隨著無線(xian)通(tong)訊應(ying)用的(de)(de)發展，人(ren)們對(dui)于數據(ju)傳輸速度(du)的(de)(de)要(yao)求也(ye)越(yue)來越(yue)高(gao)。在2G時代，只有(you)一(yi)小部分人(ren)會使用手機(ji)上(shang)網(wang)(wang)(wang)(wang)下載(zai)鈴聲或瀏(liu)覽wap版網(wang)(wang)(wang)(wang)頁，需(xu)要(yao)的(de)(de)數據(ju)率(lv)大約(yue)在1KB／s。在3G時代，隨著智(zhi)能(neng)手機(ji)的(de)(de)普及，使用運營商網(wang)(wang)(wang)(wang)絡(luo)上(shang)網(wang)(wang)(wang)(wang)收(shou)發郵件(jian)，使用各(ge)種app等使得網(wang)(wang)(wang)(wang)絡(luo)流(liu)量劇增，需(xu)要(yao)的(de)(de)數據(ju)率(lv)大約(yue)是50KB／s。到了4G時代的(de)(de)今天，直播等應(ying)用更是將手機(ji)通(tong)訊的(de)(de)帶(dai)寬需(xu)求推向了一(yi)個新的(de)(de)高(gao)度(du)，需(xu)要(yao)的(de)(de)數據(ju)率(lv)達到了1MB／s。

與數(shu)(shu)據率上(shang)升(sheng)相對(dui)應的(de)(de)是(shi)頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)資源的(de)(de)高利用(yong)率以(yi)及通訊協議的(de)(de)復雜化。這(zhe)兩(liang)個問題是(shi)相輔相成：由于頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)資源有限(xian)，為了(le)滿足(zu)人(ren)們對(dui)數(shu)(shu)據率的(de)(de)需(xu)求(qiu)，必(bi)須(xu)充分利用(yong)頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)，因此一部手機必(bi)須(xu)能(neng)夠覆蓋很寬的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)帶范圍，這(zhe)樣在人(ren)群擁擠的(de)(de)情況下不同(tong)人(ren)的(de)(de)設(she)備才能(neng)夠分配到足(zu)夠的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)帶寬。同(tong)時(shi)，為了(le)滿足(zu)數(shu)(shu)據率的(de)(de)需(xu)求(qiu)，從4G開始還(huan)使(shi)(shi)用(yong)了(le)載波聚合技術，使(shi)(shi)得(de)一臺設(she)備可以(yi)同(tong)時(shi)利用(yong)不同(tong)的(de)(de)載波頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)傳輸(shu)數(shu)(shu)據。

另(ling)一方面(mian)，為了在(zai)有限的(de)帶(dai)寬內支持足夠的(de)數據傳輸(shu)率，通信協議變得越來越復(fu)雜(za)，因此對于射頻系統(tong)的(de)各種性能也提(ti)出了嚴格的(de)需求。

在射(she)頻(pin)前端模塊中，射(she)頻(pin)濾(lv)(lv)波器(qi)起著(zhu)至(zhi)關重要的(de)(de)作用。它(ta)可以(yi)將帶外干擾和(he)噪(zao)聲濾(lv)(lv)除以(yi)以(yi)滿足射(she)頻(pin)系統和(he)通訊協議對于(yu)信(xin)(xin)噪(zao)比的(de)(de)需(xu)(xu)(xu)求。如前所述，隨著(zhu)通信(xin)(xin)協議越(yue)來越(yue)復雜，對于(yu)通訊協議對于(yu)頻(pin)帶內外的(de)(de)需(xu)(xu)(xu)求也越(yue)來越(yue)高，這也使得濾(lv)(lv)波器(qi)的(de)(de)設計越(yue)來愈有(you)挑戰(zhan)性。另(ling)外，隨著(zhu)手(shou)機需(xu)(xu)(xu)要支持的(de)(de)頻(pin)帶數目(mu)不(bu)斷上(shang)升(sheng)，由于(yu)每一(yi)個(ge)頻(pin)帶有(you)需(xu)(xu)(xu)要有(you)自(zi)己的(de)(de)濾(lv)(lv)波器(qi)，因此一(yi)款手(shou)機中需(xu)(xu)(xu)要用到(dao)的(de)(de)濾(lv)(lv)波器(qi)數量也在不(bu)斷上(shang)升(sheng)。目(mu)前，一(yi)款4G手(shou)機中的(de)(de)需(xu)(xu)(xu)要用到(dao)的(de)(de)濾(lv)(lv)波器(qi)數量可達30余個(ge)。

隨(sui)著(zhu)射(she)(she)頻濾(lv)波(bo)器變得越來越重要，各大射(she)(she)頻前(qian)端廠商也在積極布(bu)局濾(lv)波(bo)器市場。在2014年，射(she)(she)頻前(qian)端巨頭RFMD和TriQuint合并成立Qorvo。Qorvo的(de)(de)高層James Klein在接(jie)受(shou)Compound Semiconductor采訪時坦承，RFMD與合并的(de)(de)重要原因是因為(wei)TriQuint的(de)(de)濾(lv)波(bo)器技術(shu)(shu)，而且(qie)兩家(jia)公(gong)司在合并后(hou)還在著(zhu)力發展濾(lv)波(bo)器技術(shu)(shu)。Klein指出，“公(gong)司合并后(hou)，GaAs生產(chan)(chan)線存(cun)在產(chan)(chan)能(neng)過剩的(de)(de)問題，我們將(jiang)逐漸減(jian)小產(chan)(chan)能(neng)以節省(sheng)開支。

然而，在濾波(bo)器(qi)領域，我(wo)們不僅不會(hui)減少產(chan)能(neng)反而會(hui)加大(da)投入。”與此同時，射(she)頻芯(xin)片龍(long)頭高(gao)通(tong)與日本濾波(bo)器(qi)大(da)廠(chang)TDK也(ye)于2016年年初(chu)成(cheng)立(li)合(he)資公司RF360，以布局射(she)頻濾波(bo)器(qi)市(shi)場(chang)。與之相應的(de)(de)是，各大(da)行業研(yan)究結構也(ye)看(kan)好射(she)頻濾波(bo)器(qi)市(shi)場(chang)未來的(de)(de)發展。Technavio在研(yan)究報告中(zhong)指(zhi)出，射(she)頻濾波(bo)器(qi)市(shi)場(chang)2016-2020的(de)(de)年復合(he)增長率可達15%，并且已經超越PA成(cheng)為整(zheng)個(ge)射(she)頻前端模(mo)塊市(shi)場(chang)中(zhong)最重要的(de)(de)組(zu)成(cheng)部分。

濾波器技術簡介

射頻(pin)濾波器(qi)最主(zhu)要(yao)的(de)(de)指標包括(kuo)品質因數Q和(he)插入損耗(hao)。在目前的(de)(de)通訊協議中，不(bu)同頻(pin)帶(dai)間的(de)(de)頻(pin)率差越來越小，因此需要(yao)非常好(hao)選擇性(xing)，讓通帶(dai)內的(de)(de)信(xin)號通過并阻擋通帶(dai)外(wai)的(de)(de)信(xin)號。Q越大，則濾波器(qi)可以實(shi)現越窄的(de)(de)通帶(dai)帶(dai)寬，也就是說(shuo)可以實(shi)現較好(hao)的(de)(de)選擇性(xing)。

除了品質因數Q之(zhi)外，插入損(sun)(sun)(sun)耗也是重要參數。插入損(sun)(sun)(sun)耗是指通帶信(xin)號(hao)被濾波(bo)器(qi)的衰(shuai)減(jian)，即信(xin)號(hao)功(gong)率損(sun)(sun)(sun)耗。插入損(sun)(sun)(sun)耗有1dB，則(ze)信(xin)號(hao)功(gong)率被衰(shuai)減(jian)20%；當(dang)插入損(sun)(sun)(sun)耗到達(da)3dB時，則(ze)信(xin)號(hao)功(gong)率被衰(shuai)減(jian)了50%！在4G時代，信(xin)號(hao)功(gong)率放大并不(bu)簡單(dan)，如果又有許多功(gong)率被浪費在濾波(bo)器(qi)上，則(ze)PA／LNA設計就(jiu)更難了。

目前(qian)射頻(pin)濾(lv)波器最(zui)主流的實現(xian)方式是SAW和BAW。SAW是聲(sheng)表面濾(lv)波器，利用壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應 。當(dang)對晶體(ti)施以電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，晶體(ti)將發(fa)生機(ji)械形變(bian)，將電(dian)(dian)(dian)能(neng)轉(zhuan)換為機(ji)械能(neng)。當(dang)這種(zhong)晶體(ti)被機(ji)械壓(ya)(ya)縮或展延時，機(ji)械能(neng)又轉(zhuan)換為電(dian)(dian)(dian)能(neng)。在(zai)晶體(ti)結構的兩面形成(cheng)電(dian)(dian)(dian)荷，使電(dian)(dian)(dian)流流過端(duan)子和/或形成(cheng)端(duan)子間的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。在(zai)固態材(cai)料(liao)中，交替的機(ji)械形變(bian)會產生3,000至12,000米/秒速度的聲(sheng)波。在(zai)聲(sheng)表面波濾(lv)波器內，聲(sheng)波在(zai)表面傳播并形成(cheng)駐波，其品(pin)質因數可達數千(qian)。

SAW濾波器

然而，SAW濾(lv)波器(qi)也有自(zi)己的(de)局限。SAW在(zai)1.5GHz以下(xia)使(shi)用非常合(he)適，但是在(zai)工(gong)作頻(pin)率(lv)超(chao)過1.5GHz時，SAW的(de)Q值開始下(xia)降，到2.5GHz時，SAW的(de)選擇性已經(jing)只能(neng)用在(zai)一些要(yao)求比較低的(de)場合(he)。然而，目前(qian)的(de)無線通訊協議已經(jing)早就工(gong)作大于(yu)2.5GHz的(de)頻(pin)段（例如(ru)4G TD-LTE的(de)Band 41）等，這時候SAW就不夠用了，必(bi)須(xu)使(shi)用體聲波（BAW）濾(lv)波器(qi)。

BAW濾波器

BAW濾波(bo)(bo)(bo)器(qi)不同于SAW濾波(bo)(bo)(bo)器(qi)，BAW濾波(bo)(bo)(bo)器(qi)內(nei)的(de)聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)垂直傳播，貼嵌于石(shi)英(ying)基(ji)板頂(ding)、底兩側(ce)的(de)金屬(shu)對聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)實(shi)施激勵，使聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)從頂(ding)部表(biao)面反彈至(zhi)底部，以(yi)形成駐聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)。在>2.5GHz的(de)頻段，BAW壓電層的(de)厚(hou)度必須在幾微(wei)米量級(ji)，因(yin)此，要(yao)在載(zai)體基(ji)板上采用(yong)薄(bo)膜沉積(ji)和微(wei)機械加工技術(shu)實(shi)現諧振器(qi)結構。

為了(le)把聲波的能(neng)量局限在(zai)濾波器(qi)體(ti)內，可以使用BAW-SMR技(ji)術(shu)(shu)或FBAR技(ji)術(shu)(shu)。BAW-SMR技(ji)術(shu)(shu)通過堆疊(die)不同材(cai)質的薄層形成一個反(fan)射器(qi)，而FBAR技(ji)術(shu)(shu)則在(zai)有冤屈下(xia)方蝕刻(ke)出空(kong)腔以實(shi)現(xian)懸浮膜。

BAW濾波器在高頻段可(ke)實(shi)現低插入損耗和高Q值(zhi)，成為高性能射頻系統的(de)首(shou)選。然而(er)，BAW濾波器的(de)成本目前還很高，這成為了限制BAW普及的(de)重(zhong)要因(yin)素。

濾波(bo)器的發(fa)展(zhan)展(zhan)望以及中國半導體(ti)業的機會

在(zai)(zai)未來(lai)，射(she)頻(pin)(pin)濾波器市場還將迎來(lai)更(geng)多增長。這是因為，隨著4G的(de)(de)(de)成熟和(he)5G的(de)(de)(de)來(lai)臨，手機支持的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)段數量正在(zai)(zai)上升。在(zai)(zai) 2012 年全球 3G 標(biao)準(zhun)協會 3GPP 提(ti)出的(de)(de)(de) LTE R11 版本中，蜂窩通訊系統需要支持的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)段增加到 41 個(ge)。

根(gen)據(ju)射頻器(qi)件巨頭 Skyworks 預測，到(dao) 2020 年， 5G 應用(yong)支持的(de)頻段數量(liang)(liang)將實(shi)現翻番，新(xin)增 50 個(ge)以上(shang)(shang)(shang)通信(xin)頻段，全球 2G/3G/4G/5G 網(wang)絡合(he)計支持的(de)頻段將達到(dao) 91 個(ge)以上(shang)(shang)(shang)。對于一個(ge)頻段而言，一般至(zhi)少需要兩個(ge)濾(lv)波器(qi)，因此手機(ji)頻段數上(shang)(shang)(shang)升的(de)直接結果就(jiu)是手機(ji)中使用(yong)的(de)射頻濾(lv)波器(qi)數量(liang)(liang)上(shang)(shang)(shang)升，而手機(ji)中濾(lv)波器(qi)的(de)成本也在日(ri)漸上(shang)(shang)(shang)升。

手機中濾波(bo)器成本（美元）演變

濾波器市場的(de)(de)前(qian)(qian)(qian)景可謂一片大(da)好，但是(shi)濾波器仍然是(shi)射(she)頻前(qian)(qian)(qian)端(duan)中最(zui)具挑戰性的(de)(de)模塊。目前(qian)(qian)(qian)，射(she)頻前(qian)(qian)(qian)端(duan)中大(da)部分器件(jian)的(de)(de)制(zhi)造工(gong)藝都在(zai)漸漸成熟，如PA使用(yong)的(de)(de)GaAs，LNA和射(she)頻開(kai)關使用(yong)的(de)(de)RF SoI等等，整個射(she)頻前(qian)(qian)(qian)端(duan)的(de)(de)集成度也在(zai)越(yue)來越(yue)高(gao)。

然而，濾(lv)波器(qi)的(de)(de)(de)設計和制(zhi)造(zao)仍然非常(chang)困難(nan)，成(cheng)為提高整(zheng)體射(she)(she)頻前(qian)端(duan)模(mo)(mo)塊集(ji)成(cheng)度的(de)(de)(de)短板。在未(wei)來(lai)，射(she)(she)頻前(qian)端(duan)的(de)(de)(de)高度集(ji)成(cheng)化(hua)(hua)是(shi)必然的(de)(de)(de)發展方(fang)向，高度集(ji)成(cheng)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)射(she)(she)頻前(qian)端(duan)模(mo)(mo)組可以(yi)實現更低的(de)(de)(de)成(cheng)本，更高的(de)(de)(de)性能(neng)(neng)，最關鍵的(de)(de)(de)是(shi)可以(yi)給系統集(ji)成(cheng)商提供(gong)turn-key方(fang)案。所以(yi)，誰在濾(lv)波器(qi)的(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)和集(ji)成(cheng)上發展最快，誰就能(neng)(neng)成(cheng)為射(she)(she)頻前(qian)端(duan)模(mo)(mo)塊市(shi)場的(de)(de)(de)主導者(zhe)。與之(zhi)相反，在濾(lv)波器(qi)領(ling)域技術落后(hou)的(de)(de)(de)公司將在整(zheng)個射(she)(she)頻前(qian)端(duan)市(shi)場的(de)(de)(de)競爭中漸(jian)漸(jian)落后(hou)。

目(mu)前(qian)， SAW 濾波器(qi)的主要供應(ying)商(shang)是(shi) TDK-EPCOS 及(ji) Murata，兩者(zhe)合計占有(you) 60-70%市(shi)場(chang)份額； BAW 濾波器(qi)的主要供應(ying)商(shang)是(shi) Avago 及(ji) Qorvo，兩者(zhe)占有(you) 90%以上(shang)市(shi)場(chang)份額。

對于中(zhong)國(guo)(guo)(guo)企業，在(zai)濾波(bo)器(qi)領域的技術積(ji)累仍(reng)顯(xian)薄弱，在(zai) saw 濾波(bo)器(qi)領域，國(guo)(guo)(guo)內主要(yao)廠商包括以中(zhong)電(dian)(dian) 26 所、中(zhong)電(dian)(dian)德清華瑩為代表(biao)的科研院所、無錫好達電(dian)(dian)子等廠商，科研院所的產品(pin)主要(yao)面(mian)向軍(jun)用通信終(zhong)端設備。而濾波(bo)器(qi)技術目前(qian)仍(reng)是公(gong)司甚至國(guo)(guo)(guo)家的核心技術。去年，天(tian)津(jin)大學教授張浩在(zai)美國(guo)(guo)(guo)被指控竊取(qu)FBAR BAW濾波(bo)器(qi)方面(mian)的商業機密而被美國(guo)(guo)(guo)方面(mian)控制，可見其重視程度。

對(dui)于中(zhong)國企業來說，在(zai)濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)(qi)行業必(bi)須踏踏實實進行技術積累。首先，中(zhong)國必(bi)須有SAW／BAW濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)(qi)的高質量加(jia)工(gong)(gong)廠。例如，對(dui)于SAW濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)(qi)來說，SAW濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)(qi)的工(gong)(gong)作頻(pin)率(lv)由電極條(tiao)寬度、壓電材料性質所決定，電極條(tiao)愈(yu)窄，頻(pin)率(lv)愈(yu)高。采用半(ban)導體(ti)0.2~0.35μm級的精細(xi)加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝，可制作出2~3GHz的 SAW濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)(qi)。

因此(ci)曝光(guang)設(she)備和光(guang)刻技(ji)(ji)術是(shi)制(zhi)作(zuo)高頻SAW濾(lv)(lv)波(bo)(bo)器的(de)(de)關鍵(jian)設(she)備。另(ling)外(wai)利(li)用傳播(bo)更快(kuai)的(de)(de)聲表面波(bo)(bo)波(bo)(bo)動模式(shi)或傳播(bo)速度更高的(de)(de)壓電材料是(shi)提高濾(lv)(lv)波(bo)(bo)器工作(zuo)頻率的(de)(de)另(ling)一個手(shou)段。中國半(ban)導體(ti)企(qi)業需(xu)要在(zai)加工和材料技(ji)(ji)術上有自己的(de)(de)技(ji)(ji)術儲備才能制(zhi)造(zao)出出色(se)的(de)(de)濾(lv)(lv)波(bo)(bo)器。

其次，中國必須(xu)有SAW／BAW濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)(she)計人才儲(chu)備。除了加工之外，如何設(she)(she)計SAW／BAW濾(lv)波(bo)器(qi)也(ye)是一個極其重要的因素。

目(mu)前中國(guo)SAW／BAW濾(lv)波(bo)(bo)器設計(ji)還有(you)不(bu)少(shao)難點尚待突破，例如(ru)如(ru)何解決SAW濾(lv)波(bo)(bo)器的(de)溫度漂移問題（即(ji)在如(ru)何讓SAW濾(lv)波(bo)(bo)器在不(bu)同溫度時的(de)頻率響應盡量不(bu)變）。SAW／BAW濾(lv)波(bo)(bo)器的(de)設計(ji)與制造工藝(yi)息息相(xiang)關，設計(ji)必須(xu)(xu)緊密(mi)結合制造工藝(yi)進(jin)行，設計(ji)者也必須(xu)(xu)對于制造工藝(yi)有(you)扎實的(de)理解。

在(zai)(zai)(zai)目前，濾波器設(she)計最好的(de)模式還(huan)(huan)是IDM，設(she)計和制造在(zai)(zai)(zai)同一(yi)家公司進行可以(yi)保(bao)證最優設(she)計結果，而Fabless 的(de)模式在(zai)(zai)(zai)濾波器技術發展尚不(bu)成熟的(de)今天還(huan)(huan)不(bu)是一(yi)個最好的(de)選擇。

最后(hou)，濾(lv)波器設計必須考慮集成。在未(wei)來(lai)，射頻前端集成化(hua)是(shi)必然的趨勢，一(yi)家只提供(gong)濾(lv)波器的廠商很難(nan)在市場上找(zhao)到位置，這(zhe)也(ye)是(shi)為什么之前RFMD和TriQuint合并的理(li)由之一(yi)。

一(yi)個(ge)理想的濾波器設計(ji)團隊最(zui)好是一(yi)個(ge)射頻(pin)前端公(gong)司的一(yi)個(ge)部(bu)門(men)，而非自成一(yi)家，這樣才能提供一(yi)體(ti)化的射頻(pin)前端模塊方案。為了提高集(ji)成度，中國半導體(ti)企業還必須大力發(fa)展封裝(zhuang)技術。

目(mu)前(qian)，Qorvo等國(guo)外的(de)射(she)(she)頻前(qian)端(duan)(duan)巨頭正在積極研(yan)發(fa)(fa)WLP等封裝技(ji)術以提高(gao)射(she)(she)頻前(qian)端(duan)(duan)的(de)集成(cheng)度(du)，中國(guo)半導體(ti)企業(ye)也應當利用近(jin)來國(guo)內封裝業(ye)的(de)勢頭大(da)力(li)發(fa)(fa)展用于射(she)(she)頻前(qian)端(duan)(duan)的(de)封裝技(ji)術。