隨(sui)著(zhu)無線(xian)通(tong)訊應用(yong)的(de)發展，人們對于數據傳輸(shu)速度的(de)要求(qiu)也越來(lai)越高。在2G時(shi)代(dai)，只(zhi)有一小部分人會使用(yong)手機上網下載鈴聲(sheng)或(huo)瀏覽(lan)wap版網頁，需(xu)要的(de)數據率(lv)大(da)約在1KB／s。在3G時(shi)代(dai)，隨(sui)著(zhu)智能手機的(de)普及，使用(yong)運營商網絡上網收發郵(you)件，使用(yong)各(ge)種app等(deng)使得網絡流量劇(ju)增，需(xu)要的(de)數據率(lv)大(da)約是50KB／s。到了(le)4G時(shi)代(dai)的(de)今天，直播(bo)等(deng)應用(yong)更是將(jiang)手機通(tong)訊的(de)帶寬需(xu)求(qiu)推向了(le)一個(ge)新(xin)的(de)高度，需(xu)要的(de)數據率(lv)達到了(le)1MB／s。

與數(shu)(shu)據(ju)(ju)率(lv)上(shang)升相對應的(de)(de)是(shi)頻(pin)譜(pu)資(zi)源(yuan)的(de)(de)高(gao)利(li)(li)用率(lv)以及通訊協(xie)議的(de)(de)復雜化。這(zhe)兩(liang)個問題(ti)是(shi)相輔相成(cheng)：由于頻(pin)譜(pu)資(zi)源(yuan)有限，為了(le)滿(man)足(zu)(zu)人(ren)們對數(shu)(shu)據(ju)(ju)率(lv)的(de)(de)需求(qiu)，必須充(chong)分利(li)(li)用頻(pin)譜(pu)，因此一(yi)部手機必須能(neng)夠覆蓋很寬(kuan)(kuan)的(de)(de)頻(pin)帶范圍，這(zhe)樣在(zai)人(ren)群(qun)擁擠的(de)(de)情(qing)況下不同(tong)(tong)人(ren)的(de)(de)設備才(cai)能(neng)夠分配到(dao)足(zu)(zu)夠的(de)(de)頻(pin)譜(pu)帶寬(kuan)(kuan)。同(tong)(tong)時(shi)，為了(le)滿(man)足(zu)(zu)數(shu)(shu)據(ju)(ju)率(lv)的(de)(de)需求(qiu)，從(cong)4G開始(shi)還使(shi)用了(le)載(zai)波聚(ju)合技術，使(shi)得一(yi)臺設備可(ke)以同(tong)(tong)時(shi)利(li)(li)用不同(tong)(tong)的(de)(de)載(zai)波頻(pin)譜(pu)傳輸數(shu)(shu)據(ju)(ju)。

另一方面，為了在有限(xian)的帶寬內支持(chi)足夠的數據(ju)傳輸(shu)率，通信協議變得越來越復雜，因此對于射頻系統的各種性能也提出了嚴格的需求。

在射頻前(qian)(qian)端模塊(kuai)中(zhong)，射頻濾(lv)波器(qi)(qi)起著至關重要(yao)的(de)作用。它(ta)可以將帶(dai)外(wai)干擾(rao)和噪聲濾(lv)除(chu)以以滿(man)足射頻系統和通訊(xun)協議(yi)對(dui)(dui)于(yu)(yu)(yu)信(xin)噪比的(de)需(xu)(xu)求。如前(qian)(qian)所述，隨(sui)著通信(xin)協議(yi)越來(lai)(lai)越復雜，對(dui)(dui)于(yu)(yu)(yu)通訊(xun)協議(yi)對(dui)(dui)于(yu)(yu)(yu)頻帶(dai)內外(wai)的(de)需(xu)(xu)求也(ye)越來(lai)(lai)越高，這也(ye)使得濾(lv)波器(qi)(qi)的(de)設計(ji)越來(lai)(lai)愈有挑戰性。另外(wai)，隨(sui)著手機(ji)需(xu)(xu)要(yao)支(zhi)持的(de)頻帶(dai)數(shu)目不斷上升，由于(yu)(yu)(yu)每(mei)一個頻帶(dai)有需(xu)(xu)要(yao)有自己的(de)濾(lv)波器(qi)(qi)，因此一款(kuan)手機(ji)中(zhong)需(xu)(xu)要(yao)用到的(de)濾(lv)波器(qi)(qi)數(shu)量(liang)也(ye)在不斷上升。目前(qian)(qian)，一款(kuan)4G手機(ji)中(zhong)的(de)需(xu)(xu)要(yao)用到的(de)濾(lv)波器(qi)(qi)數(shu)量(liang)可達30余個。

隨著(zhu)射頻(pin)濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)變得越來越重要，各大射頻(pin)前端廠商也在(zai)積極布局(ju)濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)市場(chang)。在(zai)2014年，射頻(pin)前端巨頭RFMD和TriQuint合(he)并(bing)(bing)成立Qorvo。Qorvo的高(gao)層James Klein在(zai)接(jie)受Compound Semiconductor采(cai)訪時坦承，RFMD與合(he)并(bing)(bing)的重要原(yuan)因(yin)是(shi)因(yin)為TriQuint的濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)技(ji)術，而且兩家公司在(zai)合(he)并(bing)(bing)后(hou)還在(zai)著(zhu)力發展濾(lv)波(bo)器(qi)(qi)技(ji)術。Klein指出，“公司合(he)并(bing)(bing)后(hou)，GaAs生產(chan)線存在(zai)產(chan)能過剩的問題(ti)，我們將逐漸減(jian)小產(chan)能以節省(sheng)開(kai)支。

然而，在濾(lv)波(bo)器領域，我們不僅不會減(jian)少(shao)產能反而會加大投入(ru)。”與此同時(shi)，射(she)頻芯片(pian)龍頭高通與日(ri)本濾(lv)波(bo)器大廠(chang)TDK也于(yu)2016年年初成立合資(zi)公司RF360，以(yi)布局射(she)頻濾(lv)波(bo)器市場(chang)。與之(zhi)相應的是，各大行業研究(jiu)結構也看好射(she)頻濾(lv)波(bo)器市場(chang)未來的發展。Technavio在研究(jiu)報告(gao)中指出，射(she)頻濾(lv)波(bo)器市場(chang)2016-2020的年復合增(zeng)長(chang)率可達(da)15%，并且已(yi)經(jing)超越PA成為整個(ge)射(she)頻前端(duan)模塊市場(chang)中最重要的組成部分。

濾波器技術簡介

射頻濾波器最主要的(de)(de)(de)指(zhi)標包括品質因數Q和插入損耗。在目前(qian)的(de)(de)(de)通訊協議中(zhong)，不同頻帶(dai)(dai)間的(de)(de)(de)頻率差越來越小，因此需要非常(chang)好(hao)選擇性，讓通帶(dai)(dai)內的(de)(de)(de)信號通過并阻擋通帶(dai)(dai)外的(de)(de)(de)信號。Q越大，則濾波器可(ke)以實現(xian)越窄的(de)(de)(de)通帶(dai)(dai)帶(dai)(dai)寬，也(ye)就是(shi)說(shuo)可(ke)以實現(xian)較好(hao)的(de)(de)(de)選擇性。

除了(le)品質因數Q之(zhi)外，插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)也是重要參數。插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)是指(zhi)通帶信號被濾波(bo)(bo)器(qi)的衰(shuai)(shuai)減，即信號功(gong)(gong)率損(sun)耗(hao)(hao)(hao)。插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)有1dB，則信號功(gong)(gong)率被衰(shuai)(shuai)減20%；當插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)到達3dB時，則信號功(gong)(gong)率被衰(shuai)(shuai)減了(le)50%！在4G時代，信號功(gong)(gong)率放大并不(bu)簡單，如果又有許多功(gong)(gong)率被浪費(fei)在濾波(bo)(bo)器(qi)上(shang)，則PA／LNA設計(ji)就更難了(le)。

目前(qian)射頻濾波(bo)器最主流的(de)(de)實現方式是(shi)(shi)SAW和BAW。SAW是(shi)(shi)聲(sheng)(sheng)表(biao)(biao)面濾波(bo)器，利用壓(ya)電(dian)效應 。當(dang)對(dui)晶(jing)體施以電(dian)壓(ya)，晶(jing)體將發生機械(xie)形變，將電(dian)能轉換為機械(xie)能。當(dang)這(zhe)種(zhong)晶(jing)體被機械(xie)壓(ya)縮或展延時，機械(xie)能又轉換為電(dian)能。在(zai)晶(jing)體結構的(de)(de)兩面形成(cheng)電(dian)荷(he)，使電(dian)流流過端(duan)子和/或形成(cheng)端(duan)子間(jian)的(de)(de)電(dian)壓(ya)。在(zai)固態材料(liao)中，交(jiao)替的(de)(de)機械(xie)形變會產生3,000至12,000米/秒(miao)速(su)度的(de)(de)聲(sheng)(sheng)波(bo)。在(zai)聲(sheng)(sheng)表(biao)(biao)面波(bo)濾波(bo)器內，聲(sheng)(sheng)波(bo)在(zai)表(biao)(biao)面傳播(bo)并形成(cheng)駐波(bo)，其(qi)品質因數可達數千。

SAW濾波器

然(ran)(ran)而(er)，SAW濾波器也有(you)自(zi)己(ji)的(de)局(ju)限。SAW在(zai)1.5GHz以下使用(yong)(yong)非常合適，但是在(zai)工作(zuo)頻率超過1.5GHz時，SAW的(de)Q值開始下降，到2.5GHz時，SAW的(de)選擇(ze)性已經只能用(yong)(yong)在(zai)一些要(yao)求比較低的(de)場合。然(ran)(ran)而(er)，目(mu)前的(de)無(wu)線通(tong)訊協(xie)議(yi)已經早就工作(zuo)大于2.5GHz的(de)頻段（例如4G TD-LTE的(de)Band 41）等(deng)，這時候(hou)SAW就不夠用(yong)(yong)了(le)，必須使用(yong)(yong)體(ti)聲波（BAW）濾波器。

BAW濾波器

BAW濾(lv)波器(qi)不同(tong)于SAW濾(lv)波器(qi)，BAW濾(lv)波器(qi)內的(de)聲(sheng)波垂直(zhi)傳(chuan)播，貼嵌于石(shi)英(ying)基板頂、底(di)兩側的(de)金屬對(dui)聲(sheng)波實施激(ji)勵，使聲(sheng)波從頂部表(biao)面(mian)反彈至(zhi)底(di)部，以形(xing)成駐聲(sheng)波。在>2.5GHz的(de)頻段，BAW壓電層(ceng)的(de)厚度必須在幾(ji)微米量級，因此，要(yao)在載體基板上(shang)采用薄(bo)膜沉積和微機械加工(gong)技術實現(xian)諧振器(qi)結構。

為了把聲波的(de)能量局限在(zai)濾(lv)波器體內(nei)，可以使用BAW-SMR技(ji)(ji)術(shu)或FBAR技(ji)(ji)術(shu)。BAW-SMR技(ji)(ji)術(shu)通過(guo)堆疊(die)不同材質的(de)薄層形成一個(ge)反(fan)射器，而(er)FBAR技(ji)(ji)術(shu)則在(zai)有冤屈(qu)下方(fang)蝕刻(ke)出空腔以實現懸(xuan)浮(fu)膜。

BAW濾(lv)波器(qi)在高(gao)頻段可實現低插(cha)入損耗和高(gao)Q值，成為(wei)高(gao)性(xing)能射頻系統(tong)的(de)(de)首選。然而，BAW濾(lv)波器(qi)的(de)(de)成本目前還(huan)很高(gao)，這(zhe)成為(wei)了限制BAW普(pu)及的(de)(de)重(zhong)要(yao)因素。

濾波器(qi)的發展展望以(yi)及(ji)中國半導(dao)體業的機會

在未來(lai)，射(she)頻(pin)濾波器市(shi)場還將迎來(lai)更多增長。這是因為，隨著4G的成熟和(he)5G的來(lai)臨，手機支持的頻(pin)段(duan)數量正在上升。在 2012 年全(quan)球 3G 標準協會 3GPP 提出的 LTE R11 版本中，蜂(feng)窩通(tong)訊系統需要(yao)支持的頻(pin)段(duan)增加到(dao) 41 個。

根據射(she)頻器(qi)件巨頭 Skyworks 預測，到 2020 年， 5G 應用(yong)支(zhi)持(chi)的頻段數(shu)量將實現翻番，新增(zeng) 50 個(ge)以上(shang)通(tong)信頻段，全球 2G/3G/4G/5G 網絡合計支(zhi)持(chi)的頻段將達到 91 個(ge)以上(shang)。對(dui)于一(yi)個(ge)頻段而言，一(yi)般至少需要兩個(ge)濾(lv)波器(qi)，因此(ci)手(shou)機(ji)頻段數(shu)上(shang)升的直接(jie)結果就是手(shou)機(ji)中使用(yong)的射(she)頻濾(lv)波器(qi)數(shu)量上(shang)升，而手(shou)機(ji)中濾(lv)波器(qi)的成本(ben)也在日漸上(shang)升。

手(shou)機中(zhong)濾波器成本（美元）演變

濾(lv)波器市場的前(qian)景(jing)可謂一片大好(hao)，但(dan)是濾(lv)波器仍(reng)然是射(she)(she)頻前(qian)端(duan)中(zhong)(zhong)最具挑(tiao)戰性的模塊。目前(qian)，射(she)(she)頻前(qian)端(duan)中(zhong)(zhong)大部分器件的制造工藝(yi)都在(zai)漸漸成(cheng)熟，如(ru)PA使用(yong)的GaAs，LNA和射(she)(she)頻開(kai)關使用(yong)的RF SoI等(deng)等(deng)，整個射(she)(she)頻前(qian)端(duan)的集(ji)成(cheng)度也在(zai)越來越高。

然而，濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)(de)(de)(de)設(she)計和制造仍然非(fei)常困難(nan)，成(cheng)(cheng)(cheng)為提高整(zheng)體射(she)頻前(qian)端(duan)模(mo)(mo)塊集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)度(du)的(de)(de)(de)(de)短板(ban)。在(zai)未(wei)來，射(she)頻前(qian)端(duan)的(de)(de)(de)(de)高度(du)集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)化是必然的(de)(de)(de)(de)發展方(fang)向，高度(du)集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)化的(de)(de)(de)(de)射(she)頻前(qian)端(duan)模(mo)(mo)組可以(yi)實現更低的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本，更高的(de)(de)(de)(de)性(xing)能，最關鍵的(de)(de)(de)(de)是可以(yi)給系統集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)商提供turn-key方(fang)案。所以(yi)，誰在(zai)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)(de)(de)(de)制造和集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)上(shang)發展最快，誰就能成(cheng)(cheng)(cheng)為射(she)頻前(qian)端(duan)模(mo)(mo)塊市場(chang)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)導(dao)者。與(yu)之相(xiang)反(fan)，在(zai)濾(lv)波(bo)器(qi)領域(yu)技術落后的(de)(de)(de)(de)公司(si)將在(zai)整(zheng)個射(she)頻前(qian)端(duan)市場(chang)的(de)(de)(de)(de)競爭中漸漸落后。

目前， SAW 濾(lv)波器(qi)(qi)的主要(yao)(yao)供(gong)應商(shang)是 TDK-EPCOS 及(ji) Murata，兩者合計占有 60-70%市(shi)場份(fen)(fen)額； BAW 濾(lv)波器(qi)(qi)的主要(yao)(yao)供(gong)應商(shang)是 Avago 及(ji) Qorvo，兩者占有 90%以上市(shi)場份(fen)(fen)額。

對于中(zhong)(zhong)國企業，在濾(lv)波器(qi)領域的(de)技(ji)術積累(lei)仍(reng)顯(xian)薄弱，在 saw 濾(lv)波器(qi)領域，國內主(zhu)要廠(chang)商包括以(yi)中(zhong)(zhong)電(dian) 26 所(suo)、中(zhong)(zhong)電(dian)德清華瑩為代表的(de)科研(yan)院所(suo)、無錫好達電(dian)子等廠(chang)商，科研(yan)院所(suo)的(de)產品主(zhu)要面(mian)向軍用(yong)通(tong)信終(zhong)端(duan)設(she)備。而濾(lv)波器(qi)技(ji)術目前仍(reng)是公司甚至國家的(de)核心技(ji)術。去年，天津大學教授(shou)張浩在美國被指控(kong)竊取FBAR BAW濾(lv)波器(qi)方面(mian)的(de)商業機密而被美國方面(mian)控(kong)制，可見其重視程度。

對于中國企(qi)業來(lai)(lai)說(shuo)，在濾(lv)波(bo)器(qi)行業必須踏(ta)(ta)踏(ta)(ta)實實進行技術積累。首先，中國必須有SAW／BAW濾(lv)波(bo)器(qi)的高質(zhi)量(liang)加工(gong)廠。例如(ru)，對于SAW濾(lv)波(bo)器(qi)來(lai)(lai)說(shuo)，SAW濾(lv)波(bo)器(qi)的工(gong)作頻率由(you)電極(ji)條寬度(du)、壓電材(cai)料性質(zhi)所決定(ding)，電極(ji)條愈窄(zhai)，頻率愈高。采用半導體(ti)0.2~0.35μm級的精細加工(gong)工(gong)藝，可制作出2~3GHz的 SAW濾(lv)波(bo)器(qi)。

因此曝(pu)光(guang)設備和光(guang)刻技(ji)術(shu)是制(zhi)作高頻SAW濾波(bo)器的(de)關鍵設備。另(ling)外利用(yong)傳播更快(kuai)的(de)聲表面波(bo)波(bo)動模式或(huo)傳播速度更高的(de)壓(ya)電材料是提(ti)高濾波(bo)器工(gong)作頻率的(de)另(ling)一個手段。中(zhong)國半導體企業需(xu)要在加(jia)工(gong)和材料技(ji)術(shu)上有自(zi)己的(de)技(ji)術(shu)儲備才能制(zhi)造(zao)出出色的(de)濾波(bo)器。

其次，中(zhong)國必須(xu)有(you)SAW／BAW濾波(bo)器(qi)設計人(ren)才儲備。除了(le)加工之外，如何設計SAW／BAW濾波(bo)器(qi)也是一個(ge)極其重要的因素。

目(mu)前中國SAW／BAW濾波器設(she)計(ji)還有(you)不少難點尚待突(tu)破，例如(ru)如(ru)何(he)解決(jue)SAW濾波器的(de)溫度(du)漂移問(wen)題（即(ji)在如(ru)何(he)讓SAW濾波器在不同溫度(du)時的(de)頻(pin)率(lv)響應(ying)盡量(liang)不變）。SAW／BAW濾波器的(de)設(she)計(ji)與制(zhi)造(zao)工藝息息相關(guan)，設(she)計(ji)必(bi)(bi)須緊密(mi)結合制(zhi)造(zao)工藝進(jin)行，設(she)計(ji)者也必(bi)(bi)須對于制(zhi)造(zao)工藝有(you)扎實的(de)理(li)解。

在目前，濾波(bo)器設(she)(she)計最好的模式還(huan)是IDM，設(she)(she)計和制造在同一家(jia)公司進行可以(yi)保證最優設(she)(she)計結果，而Fabless 的模式在濾波(bo)器技術發展(zhan)尚不成熟的今天還(huan)不是一個最好的選擇。

最后，濾(lv)波(bo)器設計(ji)必(bi)須(xu)考慮集(ji)成(cheng)(cheng)。在未來，射(she)頻前端集(ji)成(cheng)(cheng)化是(shi)(shi)必(bi)然的趨勢，一家只提(ti)供(gong)濾(lv)波(bo)器的廠商很(hen)難在市場(chang)上找到位置，這也是(shi)(shi)為什么之前RFMD和TriQuint合并的理由之一。

一(yi)個(ge)理(li)想(xiang)的(de)濾波器設計團隊最好是(shi)一(yi)個(ge)射頻前端公司的(de)一(yi)個(ge)部門，而(er)非(fei)自(zi)成一(yi)家，這(zhe)樣才能提供(gong)一(yi)體化的(de)射頻前端模塊方案。為了提高集成度，中國半導體企業還(huan)必須大力發展封裝技(ji)術。

目前，Qorvo等(deng)國(guo)外的射頻前端(duan)巨(ju)頭(tou)正(zheng)在積極研發WLP等(deng)封裝技(ji)術以提高射頻前端(duan)的集成度(du)，中國(guo)半(ban)導(dao)體企業(ye)也應當利用近來國(guo)內封裝業(ye)的勢(shi)頭(tou)大力發展用于射頻前端(duan)的封裝技(ji)術。