与非网4月26日,滤波器作为射频前端模块中的重要组成部分,随着5G时代到来,通信制式升级,频段变多,产业链下游移动终端和上游基站的升级,其市场格局和技术特点都发生了不小的变化。

 

在下游终端,智能手机和其他移动终端支持的射频频段数量急剧增加,所产生的频谱拥挤必须增加滤波器的使用以减少干扰频率。在终端需求上,4G时代千元机需要20~40个滤波器,10个开关;到了5G手机,需要近80个滤波器和15个开关。技术上,在3GHz以上的频段,BAW滤波器是主流方案。在上游基站,4G LTE时代基站大多采用2/4/8通道天线,5G时代引入了Massive MIMO技术,天线升级为64通道,甚至128/192/256通道。每个天线都需要配备相应的双工器,并由相应的滤波器进行信号频率的选择和处理,滤波器需求总量大幅增加。鉴于此,Yole Development预测,滤波器的市场规模将从2017年的80亿美元增加到2023年的225亿美元。

 

5G、高频驱动滤波器技术变革

目前,在智能手机中使用的射频滤波器主要有声表面波滤波器(SAW)和体声波滤波器(BAW/FBAR)两大类。“在当前的滤波器市场中,SAW凭借其成熟且低成本的优势,在2GHz以下的市场占有率仍比较大。”诺思研发兼市场总监蒋兴勇表示,“随着5G时代的到来,SAW就表现出明显的局限性,而BAW的优势在于中高频段的性能优势,如更小的插入损耗、更高的带外抑制等,所以BAW的使用已经成为时代发展的趋势。”

 

进入5G时代,除了主流频段外,由于引进了5G NR的标准,会有3.5GHz、4.8GHz等频段出现,以及不断重耕的LTE频段,因此需要射频前端器件能够支持更多的频段,或者原来4G频谱的设备件必须要支持更高的5G标准。这就为滤波器的设计提出了很多新要求。

 

蒋兴勇解释,系统越往高频走,对滤波器设计就要求更高的控制精度,对带宽、时延、线性化的要求也更高,大大提升了设计难度。首先是工作频率复杂,滤波器如何实现低温漂问题;其次是应用环境复杂,滤波器需要在有限面积内应对更多的信号干扰;最后是共存滤波器如何让不同类型信号和谐共存。

 

另一方面,随着射频前端模块集成度提升,现阶段射频模组化趋势包括FEM(射频开关+滤波器)、FeMid(射频滤波器+开关+双工器)、DiFEM(射频开关+滤波器+LNA)、PaMid(FeMid+PA)等多种产品形态,这可以带来包括解决多频段带来的射频复杂性挑战、缩小射频元件的体积、提供全球载波聚合模块化平台等多方面的优势。而滤波器在射频前端应用时还能整合为双工器、四工器甚至六工器等多路复用器,能够在满足性能要求的同时节省空间、简化设计,同时还能避免频段间的相互干扰。

 

蒋兴勇表示,射频前端模块集成度提高,尽管带来了许多好处,但是现阶段成本依然比较贵。“就滤波器部分而言,诺思现有的体声波技术完全可以做到兼容模组化设计,尺寸、接口等方面既可以单独器件存在,也可以整合进模组中,这是诺思技术灵活性的体现。”他强调,“模组产品需要滤波器用WLP封装替代CSP封装形式。如果做模块集成,需要相关企业一起协同来完成一体化设计,目前诺思已与国内射频前端企业开展这方面的工作。”

 

更重要的是,射频模组化发展促使射频厂商提高产业链集中度,扩宽技术能力,行业内横向并购成为趋势。几家国际巨头均借此获得了扩张,同时通过建厂等方式扩充滤波器产能,试图在5G时代中抢占先机。观察国内射频前端产业,也出现部分厂商开始扩大产品布局的趋势,至于是否会出现并购整合,蒋兴勇强调,国内将来也可能出现整合情况,但是机会还要看整体行业的发展趋势,能发挥1+1>2的企业整合,才更有动力去做。

 

国产滤波器潜力巨大,诺思BAW技术将迎来井喷期

从2G手机到5G手机,射频滤波器用量由个位数增至100颗以上,产量与价值齐升。市场研究机构Resonant预测,滤波器市场是射频前端市场中发展最快的市场,2025年将达到280亿美元,年复合增长率达到21%。其中,2020年60%以上的滤波器基于SAW技术,基本被村田、TDK、太阳诱电、Skyworks和Qorvo垄断95%市场。博通、Qorvo等美国厂商则集中在BAW滤波器(博通主要是FBAR),市场也基本被其垄断,国产滤波器在技术及市场突破后将会有巨大的成长空间。

 

“反观国内,中国是全球最大的SAW滤波器市场,产量长期以来远远无法满足需求。在BAW滤波器等领域,也仅有诺思等少数厂商实现了突破。目前公司产品性能已达到国际领先水平,打破国外厂商的垄断,填补国内空白,将为我国FBAR滤波器射频前端供应链安全提供重要的保障作用。”在蒋兴勇看来,与传统的SAW滤波器相比,BAW的优势在于中高频段的性能优势,如更小的插入损耗、更高的带外抑制等,而近年来SAW的工艺也在不断提升,如高品质因素SAW以及温度补偿SAW等,两者会分别在中高频和低频发挥出最佳的性能优势,并长期并存。所有这些声学滤波器技术呈现出相互交融、相互借鉴的发展趋势,都会有自己适合的应用场景,没有一种技术能完全替代另一种技术。

 

据其介绍,为满足客户国产化替代的迫切需求,诺思在已陆续发布多款高性能BAW滤波器基础上,进一步推出了覆盖Band1,Band2,Band3,Band4,Band5,Band7,Band8的全系列基于BAW工艺的高性能双工器产品,及支持载波聚合的Band1+3四工器。蒋兴勇表示:“诺思现有产品能够覆盖全球智能手机滤波芯片70%以上的工作频段,这也标志着诺思在滤波器、双工器、多工器领域的完整布局。诺思双工器、多工器产品性能已比肩或超越国际一流厂商的产品性能,并在多家国内知名企业通过验证,完全满足客户的应用需求。”

 

在5G小基站领域技术开发方向,诺思也做了全面的布局,并已陆续推出n1、n3、n41、n78、n79等多款面向小基站应用的滤波器系列产品。蒋兴勇强调:“诺思在2020年推出的全球首款高功率容量BAW滤波器支持5W的平均输入功率,有助于解决5G小尺寸、高性能和高功率的业界痛点问题。”

 

据介绍,诺思提供多样化的产品形式,包括塑封芯片、WLP封装芯片或裸芯片,以满足终端、基站、模组等不同客户的多元需求。蒋兴勇表示:“从20年开始诺思陆续推出更小尺寸的BAW滤波器、双工器产品,预期在提升性能的同时,将进一步节省约35%的空间占用,以满足终端客户的小型化需求,WLP封装的BAW滤波芯片将为客户做更高集成度产品带来更多可能。”诺思新的技术路线将BAW技术应用拓宽至更高频(Sub-6GHz)、更大带宽(400MHz)、更小尺寸的消费电子领域,解决5G移动频谱的共存挑战和移动终端小型化需求,器件体积缩小数十倍,实现传统介质滤波器方案完美替代,已获得多家知名品牌客户青睐。

 

谈到当前全球半导体产业链面临的供应紧张问题,蒋兴勇表示公司以IDM模式运营,基本上没有受“卡脖子”限制的环节,对客户的供应也比较顺畅。“诺思现已成为国内唯一具备大规模稳定交付能力、产品种类齐全、生产良率稳定、质量和可靠性已获客户验证的高端BAW芯片供应商,为全面国产替代做好了充分准备。位于天津的产线已经实现满产状态,新的产线也在加速建设当中。”他表示,“随着市场需求持续提升,以及客户design-in导入逐渐完成,今年诺思的出货量预计将大幅增长。”

 

未来,诺思将进一步加大在重点项目上的研发、生产及推广投入,提供质量最可靠、频段更齐全、性能更出色、性价比更高的射频滤波及模组芯片产品。例如做为牵头单位参与了国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项项目“硅基MEMS压电薄膜及器件关键技术与平台”研发,该项目针对5G/6G无线通讯、物联网等对射频滤波器、智能传感器提出新的技术要求,对实现晶圆级硅基MEMS压电器件的大规模生产、摆脱我国目前关键MEMS压电器件受制于人的局面,具有重要而深远的意义。与此同时,诺思还通过参与RECC标准化委员会等国内外组织的标准制订,引领FBAR、压电陶瓷等微声器件行业发展。

 

“当前滤波器市场空间仍在急剧膨胀,客户需求急速增长,国产产品的技术和产能还远远不能满足需求。但随着地缘政治因素的影响,国产产品又迎来了更多的市场机遇。国产滤波器远还没有到与国际厂商竞争的阶段,都还是在抢市场份额而已。市场蛋糕足够大,谁在产线、研发、技术储备方面更有实力,谁就能走得更快。”蒋兴勇强调,“我们有信心与产业链上下游伙伴密切合作,共同实现5G射频领域滤波器芯片的高水平国产替代。“