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濾波器:亟待突破的射頻高地

2020-07-07
作者:畢曉東
來源:ChinaAET
關鍵詞: FBAR BAW

        近日,來自美國司法部的一則消息又一次引起業內人士的關注:天津大學教授張浩竊取Skyworks、Avago的半導體商業機密,聯邦法院判決三項重罪罪名成立,包括最高徒刑15年的經濟間諜罪,最高徒刑10年的商業機密盜竊罪,以及每項罪名最高25萬美元的罰款,預計8月31日宣判。

        這其中所提到的“半導體商業機密”是指一項MEMS技術——FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 薄膜腔聲諧振濾波器,是手機射頻部分的重要器件。

        手機通信模塊主要由天線、射頻前端、射頻收發、基帶構成,其中射頻前端是指介于天線與射頻收發之間的通信元件,主要包括:濾波器、低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)、功率放大器PA(Power Amplifier)、開關、天線調諧。

        其中濾波器部分目前的主流是聲濾波器,主要包括SAW(Surface Acoustic Wave,聲表面波)濾波器、BAW(Bulk Acoustic Wave,體聲波)濾波器。BAW從結構上主要有BAW—SMR和FBAR兩種。

        5G的快速推進對于終端的射頻部分也帶了巨大的發展機遇,其中濾波器被視為射頻前端領域市場前景最大、也是綜合挑戰最高的細分品類。5G通信需要支持更多的天線、更多的頻段、更復雜的組網方式,因此對射頻前端中濾波器的需求量也將會急劇增加。從4G到5G,手機中濾波器的單顆用量從約40顆增加到近百顆。據市場咨詢機構Yole預測,2022年射頻前端市場全球需求量將會達到220億美金的規模;其中射頻BAW/ FBAR濾波器由于其雜波濾除特性、信號損耗及功率容量方面的優良性能,需求量的增長尤為強勁,預計將會達到120億美金的全球市場規模。

        目前手機射頻前端濾波器還是以SAW占主流,但從原理上來說,SAW更適于2~2.5GHz以下的應用場景。但隨著5G帶來的向更高頻段的演進,SAW技術在頻率上限方面的不足將愈發體現。目前的sub-6以及未來的毫米波等更高頻段,都為BAW/FBAR催生更廣闊的空間。

        FBAR的概念早在20世紀60年代就被提出以拓展石英晶振在高頻段的應用,但由于當時微細加工工藝的制約,這一想法并未得到足夠的重視。隨著微細加工技術的發展,Lakin和Wang于1980年首次在硅晶片上制成了基波頻率為435MHz的薄膜體聲波諧振器。Krishnaswamy和Rosenbaum等人于1990年首次將薄膜體聲波諧振器結構的濾波器擴展到吉赫茲頻段,安捷倫公司在1999年成功研發出了應用于美國 PCS1900MHz的薄膜體聲波諧振器雙工器,并于2001年大規模量產。在2005年,KKR和Silver Lake收購安捷倫半導體業務,成立Avago(安華高),在2008年,Avago又收購了位于慕尼黑的英飛凌BWA(Bulk Wave Acoustic)業務。2016年,Avago收購Broadcom(博通),并更名為Broadcom。

        在BAW/FBAR領域,Avago和Qorvo兩家美國廠商占據著市場約90%的份額。與SAW相比,BAW/FBAR具有更好的雜波濾除特性、更低的信號損耗、更大的Q值,但也存在成本高、一致性難保證的量產挑戰,后進入的廠商將面對很高的技術門檻和專利壁壘。

        與美、日廠商相比,我國本土廠商在高性能BAW/FBAR濾波器領域雖然起步較晚、實力相對薄弱,但近年也取得可喜進展。涉足BAW/FBAR濾波器領域的有天津諾思微系統、CETC26所、CETC55所、麥捷科技、信維通信、開元通信、德清華瑩、晶訊聚震等。

        天津諾思微系統是國內FBAR濾波器國產化過程中不容忽視的一員,建有亞洲首座具有完全知識產權(IP)的FBAR晶圓廠,主要從事無線設備射頻前端MEMS濾波芯片、模塊、應用方案的設計、研發、生產和銷售。而去年底發布的5G新頻段FBAR濾波器,已向客戶提供測試使用。

        2019年8月7日,開元通信技術(廈門)有限公司(以下簡稱“開元通信”)在深圳宣布推出體聲波濾波器品牌“矽力豹”,以及國產首顆應用在5G n41頻段的高性能BAW濾波器產品EP70N41。這是國內芯片廠商在5G BAW濾波器的首次突破。開元通信與國內領先的MEMS代工廠進行了深度戰略合作,于2018年10月建成了本土唯一的8英寸 BAW量產線。目前開元通信首批客戶已完成測試,反響良好。

        BAW/FBAR濾波器在5G時代具備較強的市場潛力,但國產廠商的力量依然薄弱,不少廠商還處于研發階段。國產廠商想要在5G中高端濾波器市場實現突破,完全替代國外產品,任重而道遠。


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