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射頻前端兵家必爭(zhēng)之地：濾波器
隨著移動(dòng)設(shè)備功能越來越強(qiáng)大，支持的網(wǎng)絡(luò)頻段越來越多，射頻前端模塊成了移動(dòng)設(shè)備中不可缺少的一部分。舉例來說，一款較新的手機(jī)至少需要支持2G，3G，4G以及WiFi，GPS等網(wǎng)絡(luò)制式，而每一個(gè)制式都需要自己的射頻前端模塊。射頻前端模塊一般包括天線開關(guān)，多路器，濾波器，功率放大器與低噪聲放大器等等。這些器件目前仍無法用集成度最高的CMOS工藝制造，而必須使用特殊工藝以保證性能。
根據(jù)Mobile Expert LLC的研究報(bào)告，2016年在智能手機(jī)增長(zhǎng)萎靡（9%）的情況下，射頻前端模塊的增長(zhǎng)率仍達(dá)到了17%。而在射頻前端模塊中，未來發(fā)展最快的，也最關(guān)鍵的模塊就是射頻濾波器模塊。
濾波器到底有多重要
隨著無線通訊應(yīng)用的發(fā)展，人們對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也越來越高。在2G時(shí)代，只有一小部分人會(huì)使用手機(jī)上網(wǎng)下載鈴聲或?yàn)g覽wap版網(wǎng)頁，需要的數(shù)據(jù)率大約在1KB／s。在3G時(shí)代，隨著智能手機(jī)的普及，使用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)收發(fā)郵件，使用各種app等使得網(wǎng)絡(luò)流量劇增，需要的數(shù)據(jù)率大約是50KB／s。到了4G時(shí)代的今天，直播等應(yīng)用更是將手機(jī)通訊的帶寬需求推向了一個(gè)新的高度，需要的數(shù)據(jù)率達(dá)到了1MB／s。
與數(shù)據(jù)率上升相對(duì)應(yīng)的是頻譜資源的高利用率以及通訊協(xié)議的復(fù)雜化。這兩個(gè)問題是相輔相成：由于頻譜資源有限，為了滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)率的需求，必須充分利用頻譜，因此一部手機(jī)必須能夠覆蓋很寬的頻帶范圍，這樣在人群擁擠的情況下不同人的設(shè)備才能夠分配到足夠的頻譜帶寬。同時(shí)，為了滿足數(shù)據(jù)率的需求，從4G開始還使用了載波聚合技術(shù)，使得一臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)利用不同的載波頻譜傳輸數(shù)據(jù)。
另一方面，為了在有限的帶寬內(nèi)支持足夠的數(shù)據(jù)傳輸率，通信協(xié)議變得越來越復(fù)雜，因此對(duì)于射頻系統(tǒng)的各種性能也提出了嚴(yán)格的需求。
在射頻前端模塊中，射頻濾波器起著至關(guān)重要的作用。它可以將帶外干擾和噪聲濾除以以滿足射頻系統(tǒng)和通訊協(xié)議對(duì)于信噪比的需求。如前所述，隨著通信協(xié)議越來越復(fù)雜，對(duì)于通訊協(xié)議對(duì)于頻帶內(nèi)外的需求也越來越高，這也使得濾波器的設(shè)計(jì)越來愈有挑戰(zhàn)性。另外，隨著手機(jī)需要支持的頻帶數(shù)目不斷上升，由于每一個(gè)頻帶有需要有自己的濾波器，因此一款手機(jī)中需要用到的濾波器數(shù)量也在不斷上升。目前，一款4G手機(jī)中的需要用到的濾波器數(shù)量可達(dá)30余個(gè)。
隨著射頻濾波器變得越來越重要，各大射頻前端廠商也在積極布局濾波器市場(chǎng)。在2014年，射頻前端巨頭RFMD和TriQuint合并成立Qorvo。Qorvo的高層James Klein在接受Compound Semiconductor采訪時(shí)坦承，RFMD與合并的重要原因是因?yàn)門riQuint的濾波器技術(shù)，而且兩家公司在合并后還在著力發(fā)展濾波器技術(shù)。Klein指出，“公司合并后，GaAs生產(chǎn)線存在產(chǎn)能過剩的問題，我們將逐漸減小產(chǎn)能以節(jié)省開支。
然而，在濾波器領(lǐng)域，我們不僅不會(huì)減少產(chǎn)能反而會(huì)加大投入。”與此同時(shí)，射頻芯片龍頭高通與日本濾波器大廠TDK也于2016年年初成立合資公司RF360，以布局射頻濾波器市場(chǎng)。與之相應(yīng)的是，各大行業(yè)研究結(jié)構(gòu)也看好射頻濾波器市場(chǎng)未來的發(fā)展。Technavio在研究報(bào)告中指出，射頻濾波器市場(chǎng)2016-2020的年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)15%，并且已經(jīng)超越PA成為整個(gè)射頻前端模塊市場(chǎng)中最重要的組成部分。
濾波器技術(shù)簡(jiǎn)介
射頻濾波器最主要的指標(biāo)包括品質(zhì)因數(shù)Q和插入損耗。在目前的通訊協(xié)議中，不同頻帶間的頻率差越來越小，因此需要非常好選擇性，讓通帶內(nèi)的信號(hào)通過并阻擋通帶外的信號(hào)。Q越大，則濾波器可以實(shí)現(xiàn)越窄的通帶帶寬，也就是說可以實(shí)現(xiàn)較好的選擇性。
除了品質(zhì)因數(shù)Q之外，插入損耗也是重要參數(shù)。插入損耗是指通帶信號(hào)被濾波器的衰減，即信號(hào)功率損耗。插入損耗有1dB，則信號(hào)功率被衰減20%；當(dāng)插入損耗到達(dá)3dB時(shí)，則信號(hào)功率被衰減了50%！在4G時(shí)代，信號(hào)功率放大并不簡(jiǎn)單，如果又有許多功率被浪費(fèi)在濾波器上，則PA／LNA設(shè)計(jì)就更難了。
目前射頻濾波器最主流的實(shí)現(xiàn)方式是SAW和BAW。SAW是聲表面濾波器，利用壓電效應(yīng) 。當(dāng)對(duì)晶體施以電壓，晶體將發(fā)生機(jī)械形變，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)這種晶體被機(jī)械壓縮或展延時(shí)，機(jī)械能又轉(zhuǎn)換為電能。在晶體結(jié)構(gòu)的兩面形成電荷，使電流流過端子和/或形成端子間的電壓。在固態(tài)材料中，交替的機(jī)械形變會(huì)產(chǎn)生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲表面波濾波器內(nèi)，聲波在表面?zhèn)鞑ゲ⑿纬神v波，其品質(zhì)因數(shù)可達(dá)數(shù)千。
SAW濾波器
然而，SAW濾波器也有自己的局限。SAW在1.5GHz以下使用非常合適，但是在工作頻率超過1.5GHz時(shí)，SAW的Q值開始下降，到2.5GHz時(shí)，SAW的選擇性已經(jīng)只能用在一些要求比較低的場(chǎng)合。然而，目前的無線通訊協(xié)議已經(jīng)早就工作大于2.5GHz的頻段（例如4G TD-LTE的Band 41）等，這時(shí)候SAW就不夠用了，必須使用體聲波（BAW）濾波器。
BAW濾波器不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬對(duì)聲波實(shí)施激勵(lì)，使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波。在>2.5GHz的頻段，BAW壓電層的厚度必須在幾微米量級(jí)，因此，要在載體基板上采用薄膜沉積和微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu)。
為了把聲波的能量局限在濾波器體內(nèi)，可以使用BAW-SMR技術(shù)或FBAR技術(shù)。BAW-SMR技術(shù)通過堆疊不同材質(zhì)的薄層形成一個(gè)反射器，而FBAR技術(shù)則在有冤屈下方蝕刻出空腔以實(shí)現(xiàn)懸浮膜。
BAW濾波器
BAW濾波器在高頻段可實(shí)現(xiàn)低插入損耗和高Q值，成為高性能射頻系統(tǒng)的首選。然而，BAW濾波器的成本目前還很高，這成為了限制BAW普及的重要因素。
濾波器的發(fā)展展望以及中國(guó)半導(dǎo)體業(yè)的機(jī)會(huì)
在未來，射頻濾波器市場(chǎng)還將迎來更多增長(zhǎng)。這是因?yàn)?，隨著4G的成熟和5G的來臨，手機(jī)支持的頻段數(shù)量正在上升。在 2012 年全球 3G 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) 3GPP 提出的 LTE R11 版本中，蜂窩通訊系統(tǒng)需要支持的頻段增加到 41 個(gè)。
根據(jù)射頻器件巨頭 Skyworks 預(yù)測(cè)，到 2020 年， 5G 應(yīng)用支持的頻段數(shù)量將實(shí)現(xiàn)翻番，新增 50 個(gè)以上通信頻段，全球 2G/3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)合計(jì)支持的頻段將達(dá)到 91 個(gè)以上。對(duì)于一個(gè)頻段而言，一般至少需要兩個(gè)濾波器，因此手機(jī)頻段數(shù)上升的直接結(jié)果就是手機(jī)中使用的射頻濾波器數(shù)量上升，而手機(jī)中濾波器的成本也在日漸上升。
無線頻段數(shù)量的演變（ 1999 年-2012 年）
手機(jī)中濾波器成本（美元）演變
濾波器市場(chǎng)的前景可謂一片大好，但是濾波器仍然是射頻前端中最具挑戰(zhàn)性的模塊。目前，射頻前端中大部分器件的制造工藝都在漸漸成熟，如PA使用的GaAs，LNA和射頻開關(guān)使用的RF SoI等等，整個(gè)射頻前端的集成度也在越來越高。
然而，濾波器的設(shè)計(jì)和制造仍然非常困難，成為提高整體射頻前端模塊集成度的短板。在未來，射頻前端的高度集成化是必然的發(fā)展方向，高度集成化的射頻前端模組可以實(shí)現(xiàn)更低的成本，更高的性能，最關(guān)鍵的是可以給系統(tǒng)集成商提供turn-key方案。所以，誰在濾波器的制造和集成上發(fā)展最快，誰就能成為射頻前端模塊市場(chǎng)的主導(dǎo)者。與之相反，在濾波器領(lǐng)域技術(shù)落后的公司將在整個(gè)射頻前端市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中漸漸落后。
目前， SAW 濾波器的主要供應(yīng)商是 TDK-EPCOS 及 Murata，兩者合計(jì)占有 60-70%市場(chǎng)份額； BAW 濾波器的主要供應(yīng)商是 Avago 及 Qorvo，兩者占有 90%以上市場(chǎng)份額。
對(duì)于中國(guó)企業(yè)，在濾波器領(lǐng)域的技術(shù)積累仍顯薄弱，在 saw 濾波器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)主要廠商包括以中電 26 所、中電德清華瑩為代表的科研院所、無錫好達(dá)電子等廠商，科研院所的產(chǎn)品主要面向軍用通信終端設(shè)備。而濾波器技術(shù)目前仍是公司甚至國(guó)家的核心技術(shù)。去年，天津大學(xué)教授張浩在美國(guó)被指控竊取FBAR BAW濾波器方面的商業(yè)機(jī)密而被美國(guó)方面控制，可見其重視程度。
對(duì)于中國(guó)企業(yè)來說，在濾波器行業(yè)必須踏踏實(shí)實(shí)進(jìn)行技術(shù)積累。首先，中國(guó)必須有SAW／BAW濾波器的高質(zhì)量加工廠。例如，對(duì)于SAW濾波器來說，SAW濾波器的工作頻率由電極條寬度、壓電材料性質(zhì)所決定，電極條愈窄，頻率愈高。采用半導(dǎo)體0.2~0.35μm級(jí)的精細(xì)加工工藝，可制作出2~3GHz的 SAW濾波器。
因此曝光設(shè)備和光刻技術(shù)是制作高頻SAW濾波器的關(guān)鍵設(shè)備。另外利用傳播更快的聲表面波波動(dòng)模式或傳播速度更高的壓電材料是提高濾波器工作頻率的另一個(gè)手段。中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)需要在加工和材料技術(shù)上有自己的技術(shù)儲(chǔ)備才能制造出出色的濾波器。
其次，中國(guó)必須有SAW／BAW濾波器設(shè)計(jì)人才儲(chǔ)備。除了加工之外，如何設(shè)計(jì)SAW／BAW濾波器也是一個(gè)極其重要的因素。
目前中國(guó)SAW／BAW濾波器設(shè)計(jì)還有不少難點(diǎn)尚待突破，例如如何解決SAW濾波器的溫度漂移問題（即在如何讓SAW濾波器在不同溫度時(shí)的頻率響應(yīng)盡量不變）。SAW／BAW濾波器的設(shè)計(jì)與制造工藝息息相關(guān)，設(shè)計(jì)必須緊密結(jié)合制造工藝進(jìn)行，設(shè)計(jì)者也必須對(duì)于制造工藝有扎實(shí)的理解。
在目前，濾波器設(shè)計(jì)最好的模式還是IDM，設(shè)計(jì)和制造在同一家公司進(jìn)行可以保證最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，而Fabless 的模式在濾波器技術(shù)發(fā)展尚不成熟的今天還不是一個(gè)最好的選擇。
最后，濾波器設(shè)計(jì)必須考慮集成。在未來，射頻前端集成化是必然的趨勢(shì)，一家只提供濾波器的廠商很難在市場(chǎng)上找到位置，這也是為什么之前RFMD和TriQuint合并的理由之一。
一個(gè)理想的濾波器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最好是一個(gè)射頻前端公司的一個(gè)部門，而非自成一家，這樣才能提供一體化的射頻前端模塊方案。為了提高集成度，中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)還必須大力發(fā)展封裝技術(shù)。
目前，Qorvo等國(guó)外的射頻前端巨頭正在積極研發(fā)WLP等封裝技術(shù)以提高射頻前端的集成度，中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)也應(yīng)當(dāng)利用近來國(guó)內(nèi)封裝業(yè)的勢(shì)頭大力發(fā)展用于射頻前端的封裝技術(shù)。
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