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射頻前端兵家必爭之地:濾波器

發表時間:2017/1/3  來源:半導體行業觀察icbank  瀏覽次數:8784  
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隨著移動設備功能越來越強大,支持的網絡頻段越來越多,射頻前端模塊成了移動設備中不可缺少的一部分。舉例來說,一款較新的手機至少需要支持2G,3G,4G以及WiFi,GPS等網絡製式,而每一個製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,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工藝製造,而必須使用特殊工藝以保證性能。
 
根據mobiles Expert LLC的研究報告,2016年在智能手機增長萎靡(9%)的情況下,射頻前端模塊的增長率仍達到了17%。而在射頻前端模塊中,未來發展最快的,也最關鍵的模塊就是射頻濾波器模塊。
 
濾波器到底有多重要
 
隨著無線通訊應用的發展,人們對於數據傳輸速度的要求也越來越高。在2G時代,隻有一小部分人會使用手機上網下載鈴聲或瀏覽wap版網頁,需要的數據率大約在1KB/s。在3G時代,隨著智能手機的普及,使用運營商網絡上網收發郵件,使用各種app等使得網絡流量劇增,需要的數據率大約是50KB/s。到了4G時代的今天,直播等應用更是將手機通訊的帶寬需求推向了一個新的高度,需要的數據率達到了1MB/s。
 
與數據率上升相對應的是頻譜資源的高利用率以及通訊協議的複雜化。這兩個問題是相輔相成:由於頻譜資源有限,為了滿足人們對數據率的需求,必須充分利用頻譜,因此一部手機必須能夠覆蓋很寬的頻帶範圍,這樣在人群擁擠的情況下不同人的設備才能夠分配到足夠的頻譜帶寬。同時,為了滿足數據率的需求,從4G開始還使用了載波聚合技術,使得一台設備可以同時利用不同的載波頻譜傳輸數據。
 
另一方麵,為了在有限的帶寬內支持足夠的數據傳輸率,通信協議變得越來越複雜,因此對於射頻係統的各種性能也提出了嚴格的需求。
 
在射頻前端模塊中,射頻濾波器起著至關重要的作用。它可以將帶外幹擾和噪聲濾除以以滿足射頻係統和通訊協議對於信噪比的需求。如前所述,隨著通信協議越來越複雜,對於通訊協議對於頻帶內外的需求也越來越高,這也使得濾波器的設計越來愈有挑戰性。另外,隨著手機需要支持的頻帶數目不斷上升,由於每一個頻帶有需要有自己的濾波器,因此一款手機中需要用到的濾波器數量也在不斷上升。目前,一款4G手機中的需要用到的濾波器數量可達30餘個。
 
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。在2014年,射頻前端巨頭RFMD和TriQuint合並成立Qorvo。Qorvo的高層James Klein在接受Compound Semiconductor采訪時坦承,RFMD與合並的重要原因是因為TriQuint的濾波器技術,而且兩家公司在合並後還在著力發展濾波器技術。Klein指出,“公司合並後,GaAs生產線存在產能過剩的問題,我們將逐漸減小產能以節省開支。
 
然而,在濾波器領域,我們不僅不會減少產能反而會加大投入。”與此同時,射頻芯片龍頭高通與日本濾波器大廠TDK也於2016年年初成立合資公司RF360,以布局射頻濾波器市場。與之相應的是,各大行業研究結構也看好射頻濾波器市場未來的發展。Technavio在研究報告中指出,射頻濾波器市場2016-2020的年複合增長率可達15%,並且已經超越PA成為整個射頻前端模塊市場中最重要的組成部分。
 
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濾波器技術簡介
 
射頻濾波器最主要的指標包括品質因數Q和插入損耗。在目前的通訊協議中,不同頻帶間的頻率差越來越小,因此需要非常好選擇性,讓通帶內的信號通過並阻擋通帶外的信號。Q越大,則濾波器可以實現越窄的通帶帶寬,也就是說可以實現較好的選擇性。
 
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除了品質因數Q之外,插入損耗也是重要參數。插入損耗是指通帶信號被濾波器的衰減,即信號功率損耗。插入損耗有1dB,則信號功率被衰減20%;當插入損耗到達3dB時,則信號功率被衰減了50%!在4G時代,信號功率放大並不簡單,如果又有許多功率被浪費在濾波器上,則PA/LNA設計就更難了。
 
目前射頻濾波器最主流的實現方式是SAW和BAW。SAW是聲表麵濾波器,利用壓電效應 。當對晶體施以電壓,晶體將發生機械形變,將電能轉換為機械能。當這種晶體被機械壓縮或展延時,機械能又轉換為電能。在晶體結構的兩麵形成電荷,使電流流過端子和/或形成端子間的電壓。在固態材料中,交替的機械形變會產生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲表麵波濾波器內,聲波在表麵傳播並形成駐波,其品質因數可達數千。
 
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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,SAW的Q值開始下降,到2.5GHz時,SAW的選擇性已經隻能用在一些要求比較低的場合。然而,目前的無線通訊協議已經早就工作大於2.5GHz的頻段(例如4G TD-LTE的Band 41)等,這時候SAW就不夠用了,必須使用體聲波(BAW)濾波器。
 
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BAW濾波器不同於SAW濾波器,BAW濾波器內的聲波垂直傳播,貼嵌於石英基板頂、底兩側的金屬對聲波實施激勵,使聲波從頂部表麵反彈至底部,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,因此,要在載體基板上采用薄膜沉積和微機械加工技術實現諧振器結構。
 
為了把聲波的能量局限在濾波器體內,可以使用BAW-SMR技術或FBAR技術。BAW-SMR技術通過堆疊不同材質的薄層形成一個反射器,而FBAR技術則在有冤屈下方蝕刻出空腔以實現懸浮膜。
 
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BAW濾波器
 
BAW濾波器在高頻段可實現低插入損耗和高Q值,成為高性能射頻係統的首選。然而,BAW濾波器的成本目前還很高,這成為了限製BAW普及的重要因素。
 
濾波器的發展展望以及中國半導體業的機會
 
在未來,射頻濾波器市場還將迎來更多增長。這是因為,隨著4G的成熟和5G的來臨,手機支持的頻段數量正在上升。在 2012 年全球 3G 標準協會 3GPP 提出的 LTE R11 版本中,蜂窩通訊係統需要支持的頻段增加到 41 個。
 
根據射頻器件巨頭 Skyworks 預測,到 2020 年, 5G 應用支持的頻段數量將實現翻番,新增 50 個以上通信頻段,全球 2G/3G/4G/5G 網絡合計支持的頻段將達到 91 個以上。對於一個頻段而言,一般至少需要兩個濾波器,因此手機頻段數上升的直接結果就是手機中使用的射頻濾波器數量上升,而手機中濾波器的成本也在日漸上升。
 
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無線頻段數量的演變( 1999 年-2012 年)
 
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手機中濾波器成本(美元)演變
 
濾波器市場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性的模塊。目前,射頻前端中大部分器件的製造工藝都在漸漸成熟,如PA使用的GaAs,LNA和射頻開關使用的RF SoI等等,整個射頻前端的集成度也在越來越高。
 
然而,濾波器的設計和製造仍然非常困難,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展方向,高度集成化的射頻前端模組可以實現更低的成本,更高的性能,最關鍵的是可以給係統集成商提供turn-key方案。所以,誰在濾波器的製造和集成上發展最快,誰就能成為射頻前端模塊市場的主導者。與之相反,在濾波器領域技術落後的公司將在整個射頻前端市場的競爭中漸漸落後。
 
目前, SAW 濾波器的主要供應商是 TDK-EPCOS 及 Murata,兩者合計占有 60-70%市場份額; BAW 濾波器的主要供應商是 Avago 及 Qorvo,兩者占有 90%以上市場份額。
 
對於中國企業,在濾波器領域的技術積累仍顯薄弱,在 saw 濾波器領域,國內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、無錫好達電子等廠商,科研院所的產品主要麵向軍用通信終端設備。而濾波器技術目前仍是公司甚至國家的核心技術。去年,天津大學教授張浩在美國被指控竊取FBAR BAW濾波器方麵的商業機密而被美國方麵控製,可見其重視程度。
 
對於中國企業來說,在濾波器行業必須踏踏實實進行技術積累。首先,中國必須有SAW/BAW濾波器的高質量加工廠。例如,對於SAW濾波器來說,SAW濾波器的工作頻率由電極條寬度、壓電材料性質所決定,電極條愈窄,頻率愈高。采用半導體0.2~0.35μm級的精細加工工藝,可製作出2~3GHz的 SAW濾波器。
 
因此曝光設備和光刻技術是製作高頻SAW濾波器的關鍵設備。另外利用傳播更快的聲表麵波波動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手段。中國半導體企業需要在加工和材料技術上有自己的技術儲備才能製造出出色的濾波器。
 
其次,中國必須有SAW/BAW濾波器設計人才儲備。除了加工之外,如何設計SAW/BAW濾波器也是一個極其重要的因素。
 
目前中國SAW/BAW濾波器設計還有不少難點尚待突破,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的頻率響應盡量不變)。SAW/BAW濾波器的設計與製造工藝息息相關,設計必須緊密結合製造工藝進行,設計者也必須對於製造工藝有紮實的理解。
 
在目前,濾波器設計最好的模式還是IDM,設計和製造在同一家公司進行可以保證最優設計結果,而Fabless 的模式在濾波器技術發展尚不成熟的今天還不是一個最好的選擇。
 
最後,濾波器設計必須考慮集成。在未來,射頻前端集成化是必然的趨勢,一家隻提供濾波器的廠商很難在市場上找到位置,這也是為什麽之前RFMD和TriQuint合並的理由之一。
 
一個理想的濾波器設計團隊最好是一個射頻前端公司的一個部門,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,中國半導體企業還必須大力發展封裝技術。
 

目前,Qorvo等國外的射頻前端巨頭正在積極研發WLP等封裝技術以提高射頻前端的集成度,中國半導體企業也應當利用近來國內封裝業的勢頭大力發展用於射頻前端的封裝技術。

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