半導(dǎo)體行業(yè)觀察 2271篇原創(chuàng)內(nèi)容 公眾號 最近濾波器很火,應(yīng)各方要求,,寫一篇濾波器的文章,,作為一個不是做濾波器的人來寫濾波器,誠惶誠恐,。寫作過程如有偏差,,歡迎批評指正,,及時學(xué)習(xí)修改,秉持客觀公正,,寫好濾波器一系列文章,。濾波器,顧名思義是濾波的器件,,濾波器是不是芯片,?文中將作解釋。常規(guī)來講,,濾波器劃為無源被動器件,。射頻濾波器是移動通信射頻前端的核心部件之一,在無線通信,、智能傳感,、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。射頻前端包括開關(guān)(switch),、低噪聲放大器(LNA),、功率放大器(PA)、濾波器(Filter),。不同于PA用于信號發(fā)射放大,,LNA用于信號接收放大,開關(guān)用來信號發(fā)射和接收切換,。濾波器不僅用于信號接收濾波,,也用于信號發(fā)射濾波,在射頻前端器件中占據(jù)最大的份額,,約50%,。國產(chǎn)射頻開關(guān)和LNA封神了,國產(chǎn)射頻PA站起來了,,但國產(chǎn)濾波器還處在襁褓之中,。從國產(chǎn)射頻開關(guān)和PA看到了成功和機會,對國產(chǎn)濾波器的未來就有了信心和期待,。國產(chǎn)濾波器要成功,,需要回答好一個問題:國產(chǎn)濾波器從哪里來,到哪里去,?國產(chǎn)濾波器從哪里來為了更好的理解濾波器,,首先帶大家了解國產(chǎn)濾波器從哪里來?國產(chǎn)濾波器主要來自:SAW濾波器,、BAW濾波器,、IPD濾波器、LTCC濾波器,。下面從三個方面來對國產(chǎn)濾波器進(jìn)行介紹:聲表面波濾波器(SAW Filter)是利用壓電陶瓷,、鉭酸鋰(LiTaO3)或鈮酸鋰(LiNbO3)、石英等壓電石英晶體振蕩器材料的壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性制成的一種換能式無源帶通濾波器,。當(dāng)壓電基材選定之后,,SAW濾波器的工作頻率則由IDT電極條寬度所決定,IDT電極條愈窄,,頻率愈高,。采用半導(dǎo)體0.35~0.42μm級的精細(xì)加工工藝,可制作出10M~2GHz的SAW濾波器,。在固態(tài)材料中,,交替的機械形變會產(chǎn)生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲濾波器內(nèi),,對聲波進(jìn)行導(dǎo)限以產(chǎn)生極高品質(zhì)因數(shù)(Q值可達(dá)數(shù)千)的駐波(standing waves),。這些高Q值的諧振是聲濾波器的頻率選擇性和低損耗特性的基礎(chǔ)。目前,,國產(chǎn)濾波器選擇鉭酸鋰(LiTaO3)或鈮酸鋰(LiNbO3)材料來做壓電基板,。SAW濾波器的主要性能參數(shù):中心頻率,、通帶寬度(帶寬),、通帶波紋、阻帶抑制,、矩形系數(shù),、群時延波動、插入損耗,。SAW濾波器有局限性,。高于約1GHz時,其選擇性降低,;在約2.5GHz,,其使用僅限于對性能要求不高的應(yīng)用。SAW器件易受溫度變化的影響,,一種替代方法是使用溫度補償(TC-SAW)濾波器。它是在IDT的結(jié)構(gòu)上另涂覆一層在溫度升高時剛度會加強的涂層,,但由于溫度補償工藝需要加倍的掩模層,,所以,TC-SAW濾波器更復(fù)雜,、制造成本也更高,,但仍比體聲波(BAW)濾波器便宜。SAW濾波器又分為RX SAW濾波器,、TX SAW濾波器,、SAW雙工器,、SAW四工器、TC-SAW濾波器等,。SAW所需基片材料價格較貴,對基片的定向,、切割,、研磨、拋光和制造工藝要求高,,對基片結(jié)晶工藝苛刻和制造精度要求嚴(yán),。SAW濾波器制作在晶圓上,可以低成本進(jìn)行批量生產(chǎn),。SAW技術(shù)還支持將用于不同頻段的濾波器和雙工器整合在單一芯片上,,且僅需很少或根本不需額外的工藝步驟。SAW濾波器主流是IDM模式,,也有少數(shù)廠家選擇代工模式,。體聲波濾波器(BAW Filter)結(jié)構(gòu)有SMR(Solidly Mounted Resonator)和FBAR (membrane type和airgap type),。相比SAW filter, 聲波在BAW filter物體內(nèi)傳播(縱波或橫波),。Membrane Type是從襯底后面刻蝕到表面(也就是bottom electrode面),形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity),。Airgap type在制作壓電層之前沉積一個輔助層(sacrificial support layer),,最后再把輔助層去掉,在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成air gap,。Qorvo做的是SMR結(jié)構(gòu)的BAW,,博通做的是FBAR結(jié)構(gòu)的BAW,因此FBAR只是BAW的一種,。BAW是工藝和技術(shù),,不是產(chǎn)品。BAW濾波器才是產(chǎn)品,。BAW filter更適合于2.5GHz以上的頻率,,BAW filter的制造工藝也非常符合現(xiàn)有的IC制造工藝,適合和其他的有源電路做整體的工藝集成,。在BAW濾波器大顯身手的高頻,,其壓電層的厚度必須在幾微米量級,因此,,要在載體基板上采用薄膜沉積和微機械加工技術(shù)實現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu),。BAW的生產(chǎn)工藝跟MEMS工藝很相似,F(xiàn)abless模式比做SAW濾波器更可行。BAW濾波器相對SAW濾波器來說性能更好一些,,Q值高,相位噪聲,、體積小等,。此外,即便在高寬帶設(shè)計中,,BAW對溫度變化也不那么敏感,,同時它還具有極低的損耗和非常陡峭的濾波器裙邊(filter skirt)。而且,,兩種類型BAW濾波器的聲能密度都很高,、其結(jié)構(gòu)都能很好地導(dǎo)限聲波,它們的損耗都非常低,。在微波頻率,,BAW可實現(xiàn)的Q值、在可比體積下,、比任何其它類型的濾波器都高,,可達(dá)2500@2GHz。這使得它有極好的抑制和插入損耗性能,。所以,,頻率較高時,如3GHz時,,一般采用BAW濾波器,,而當(dāng)頻率在1900MHz以下時,通常采用SAW濾波器就能夠滿足要求,。BAW濾波器分為RX/TX BAW濾波器,、BAW雙工器、BAW四工器,。雖然BAW濾波器相對SAW濾波器來說性能更好,但加工起來更難,,屬于超精細(xì)加工,。BAW濾波器所需的制造工藝步驟是SAW濾波器的好幾倍,SAW濾波器一般是4英寸或6英寸晶圓,,但BAW濾波器主流是8英寸晶圓,,每片晶圓產(chǎn)出的BAW濾波器也多了約4倍。即便如此,,BAW濾波器的成本仍高于SAW濾波器。可以看出,,相比SAW濾波器建產(chǎn)線,,BAW濾波器投入要大很多,,國內(nèi)做BAW濾波器,F(xiàn)abless模式是更好的選擇,。IPD全稱為Integrated Passive Devices,是半導(dǎo)體無源器件技術(shù),,可以用來制作LC濾波電路,,所制成的濾波器稱為IPD濾波器一種集成LC低通濾波器制作工藝為通過光刻、金屬沉積,、干法刻蝕,、高溫氧化將電感和電容刻蝕在硅基板上,電感和電容之間通過引線孔光刻方式實現(xiàn)連接,;利用通孔和PCB載板接合封裝,。另外還可以利用基于高電阻硅平臺的工藝實現(xiàn)高Q值集成無源器件(IPD)。IPD的帶外抑制性能上不能跟SAW和BAW濾波器相比,,可以用在對帶外抑制陡峭程度不高的場景,比如3GHz以上頻段,。基于不同的工藝平臺,成本也不一樣,;由于制作工藝基于半導(dǎo)體工藝,,需要制作光罩來生產(chǎn),所以在量較少的情況下成本較高,,在大規(guī)模批量生產(chǎn)時成本會明顯降低,。IPD濾波器不會有IDM模式,更多采用Fabless制作,,或者作為IPD技術(shù)集成在其他芯片電路中,。LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)即低溫共燒結(jié)陶瓷,,是1982年由美國休斯公司開發(fā)出的新型材料技術(shù),。LTCC是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶,在生瓷帶上利用激光打孔,、微孔注漿,、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形,并將多個無源器件嵌入其中進(jìn)行疊壓,,最后在1000℃以下進(jìn)行燒結(jié),,從而形成LTCC無源器件。LTCC制成的濾波器包括帶通,、高通和低通濾波器三種,。頻率則從數(shù)10MHz直到5.8GHz。LTCC濾波器過渡帶可以做的很大,,帶內(nèi)插損小,,但與IPD濾波器相同,同樣無法做到帶外陡峭抑制,。成本是前面介紹的濾波器中最低的,都是IDM模式,。因為工藝相近,,主要是做電容的被動器件公司在做LTCC,加之LTCC工藝跟半導(dǎo)體工藝沒有什么關(guān)系,,沒有代工模式一說,。國產(chǎn)濾波器到哪里去世間萬物,蕓蕓眾生,,不同來處,,各自去處。把濾波器混為一談,,很難理解和理清國產(chǎn)濾波器到底要何去何從,。這幾種濾波器在工藝、生產(chǎn)設(shè)備,、技術(shù)和成本上差異較大,,無法殊途同歸。因此,,不同工藝的濾波器就決定了各自的應(yīng)用和市場定位,。隨著5G的到來,射頻前端產(chǎn)業(yè)最大的受益者將是濾波器,。濾波器產(chǎn)值占比從3G終端的33%提升到全網(wǎng)通LTE終端的54%,,預(yù)計到2023年將提升至66%;SAW濾波器在4G和5G時代都會是最主要的濾波器,。目前70%-80%的市場是SAW濾波器,,20%-30%的市場是BAW濾波器和LTCC/IPD濾波器;5G疊加更多頻段,,濾波器數(shù)量和高端化需求更高,。5G時代,濾波器不僅數(shù)量大幅增加,,而且會進(jìn)一步集成化和小型化,。下面介紹不同工藝濾波器的應(yīng)用和市場機會,,濾波器主要應(yīng)用于無線通訊領(lǐng)域,包括智能手機,、路由器,、通信基站、物聯(lián)網(wǎng)無線終端等,。在這些應(yīng)用中,預(yù)估70%以上的濾波器應(yīng)用在智能手機市場,。無線路由器的量不小,,但需要用到濾波器的產(chǎn)品不多;通信基站必須采用濾波器,,但需求量不大,;近距離物聯(lián)網(wǎng)無線終端市場碎片化,雖然總體量很大,,但單個產(chǎn)品上可能不用濾波器,,主芯片上集成了LC濾波電路;蜂窩物聯(lián)網(wǎng)市場所用濾波器與手機市場方案基本相同,。隨著智能手機支持的頻段數(shù)目不斷上升,,每一個頻段需要自己的濾波器,因此濾波器的需求數(shù)量也在不斷上升,。4G智能手機中需要用到的濾波器數(shù)量可達(dá)30余個,。而到了 5G 時代,手機需要支持的頻段甚至?xí)_(dá)到 91個以上,,由于一個頻段通常需要兩個濾波器,,所以單部智能手機的濾波器使用量將超過百個。在5G手機中,,SAW濾波器,、BAW濾波器、LTCC濾波器的機會都在增多,,但大部分的份額還是屬于SAW濾波器,。SAW濾波器由于成本適中,性能較好,,應(yīng)用廣泛,,成為濾波器的主體。SAW濾波器只能做帶通濾波器,,而且是窄帶濾波器,。RX SAW濾波器幾乎適用于智能手機的所有接收頻段,TX SAW濾波器一般用于的頻段有n41,、B41,、B40,、B1、B5,、B7,、B8、B39,、B28,。TC-SAW濾波器用于頻段B2、B3,、B28,、B8。IHP-SAW濾波器是村田的高端特有工藝,,由于手機旗艦機對濾波要求高,,用來跟BAW濾波器來爭搶市場,應(yīng)用于頻段n41,、B40,、B41以及WiFi。BAW濾波器也是跟SAW一樣,,是窄帶帶通濾波器,,一般應(yīng)用于高頻段。BAW濾波器成本高,,但性能好,,用于手機旗艦機的n41、B40,、B3以及WiFi頻段,。也很好地滿足了5G頻段n42、n52的需求,。隨著手機開放4.9GHz頻段,,為了防止5.8G WiFi頻段的信號干擾,也會采用BAW濾波器技術(shù),。因其IPD技術(shù)和生產(chǎn)工藝本身的原因,,IPD濾波器作為分立器件的存在的市場空間很小,更多是集成在芯片上,。在市場上,,也有公司利用IPD技術(shù)做合路器、分頻器,、帶通濾波器等,,但不會成為主流應(yīng)用。LTCC濾波器可以做低通濾波器,、高通濾波器,、也可以作為帶通濾波器,。由于LTCC濾波器沒有陡峭的濾波器裙邊(filter skirt),所以作為帶通濾波器只能應(yīng)用于比較獨立的頻段,,或者跟其他頻段相隔比較遠(yuǎn),。LTCC濾波器主要應(yīng)用于手機、Cat.1,、NB-IoT,、5G基站和等消費類電子。因為寬頻,,n77/78/79頻段只能采用LTCC濾波器,。5.8G WiFi帶寬比較寬,一般采用LTCC濾波器,,以后WiFi6 E,更只能采用LTCC濾波器,。國產(chǎn)濾波器發(fā)展的幾點思考了解了濾波器從哪里來,,應(yīng)該到哪里去,國產(chǎn)濾波器的發(fā)展就有了方向和目標(biāo),。SAW和BAW濾波器涉及到聲學(xué),、電磁材料、半導(dǎo)體工藝,,又緊密關(guān)聯(lián)到EDA,、設(shè)計和封裝。做濾波器是一個完整的系統(tǒng)工程,,這個系統(tǒng)工程又不是一個標(biāo)準(zhǔn)化流程,,更多的是定制化。由于個人對國產(chǎn)濾波器的盡調(diào)和認(rèn)知有一定的局限性,,下面觀點不一定客觀正確,,就當(dāng)一家之言,僅供參考,。1,、市場錯位競爭是國產(chǎn)濾波器的過渡階段市場有一種說法:BAW濾波器搶SAW濾波器的市場。除了IHP-SAW濾波器在未來跟BAW濾波器會有一些競爭,,理論上來講,,不同工藝的濾波器是不會有競爭的。從成本上來看,,BAW工藝是最貴的,,SAW其次,LTCC最便宜,。不管如何,,市場錯位競爭只是國產(chǎn)濾波器的過渡階段,,國產(chǎn)濾波器的發(fā)展需要這個階段。產(chǎn)品要驗證,,EDA要成熟,,工藝要摸索和完善,技術(shù)要升級,,必須通過產(chǎn)品在市場上跑起來,,國產(chǎn)濾波器整個系統(tǒng)工程才能運轉(zhuǎn)起來和不斷優(yōu)化。市場也有一個認(rèn)識和接受國產(chǎn)濾波器的過程,,不能一開始就追求高性能,,上高端產(chǎn)品。更不能認(rèn)為Q值高就是高端濾波器,,Q值對實際濾波效果影響倒不大,,濾波器中的Q表示品質(zhì)因數(shù),定義Q=中心頻率÷濾波器帶寬,。對于濾波器,,Q值越高,意味著帶寬越窄,;Q值越高,,其頻率響應(yīng)的波形就顯得越尖銳。2,、國產(chǎn)濾波器因工藝而選擇不同運營模式選擇LTCC工藝來做濾波器,,那就只有IDM模式。選擇SAW工藝來做濾波器,,有IDM模式和fabless模式,,全球能做SAW濾波器代工的企業(yè)很少,聽到比較多是Wavetek,、WIN,、NJRC。但產(chǎn)能有限,,工藝適應(yīng)難度大,。濾波器的設(shè)計需要緊密配合材料和工藝,加上EDA需要跟工藝的PDK匹配起來,,而濾波器沒有通用好使的EDA軟件,,需要濾波器企業(yè)自己開發(fā)適合自己工藝的EDA軟件。所以對SAW濾波器,,建自己的生產(chǎn)線是更好選擇,。國內(nèi)SAW濾波器一般是4英寸線,據(jù)說40KKpcs/M產(chǎn)能,,需要投資2億元,,這是國內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司可以承受的,。另外,目前國內(nèi)SAW濾波器設(shè)計能力還比較低,,產(chǎn)品都處于低端,,這一塊的價格又殺的很厲害。沒有自己的生產(chǎn)線,,成本上很難有競爭力,。而對于BAW濾波器就不一樣了,前面介紹過,,BAW工藝比SAW工藝復(fù)雜很多,,采用的MEMS制造工藝也非常符合現(xiàn)有的IC制造工藝。如果建設(shè)8英寸的MEMS工藝制造線,,那資金投入將比SAW工藝高多了(SAW最大6英寸),。BAW的研發(fā)周期會比SAW更長,要規(guī)避的國外專利也更多,,技術(shù)上需要很長時間去積累和突破,。作為一個創(chuàng)業(yè)公司來說,沒有能力去維護(hù)一個工廠的運營,。所以,更理性地來看,,國內(nèi)的BAW濾波器企業(yè)都集中到晶圓代工廠去調(diào)試工藝和產(chǎn)線,,幫助晶圓廠工藝成熟,最后把EDA軟件也一起完善成熟,,最后比拼的就是各自濾波器企業(yè)的設(shè)計能力,。3、對國產(chǎn)濾波器產(chǎn)業(yè)堅守長期主義價值觀在射頻前端里,,最難做的就是濾波器,。濾波器比PA難,PA比LNA難,,LNA比開關(guān)難,。PA難在設(shè)計上的不確定,需要根據(jù)每次的流片測試結(jié)果來修改電路和不斷調(diào)試,。濾波器不僅在設(shè)計上不確定,,在工藝上也不確定,不是設(shè)計上有多難,,是不確定的地方太多,,需要反復(fù)的摸索和修正。這就導(dǎo)致每設(shè)計一款濾波器產(chǎn)品需要很長的時間,,如果考慮到創(chuàng)新,,繞過國外的專利版權(quán),,那時間就更長了。所以,,要把國產(chǎn)濾波器做起來,,必須要堅守長期主義價值觀。結(jié)語國產(chǎn)濾波器要做好,,需要更多優(yōu)秀的專業(yè)人才參與其中,。從EDA軟件開發(fā),到濾波器設(shè)計,,再到材料和工藝的研發(fā),,每一步都需要踏踏實實走下來。歡迎有志之士一起加入,,改寫國產(chǎn)濾波器的未來,。前途是光明的,道路是曲折的,。戒急戒躁,,砥礪前行!
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