滤波器:亟待突破的射频高地

时间:2020-07-08 14:55来源:毕晓东

摘要:手机通信模块主要由天线、射频前端、射频收发、基带构成,其中射频前端是指介于天线与射频收发之间的通信元件,主要包括:滤波器、低噪声放大器LNA(LowNoiseAmplifier)、功率放大器PA(PowerAmplifier)、开关、天线调谐。

近日,来自美国司法部的一则消息又一次引起业内人士的关注:天津大学教授张浩窃取Skyworks、Avago的半导体商业机密,联邦法院判决三项重罪罪名成立,包括最高徒刑15年的经济间谍罪,最高徒刑10年的商业机密盗窃罪,以及每项罪名最高25万美元的罚款,预计8月31日宣判。

这其中所提到的“半导体商业机密”是指一项MEMS技术——FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 薄膜腔声谐振滤波器,是手机射频部分的重要器件。
 

手机通信模块主要由天线、射频前端、射频收发、基带构成,其中射频前端是指介于天线与射频收发之间的通信元件,主要包括:滤波器、低噪声放大器LNA(Low Noise Amplifier)、功率放大器PA(Power Amplifier)、开关、天线调谐。
 

其中滤波器部分目前的主流是声滤波器,主要包括SAW(Surface Acoustic Wave,声表面波)滤波器、BAW(Bulk Acoustic Wave,体声波)滤波器。BAW从结构上主要有BAW—SMR和FBAR两种。
 

5G的快速推进对于终端的射频部分也带了巨大的发展机遇,其中滤波器被视为射频前端领域市场前景最大、也是综合挑战最高的细分品类。5G通信需要支持更多的天线、更多的频段、更复杂的组网方式,因此对射频前端中滤波器的需求量也将会急剧增加。从4G到5G,手机中滤波器的单颗用量从约40颗增加到近百颗。据市场咨询机构Yole预测,2022年射频前端市场全球需求量将会达到220亿美金的规模;其中射频BAW/ FBAR滤波器由于其杂波滤除特性、信号损耗及功率容量方面的优良性能,需求量的增长尤为强劲,预计将会达到120亿美金的全球市场规模。
 

目前手机射频前端滤波器还是以SAW占主流,但从原理上来说,SAW更适于2~2.5GHz以下的应用场景。但随着5G带来的向更高频段的演进,SAW技术在频率上限方面的不足将愈发体现。目前的sub-6以及未来的毫米波等更高频段,都为BAW/FBAR催生更广阔的空间。
 

FBAR的概念早在20世纪60年代就被提出以拓展石英晶振在高频段的应用,但由于当时微细加工工艺的制约,这一想法并未得到足够的重视。随着微细加工技术的发展,Lakin和Wang于1980年首次在硅晶片上制成了基波频率为435MHz的薄膜体声波谐振器。Krishnaswamy和Rosenbaum等人于1990年首次将薄膜体声波谐振器结构的滤波器扩展到吉赫兹频段,安捷伦公司在1999年成功研发出了应用于美国 PCS1900MHz的薄膜体声波谐振器双工器,并于2001年大规模量产。在2005年,KKR和Silver Lake收购安捷伦半导体业务,成立Avago(安华高),在2008年,Avago又收购了位于慕尼黑的英飞凌BWA(Bulk Wave Acoustic)业务。2016年,Avago收购Broadcom(博通),并更名为Broadcom。
 

在BAW/FBAR领域,Avago和Qorvo两家美国厂商占据着市场约90%的份额。
 

与SAW相比,BAW/FBAR具有更好的杂波滤除特性、更低的信号损耗、更大的Q值,但也存在成本高、一致性难保证的量产挑战,后进入的厂商将面对很高的技术门槛和专利壁垒。
 

与美、日厂商相比,我国本土厂商在高性能BAW/FBAR滤波器领域虽然起步较晚、实力相对薄弱,但近年也取得可喜进展。涉足BAW/FBAR滤波器领域的有天津诺思微系统、CETC26所、CETC55所、麦捷科技、信维通信、开元通信、德清华莹、晶讯聚震等。
 

天津诺思微系统是国内FBAR滤波器国产化过程中不容忽视的一员,建有亚洲首座具有完全知识产权(IP)的FBAR晶圆厂,主要从事无线设备射频前端MEMS滤波芯片、模块、应用方案的设计、研发、生产和销售。而去年底发布的5G新频段FBAR滤波器,已向客户提供测试使用。
 

2019年8月7日,开元通信技术(厦门)有限公司(以下简称“开元通信”)在深圳宣布推出体声波滤波器品牌“矽力豹”,以及国产首颗应用在5G n41频段的高性能BAW滤波器产品EP70N41。这是国内芯片厂商在5G BAW滤波器的首次突破。开元通信与国内领先的MEMS代工厂进行了深度战略合作,于2018年10月建成了本土唯一的8英寸 BAW量产线。目前开元通信首批客户已完成测试,反响良好。
 

BAW/FBAR滤波器在5G时代具备较强的市场潜力,但国产厂商的力量依然薄弱,不少厂商还处于研发阶段。国产厂商想要在5G中高端滤波器市场实现突破,完全替代国外产品,任重而道远。

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