件的性能还有参数提出了更高的要求。

    1.2.2. 射频前端,滤波器至关重要
  
    智能手机、卫星导航、卫星电视等射频前端系统都需要滤波器才能正常工作。滤波器可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。我们以智能手机和卫星导航两个领域来看滤波器的重要性。
  
    在智能手机射频前端系统中,射频前端包括SAW滤波器、双工器(Duplexer)、低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)、功放(Power Amplifier)、开关(Switch)等器件。SAW滤波器负责TDD系统接收通道的射频信号滤波,双工器负责FDD系统的双工切换以及接收/发送通道的射频信号滤波;功放负责发射通道的射频信号放大;开关负责接收通道和发射通道之间的相互转换;天线负责射频信号和电磁信号之间的互相转换。
    在卫星导航射频前端系统中,定位接收器需要能够接收两个或更多不同导航卫星系统发射的信号,为处理所有这些信号,GNSS接收机对带宽、线性和抗干扰性能的要求比传统的消费类GPS接收机更高,这个需要滤波器对相应的信号进行处理。
    可见,滤波器在射频前端系统中扮演重要角色。在现代通信系统中,为了抑制外界干扰信号对终端接收信号灵敏度的影响,同时抑制发射通路射频信号的带外干扰,通常需要在射频前端的接收通道和发射通道上分别配置SAW滤波器和低通滤波器,同时需要配置双工器来解决射频前端接收通道和发射通道的滤波问题。

    1.2.3. 双工器、共存滤波器、载波聚合,都是滤波器在射频前端的应用

    双工器、三工器:多个滤波器的集成 
  
    在FDD系统中,需要采用双工器。双工器是滤波器的重要应用,其作用是将发射和接收信号相隔离,保证接收和发射都能同时正常工作。双工器由两组不同频率的阻带滤波器组成,避免本机发射信号传输到接收机。一般双工器由六个阻带滤波器(陷波器)组成,各谐振于发射和接收频率。接收端滤波器谐振于发射频率,并防止发射功率串入接收机,发射端滤波器谐振于接收频率。三工器由三台滤波器组成,共用一个节点,三工器的通带加载和隔离目标与双工器相同。
    共存滤波器:解决紧邻频带干扰问题
  
    在2.4GHz的Wi-Fi频带内,对于使用紧邻频带的蜂窝通信(特别是LTE网络)而言,发生干涉的可能性越来越大,这时候需要射频滤波器能够抑制紧邻的频率。与此同时,滤波器还必须尽量减少Wi-Fi发射通路的插入损耗,以确保802.11n标准和802.11ac标准所需的高信噪比和相应的低误差矢量幅度 (EVM)。在上述要求上,体声波滤波器比较有效,与蜂窝Wi-Fi应用使用的传统声表面波滤波器和陶瓷滤波器相比具有明显优势。
    载波聚合:借助滤波器实现吞吐速度的提升
  
    网络运营商面对不断增长的数据需求,努力提高网络性能。为保持客户体验,需要提供越来越高的数据速率,其直接方法就是增加带宽。载波聚合是一种 4G LTE 高级特性,该特性允许服务提供商将多个频谱块合并成一个较宽的信道,从而提供更高的数据速率。载波聚合有三种类型。第一类是“带间聚合”,指不同频带频谱的聚合。这些频带可以远隔或紧靠在一起。远隔频带的聚合最为简单,只需同向双工器即可。对于紧邻的频带,可能需要四工器或多天线方案才能解决。其他两种类型涉及同一频带内的频谱合并。
  
    载波聚合对滤波器的设计有几个方面的影响。对于远隔频带的聚合,分割信号的同向双工器产生额外损耗,该损耗必须由低损耗滤波器做出补偿。另外,滤波器阻带的衰减也必须规划,以确保其他聚合频带的充分衰减。最后,对于相邻频带,需要采用更复杂的多工器。
    2. 5G通信,SAW/BAW高性能滤波器大放异彩 

    2.1. SAW和BAW,高性能射频滤波的主流技术
  
    正如上文所述,滤波器的种类多种多样(介质滤波器、LC滤波器、SAW滤波器、BAW滤波器等),各有各自的应用领域。在目前的通讯协议中,不同频带间的频率差越来越小,因此对于滤波器的信号选择性要求极高,让通带内的信号通过并阻挡通带外的信号。Q越大,则滤波器可以实现越窄的通带带宽,也就是说可以实现较好的选择性。除了品质因数Q之外,插入损耗也是重要参数。插入损耗是指通带信号被滤波器的衰减,即信号功率损耗。插入损耗有1dB,则信号功率被衰减20%;当插入损耗到达3dB时,则信号功率被衰减了50%。而在4G时代,信号功率放大并不简单,低插入损耗对射频信号的处理非常重要。正式因为这些特性,SAW/BAW滤波器凭借优良频带选择性、高Q值、低插入损耗等特性成为射频滤波器的主流技术。
    SAW滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。但SAW滤波器也有局限性,一般只适用于1.5GHz以下的应用。另外它也易受温度变化的影响,当温度升高时,其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。高于1.5GHz时,TC-SAW和BAW滤波器则更具性能优势。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使得它非常适合要求非常苛刻的 3G、4G以及5G应用。即便在高宽带设计中,BAW对温度变化也没有那么敏感,同时它还具有极低的插入损耗和非常陡峭的滤波器边缘。
    在智能手机射频前端系统中,SAW/BAW滤波器、SAW/BAW双工器有时也会被当作分立器件使用、或者作为与部分元件的组合模块使用。尤其是在Band的搭载数量不断增加的形势下,削减制造商的RF部设计负荷、缓和设备超小型化的实际安装精度等要求越来越高。SAW/BAW滤波器在未来5-10年将是射频前端滤波系统中渗透率最高的技术。
    2.2. SAW:2G/3G/4G通信较低频段的主流选择

    2.2.1. SAW滤波器原理

    SAW(Surface acoustic wave)滤波器是利用石英、铌酸锂、钛酸钡晶体的压电效应做成的,即晶体在受到电信号的作用时,也会产生弹性形变而发出机械波(声波),即可把电信号转为声信号。简单的理解,声表面波是指沿固体表面传播的波,且能量集中于表面。在声表面波传播途中,可任意存取信号,根据这种特性,利用集成电路技术制作出声表面波滤波器。
    构成SAW滤波器的基本要素是叉指式换能器(IDT)和反射器(Grating)。叉指换能器(IDT),就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案,它的作用是实现声电换能。反射器(Grating)设置在SAW的传播方向,引发谐振。
  
    SAW滤波器已经被广泛应用于手机等设备,按使用的结构大致可以分为2种。一种是被称为梯型的滤波器,即单端口谐振器连接成梯型状态的滤波器。另一种是被称为DMS(Double Mode SAW)型的滤波器,即将2个以上的IDT设置于反射器之间,由此可以实现结合了多个波模式的宽带滤波器特性效果。梯型滤波器一般在非平衡的输入、输出状态下使用,而DMS型滤波器则是以从IDT获取电极的方式,可以实现平衡输入或输出的效果,因此常在连接平衡输入的放大器时使用。
    2.2.2. SAW滤波器聚焦1.5GHz以下频段应用
  
    SAW滤波器广泛应用于2G/3G接收机前端以及双工器和接收滤波器。 SAW滤波器具有插入损耗低、抑制性能优良等特点,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。从成本上看,SAW滤波器可以制作在晶圆上面,其成本低,可以批量化生产。此外,SAW技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上,不需额外的工艺步骤。
  
    但是,SAW滤波器也有局限性。SAW在1.5GHz以下使用非常合适,但是在工作频率超过1.5GHz时,SAW的Q值开始下降,到2.5GHz时,SAW的选择性已经只能用在一些要求比较低的场合。然而,目前的无线通讯协议已经早就工作大于2.5GHz的频段(例如4G TD-LTE的Band 41)等,这时候SAW就不够用了,必须使用体声波(BAW)滤波器。
  
    除了工作频率要求外,SAW器件易受温度变化的影响,温度升高时,其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。为了解决这个问题,温度补偿(TC-SAW)滤波器方案被开发,它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层, 所以TC-SAW滤波器比普通的SAW滤波器更复杂,其制造成本也相对较高。
    TC-SAW已经在手机射频前端取得不少应用。以三星S7为例,美国版Galaxy S7集成了村田RF前端模组FAJ15,该模组主要针对LTE低频段,由几颗滤波器芯片组装在陶瓷基底上,包含两种SAW技术:STD-SAW(标准SAW)和TC-SAW(热补偿SAW)。其中的Band 8 LTE双工器由于其频段要求非常低的热漂移,所以必须采用热补偿SAW技术。
    2.3. BAW:5G通信将采用高频技术,BAW滤波器需求将快速提升

    2.3.1. BAW滤波器原理以及在手机的应用
  
    BAW滤波器的原理

    BAW (bulk acoustic wave)滤波器是体声波滤波器,采用薄膜腔声波谐振器(FBAR)技术,原理基本同SAW,使用石英晶体作为基板,贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励, 使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。与SAW不同的是声信号在介质内部传输,故体积可以做的更小(介质的介电常数大于空气)。
    BAW滤波器的最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜(在2GHz下,Quartz?substrate厚度为2um),声波在压电薄膜里震荡形成驻波。为了把声波留在压电薄膜里震荡,震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小损耗和最大Q值。声波在固体里传播速度约为5000m/s,也就是说固体的声波阻抗大约为空气的105倍,所以99.995%的声波能量会在固体和空气边界处反射回来,跟原来的波一起形成驻波。

    相比SAW滤波器,BAW滤波器更适合于高频率。跟SAW/TC-SAW 滤波器一样,BAW滤波器的大小也随着频率增加而减少。另外,BAW 滤波器有对温度变化不敏感,插入损耗小,带外衰减大(steep filter skirts)等优点。


    BAW滤波器应用:以iPhone 6s Plus中的FBAR-BAW为例

    iPhone 6s Plus的射频前端系统包含几个滤波器芯片,组装在无芯PCB基板上,Avago AFEM8030就是其中的滤波器芯片。Avago AFEM8030中的滤波器采用密封的晶圆级封装,该技术来自于Avago的Microcap晶圆键合CSP,使得前端模块中的所有芯片组装在一起的面积小于35mm?。此外,还采用了硅通孔(TSV)来导通电气信号和特殊的研磨工艺来控制氮化铝(AlN)厚度。
    2.3.2. 5G通信将采用高频技术,BAW滤波器需求将快速提升
  
    无线通信技术首先要确定的是无线电频谱。无线电频谱资源是一个国家重要的战略性资源,是信息无所不在的重要载体。目前,3Ghz以下的频段已经被2G到4G通信、电视、导航、卫星等应用占据,因此,5G将选择3Ghz以上的频谱。
  
    目前业界开展研究的5G典型候选频段主要包括6GHz、15GHz、18GHz、28GHz、38GHz、45GHz、60GHz和72GHz等,测试场景涵盖室外热点和室内热点。信道测试表明,频段越高,信道传播路损越大。
  
    目前我国已经向国际标准组织提出了一些候选频段意向,主要是6GHz以下的中低频段。在中国移动等国内运营商看来,5G的频谱应该是高中低频段结合,而不仅仅是高频段。
  
    2016年7月,美国联邦通讯委员会正式向移动、灵活和固定使用的无线宽带开放近11GHz的高频频谱,新的5G网络速度有望达到4G网速的10倍至100倍。
    高频通信,意味着BAW滤波器需求量将快速提升
  
    SAW和BAW滤波器的适用工作频率也不尽相同,SAW通常在低于1.5GHz以下时适用,而在高频通信领域,BAW被更加多的厂商所接受。目前,在一款手机中同时拥有2G、3G、4G、Wifi、蓝牙等通信制式的情况下,两种滤波器可以相辅相成,混合适用。比如在LTE中,频段分布多,拥有Bands 1, 2, 3, 4, 5, 8, 13, 17, 19, 20, 25等,其中某些频段使用频率较低,如Bands 5,频率区间为824MHz-894MHz,为了降低整体成本,可以选择SAW滤波器;而在高频通信如Bands 25等就必须使用性能更好的BAW滤波器。
  
    未来5G通信要求选择3Ghz以上的频谱,这意味着普通的SAW滤波器不能胜任5G的频段要求,必须采用BAW滤波器。目前,各大滤波器厂商也在加紧推出高性能BAW滤波器。
    2.4. SAW/BAW趋势:小型化、高频带宽化、集成化

    2.4.1. 趋势一:小型片式化
  
    SAW/BAW滤波器的小型片式化,是移动通信和其它便携式产品提出的基本要求。为缩小SAW/BAW滤波器的体积,通常采取三方面的措施:一是优化设计器件用芯片,设法使其做得更小;二是改进器件的封装形式,现在已经由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或LCCC(无引线陶瓷芯片载体)表面贴装的形式;三是将不同功能的SAW/BAW滤波器封装在一起,构成组合型器件以减小占用PCB的面积,如应用于1.9GHz PCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及近来富士通公司开发的双制式(可支持模拟和数字两种模式)便携式手机用SAW滤波器,均装有两个滤波器。
    2.4.1. 趋势二:高频、带宽化
  
    未来2-3年5G的到来会增加更多的高频频段。美国联邦通信委员会(FCC)分配了28GHz、37GHz和39GHz三个频段,用于获牌照运营商的5G网络建设。另外,64GHz到71GHz的频段,将用于5G网络的非牌照用途。
  
    为适应电子整机高频、宽带化的要求,SAW/BAW滤波器也必须提高工作频率和拓展带宽。以SAW滤波器为例,提高工作频率的手段主要从两方面考虑:1、提高细线条加工的设备能力;2、利用声表面波传播速度更高的压电材料。曝光设备和光刻技术是制作高频SAW滤波器的关键设备。随着通讯系统的发展,拓展SAW滤波器的带宽是必要的。为此,通常从优化设计IDT的电极结构入手。比如将IDT按串联和并联形式连接成梯形结构,采用0.4μm以下的精细加工技术,就可制作出用于无线局域网(LAN)的2.5GHz梯形结构谐振式SAW滤波器,带宽达100MHz;在多模式滤波器中,采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些,因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波,而后者具有陡削的窄带特性,可用于个人数字蜂窝(PDC)和模拟电话的中频(IF)滤波。

2.4.2. 趋势三:集成化

    移动手机不断增加功能部件,手机生产商也不断提高要求前端中的RF集成度以保持它们产品的体积大小。集成化的后果可能是所有器件组成一个单一的无线射频模块。但是,这个模块中将会包含多种技术混合的多芯片组,而不是单一芯片。在这些技术中,Si、GaAs、SAW器件将对优化器件性能起到举足轻重的作用。

    对于SAW滤波器,它与IC的集成,将得到功能强大、体积更小的器件。目前国外研究很热的两种集成技术是:(a)、基于各种元件的技术,将多个元件芯片封装(MCM)集成在一个外壳中(SiP);(b)、将不同功能的技术集成在一个芯片上(SoP)。SiP技术比SoP技术简单灵活、可靠性高。因此,今后SAW器件厂家将积极开展与IC厂家的合作,开发新的集成封装技术。
备注:SAW/BAW三大趋势:小型片式化;高频、宽带化;集成化。


    2.5. 仅手机用SAW/BAW滤波器市场规模就达百亿级美元,市场空间广阔

    2.5.1. 联网设备增多、频段增多,滤波器市场需求量越来越大

    全球联网设备增多,射频前端系统需求量增多,滤波器的需求量自然增多。千亿级设备连接,这是物联网应用的网络需求,未来全球移动通信网络连接的设备总量将达到千亿规模。根据IMT-2020 5G推进组预测,到2020年全球移动终端(不含物联网设备)数量将超过100亿,其中中国将超过20亿。全球物联网设备连接数也将快速增长,2020年将接近全球人口规模达到70亿,其中中国将接近15亿。到2030年,全球物联网设备连接数将接近1千亿,其中中国超过200亿。
    射频频段增多,滤波器的需求量自然增多。从1G-->2G-->3G-->4G,再到5G,射频的频段不断增多,其射频器件的应用数量也快速增加。从射频前端使用滤波器的数量来看,随着频段数量的增加,射频滤波器件的需求量也相应增加。一般来讲,1个频段至少需要2个射频前端滤波器件,以TD-LTE/FDD LTE/TD-SCDMA/GSM终端为例,其终端若支持11个频段则需要24个射频前端滤波器件。大致来讲,早期2G网络使用的频段很少,对SAW/BAW滤波器的需求量也较少,2G手机需要的滤波器只需要16个,3G需要19个,到4G需要45个,未来5G的需求量有望增加至67个。 
    2.5.2. 仅手机终端滤波器市场就超百亿美元

    不考虑其它无线联网设备,仅考虑手机终端,其射频滤波器的空间就非常广阔。从射频前端使用滤波器的价值量来看,随着频段增多,滤波器在射频前端价值量占比越大。根据Triquent的预测,进入4G时代,单部手机射频器件价值从3G终端的3.75美金提升至7.5美金,支持全球漫游的终端设备ASP甚至达到了12.75美金。与此同时,我们注意到,滤波器在射频器件扮演的重要性越来越强,滤波器的价值占比也从3G终端的33%提升到全网通LTE终端的57%。到5G时代,滤波器的应用量将进一步增加(特别是BAW滤波器),单台手机的滤波器价值将达到10美元以上。
    根据IDC数据,2016年全球智能机销售总量为14.7亿部,2017年全球手机出货量预计增长4.2%,达到15.3亿部,到2021年将实现17.7亿的出货量。目前,智能手机的频段以3G、4G为主,预计2018年之后将开始逐步支持5G网络。这里,我们假设2018年全球智能手机出货量16亿部,每台手机所用滤波器(SAW/BAW滤波器)平均按照7美元估算,预计全球智能手机用滤波器(SAW/BAW滤波器)市场达到112亿美元。未来5G手机普及之后滤波器数量又将进一步增加,会为这一市场带来新的一轮高增长,Technavio也在研究报告中指出,射频滤波器市场2016-2020的年复合增长率可达15%,并且已经超越PA成为整个射频前端模块市场中最重要的组成部分。

3. 日美垄断,中国崛起

3.1. 日美企业垄断

整合兼并,声波滤波器已形成巨头垄断格局

声波滤波器(SAW/BAW)相对于传统LC或者陶瓷滤波器来说,制作难度更大,成本更高。过去十年,全球半导体器件厂商不断整合并购,以谋求产业链优化,并利用规模优势获取更多的市场话语权、更低的制造成本。在声波滤波器领域,经历数次整合并购之后,已经呈现了巨头垄断的竞争格局。
    Murata、TDK垄断SAW滤波器市场,Avago、Qorvo垄断BAW滤波器市场
  
    目前,几大国际厂商的垄断格局已成。SAW滤波器主要供应商为Murata、TDK、太阳诱电等几家日本厂商,而BAW滤波器则为Avago (收购Broadcom)以及Qorvo占据几乎全球超过95%以上份额。
    在射频前端器件厂商中,各家厂商在不同细分领域的优势不尽相同,Murata在SAW领域优势明显,Avago在BAW领域优势明显。
    3.2. 垄断背后在于工艺和专利

    3.2.1. 工艺:复杂难以控制,国外厂商以IDM模式掌控

    SAW/BAW滤波器的设计和制造非常复杂,目前仍无法用集成度最高的CMOS工艺进行批量化制造,而必须使用特殊工艺以保证性能。
  
    我们先来看下SAW/BAW滤波器的制作工艺。以SAW滤波器的制作为例,SAW滤波器的发展技术在国外已经非常成熟并且稳定,因此国外的设备、工艺、器件封装以及IC的集成发展迅速并且非常先进。SAW滤波器的制作普遍采用减法工艺,即在基片上沉积金属膜,然后去掉不需要的部分得到所需要的金属叉指图形。
    大致流程分为:1)金属膜沉积:制作叉指电极的金属材料常用的是铝、铜以及一些合金材料,在基片上沉积金属膜常常使用溅射、蒸发等方法。2)上胶及前烘:将光刻胶滴在基片上,基片在旋转涂胶台上高速转动,将光刻胶均匀涂覆到基片正面。将上胶后的基片放置在烘烤箱内进行前烘,除去残留在光刻胶中的溶剂,增强光刻胶的粘附性。3)曝光:用紫外光通过掩膜板照射涂有光刻胶的基片,曝光得到所需的图形。4)显影、漂洗及后烘:将经过曝光的基片放于显影液中进行显影,覆盖金属膜的基片上光刻胶被去掉的部分便露出金属膜,其它部分仍然被光刻胶所覆盖。经过漂洗后,将基片放入烘烤箱进行后烘,提高光刻胶的粘附力。5)刻蚀:刻蚀过程将没有被光刻胶覆盖的金属膜去除,有两种方法,分别为湿法刻蚀和干法刻蚀。6)去胶:将刻蚀工艺后的基片放于化学溶剂中,将光刻胶去除。通过上述工艺,可以制作出滤波器最核心的叉指换能器,然后再通过外部结构封装形成最终的声表面波滤波器。
  
    SAW滤波器是半导体工艺的一种(BAW滤波器的工艺难度更大),所使用的材料对器件的性能起着决定性的作用,而曝光设备、光刻技术、工艺参数等细微变化都会极大影响滤波器的性能。为了最大化的保证最优设计结果,SAW/BAW滤波器厂商大多采用IDM的模式,因此其设计和制造工艺主要被国外厂商垄断。对于中国厂商来讲,SAW/BAW的设计与制造都还有不少难点尚待突破。以SAW滤波器为例,在SAW滤波器设计方面,如何解决SAW滤波器的温度漂移问题(即在如何让SAW滤波器在不同温度时的频率响应尽量不变)就是一个关键难题,滤波器的设计与制造工艺息息相关,设计必须紧密结合制造工艺进行,设计者也必须对于制造工艺有扎实的理解;在SAW滤波器制造工艺方面,SAW滤波器的工作频率由电极条宽度、压电材料性质所决定,电极条愈窄,频率愈高,采用半导体0.2~0.35μm级的精细加工工艺,可制作出2~3GHz的 SAW滤波器。此外,未来SAW/BAW滤波器的设计还必须考虑集成,这进一步增加了工艺难度。


    3.2.2. 专利:国内布局较晚

    SAW/BAW滤波器作为射频领域的基础元件器,其专利的布局对厂商的应用极为关键。国外在SAW/BAW滤波器的发展技术已经非常成熟,并构建了专利壁垒。

    以FBAR(基于BAW技术)专利为例,专利被国际大厂占据
  
    1991年5月,WESE公司申请了一件FBAR滤波器的美国发明专利(名称为微波薄膜体声波谐振器和多种滤波器组),自此开启关于薄膜体声波谐振器在专利领域的申请。之后在1999年,欧洲国家也加入对薄膜体声波谐振器的专利申请行列,随后我国自2000开始有关于薄膜体声波谐振器的专利申请,同年,日本也开始了薄膜体声波谐振器专利技术的发展,截止目前,关于薄膜体声波谐振器的专利申请量,形成了以日本、美国为主要申请国家的局面。

    在关于薄膜体声波谐振器的专利申请中,其申请人以外国公司为主,在1991年至2013年间的专利申请统计中,三星公司关于薄膜体声波谐振器的专利申请量位居榜首,随后是安捷伦科技有限公司、富士通,日本的松下、京瓷株式会社、东芝等纷纷在列。在我国,中国电子科技集团公司的申请量排在首位,但全球排在第20位,其申请量相较于国外一些国家有较大差距。

    备注:FBAR专利的发展情况引自于《FBAR薄膜体声波谐振器专利技术发展与分析》,崔岩,《科学与财富》2014年第11期


    3.3. 中国厂商突破技术瓶颈,正在崛起

    3.3.1. 国内声表面技术落后于国外

    我国声表面波技术的发展从20世纪70年代初开始,大约经历了三个阶段:第一阶段为基础研究阶段(70年代初到80年代初)。主要是在国家的支持下研究声表面波技术的基本原理和制作工艺技术,以南京大学、北京声学所、中电科技26所等为主导力量。第二阶段为彩电配套国产化阶段(80年代中至90年代中)。在国家“彩电国产化”项目的支持下,国内声表面波器件产业得到飞速发展,国内电视机生产厂商采用的声表面波器件95%来自于国产,并大量出口。第三阶段为基站与手机配套阶段(90年代中至现在)。移动通信的发展对声表面波技术提出了更高要求,声表面波器件向高频化、多元化、多层次扩产,产品结构从中低档向中高档跨进,国内一些厂商取得了相当的进步,但相对于国外厂商,差距仍非常巨大。
    与国外厂商比较,我国声表技术大幅落后。1965年,怀特(White)和沃尔特默(Voltmer)联合发明了叉指式换能器(IDT:Inter Digital Transducer),开启了国外厂商在声表面波滤波器的研发,1975年前后将SAW滤波器应用到电视机领域,并与1990年左右开发出手机用的SAW滤波器。而我国于上世纪七十年代起步,到2012年才开始开发出手机用的SAW滤波器,明显落后于国外先进厂商。

    3.3.2. 中电55所、中电26所、无锡好达,已突破手机用声表射频滤波器
  
    目前,我国从事声表滤波器的公司大约还有10家左右,有一半从事军品滤波器,一半从事民品滤波器。而在手机用声表射频滤波器有突破主要是德清华莹(中电55所)、中电26所、无锡好达三家。它们成功开发了外壳尺寸为2520、2016、1814CSP封装的BAND1、BAND5、BAND8声表双工器,以及尺寸为1411、1109CSP封装的GPS、WiFi用滤波器,其产品已经在二线品牌手机厂家使用。
  
    1)德清华莹(中电55所)
  
    中电科技德清华莹电子有限公司始建于1978年,是国内最早研制生产铌酸锂压电晶体材料和声表面波滤波器产品的企业之一。现在是中国电子科技集团公司旗下五十五所控股的一家专业研制及制造人工晶体材料、声表面波器件及电子系列产品的企业。公司专业生产铌酸锂晶体产品、声表面波器件和其它电子产品,拥有自主知识产权。主营的铌酸锂3″、4″晶体年产18吨,加工晶片100万片及系列光学晶体产品;年产各类声表面波器件1.6亿只,电子镇流器、电子变压器等照明产品600万套,大功率灯珠600万只,COB面光源及集成光源60万只。
  
    2)中电26所
  
    中电科技26所是国内实力非常强的商用SAW滤波器制造商。1999年以前,中电26所的产品及业务主要用于军用和国防定制配套,此后逐步民用化。中电26所已经成功研制出上千种规格的声表面波滤波器、声表面波振荡器、声表面波谐振器、声表面波延迟线、声表面波直接频率合成器、声表面波脉冲压缩组件等信号处理器件以及零组件,用于GSM/CDMA等直放站、GSM/CDMA/WCDMA/TD-SDMA 等基站的系列中频滤波器、CDMA450固定台系统的400-700MHz系列滤波器、WAN/WLL的声表面波滤波器、各类无线通信标准无线收发RF滤波器。
  
    3)无锡好达
  
    无锡好达主要产品包括声表面波滤波器、双工器、谐振器,应用于手机、通信基站,雷达、航天航空、汽车电子、及其它射频通讯领域。公司拥有能生产0.25um微线条芯片生产线,有能生产CSP倒装产品封装的生产线,可生产产品尺寸为1.8*1.4的双工器、1.1*0.9的滤波器,可生产1.8×1.4 mm 的双工器、1.1×0.9 mm的滤波器,其HDDB01NSB-B11、HDDB03CNSS-B11、HDDB05NSS-B11等多个型号双工器在BAND1、BAND3、BAND5等波段得到应用。公司已实现对主流手机厂商(主要客户包括中兴、宇龙、金立、三星、蓝宝、富士康、魅族等)的供货。
  
    3.3.3. 信维通信与中电五十五所合作布局5G大时代

    * 公司与中电五十五所合作并投资入股德清华莹,进入5G大时代
  
    6月16日,信维通信发布公告:公司与中国电子科技集团公司第五十五研究所签订投资意向书,信维通信拟出资11,000万元入股德清华莹。增资完成后,公司将成为德清华莹的第二大股东。此外,本轮增资扩股之后,如德清华莹需再进行增资,五十五所、德清华莹双方保证公司拥有不少于当次增资金额的50%的优先认缴权。


    信维通信与中国电子科技集团公司第五十五研究所还签订了战略合作框架协议:
  1、由五十五所控股的德清华莹公司与信维通信在声表面波晶体材料和器件方面进行技术合作、联合开发、共享销售渠道。
  2、五十五所与信维通信共同出资建设5G通信高频器件产业技术研究院。
  3、双方出资共建GaN芯片 6寸线平台,开展 GaN 射频功率芯片的工艺开发与制造,以及 GaN 射频功率器件的封装、测试和销售。
  4、双方在SiC电力电子领域进行务实合作,实现从芯片到模块的产业链全覆盖。
  5、双方共同开展射频MEMS器件的设计与加工,建设面向全国开放的国家级射频 MEMS 微系统工艺制造平台。
  
    * SAW滤波器因为制造工艺难、成本高、专利封锁等原因目前被日美巨头垄断
  
    SAW滤波器因为其小型化、带宽化、集成化等特点被广泛应用于手机终端等设备中,其市场空间非常广阔。目前,智能手机的频段以3G、4G为主,预计2018年之后将开始逐步支持5G网络,届时预计全球智能手机用SAW滤波器市场达到百亿美元。而未来5G手机普及之后滤波器数量又将进一步增加,会为这一市场带来新的一轮高增长,Technavio也在研究报告中指出,射频滤波器市场2016-2020的年复合增长率可达15%,并且已经超越PA成为整个射频前端模块市场中最重要的组成部分。但是手机终端上的SAW滤波器因为相对于传统LC或者陶瓷滤波器来说,制作难度更大,成本更高,专利也被严格封锁,如今被日美企业如Avago、Skyworks、Qorvo以及高通等公司垄断。相比如外国厂商在1990年就开发出手机用SAW滤波器,国内厂商在2012年才开发出来,落后国外先进厂商二十年。
  
    但是国内厂商也不甘落后,国内SAW滤波器产品结构正从中低档向中高档跨进,其中一些厂商也取得了相当的进步。中电五十五所作为国内最早研制SAW滤波器的企业之一,技术积累与工艺沉淀优势极为明显,可谓说是国内该领域的强中强企业,代表了国内SAW滤波器生产与研发的最高水平。
  
    * 强强联手,信维在5G时代龙头优势更明显
  
    本次信维通信与中电五十五所合作可谓是强强联手。中电五十五所作为以固态功率器件和射频微系统等为主业的国家重点电子器件研究所。在固态功率器件与射频微系统、光电显示与探测等领域实现了自主研发与原始创新。拥有一套完整的科研生产体系,其研发能力和产品水平处于国内领先、国际先进地位。
  
    德清华莹是国内最早研制生产铌酸锂压电晶体材料和声表面波滤波器产品的企业之一。现在是中国电子科技集团公司旗下五十五所控股的一家专业研制及制造人工晶体材料、声表面波器件及电子系列产品的企业。公司专业生产铌酸锂晶体产品、声表面波器件和其它电子产品,拥有自主知识产权。
  
    信维通信作为国内天线与射频器件的龙头企业从2016年就开始深度布局,该年公司成立信维微电子,主要从事射频前端器件及模组、半导体材料及微电子产品、无线通信和物联网的软硬件、通信设备微波和毫米波单片集成电路、多芯片微组装集成电路及其其它功能组件的研发、制造及销售。从该时点开始,公司按照长期的发展规划,面向5G时代的射频器件的需求,真正进入有源射频器件领域。
  
    本次合作除了SAW滤波器的生产与研发之外,双方还在GaN、SiC等射频器件原材料方面进行了深度合作;并同出资建设5G通信高频器件产业技术研究院,专门从事5G通信用高频器件的技术研究、工艺开发和批产验证,为双方在5G通信领域的发展奠定坚实的技术基础;此外,双方还共同开展射频MEMS器件的设计与加工,建设具有国际先进水平的、集研究制造与工程化为一体的、面向全国开放的国家级射频MEMS微系统工艺制造平台。
  
    信维通信已经在射频天线器件做到全球领先,射频技术实力突出,并具有国际化大客户平台,加上信维微电子在射频前端器件及模组领域的技术能力,我们认为,信维通信将充分利用自身的材料技术优势以及客户平台优势,有望在5G时代拓展高端射频器件,保持公司在射频器件领域的领先地位。

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