國產(chǎn)濾波器何去何從

最近濾波器很火，應(yīng)各方要求，寫一篇濾波器的文章，作為一個(gè)不是做濾波器的人來寫濾波器，誠惶誠恐。
寫作過程如有偏差，歡迎批評指正，及時(shí)學(xué)習(xí)修改，秉持客觀公正，寫好濾波器一系列文章。
濾波器，顧名思義是濾波的器件，濾波器是不是芯片？文中將作解釋。常規(guī)來講，濾波器劃為無源被動器件。
射頻濾波器是移動通信射頻前端的核心部件之一，在無線通信、智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。射頻前端包括開關(guān)（switch）、低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、濾波器（Filter）。不同于PA用于信號****放大，LNA用于信號接收放大，開關(guān)用來信號****和接收切換。濾波器不僅用于信號接收濾波，也用于信號****濾波，在射頻前端器件中占據(jù)最大的份額，約50%。
國產(chǎn)射頻開關(guān)和LNA封神了，國產(chǎn)射頻PA站起來了，但國產(chǎn)濾波器還處在襁褓之中。從國產(chǎn)射頻開關(guān)和PA看到了成功和機(jī)會，對國產(chǎn)濾波器的未來就有了信心和期待。
國產(chǎn)濾波器要成功，需要回答好一個(gè)問題：國產(chǎn)濾波器從哪里來，到哪里去？

為了更好的理解濾波器，首先帶大家了解國產(chǎn)濾波器從哪里來？國產(chǎn)濾波器主要來自：SAW濾波器、BAW濾波器、IPD濾波器、LTCC濾波器。
下面從三個(gè)方面來對國產(chǎn)濾波器進(jìn)行介紹：
SAW濾波器

1、工藝與技術(shù)
聲表面波濾波器（SAW Filter）是利用壓電陶瓷、鉭酸鋰（LiTaO₃）或鈮酸鋰（LiNbO₃）、石英等壓電石英晶體振蕩器材料的壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性制成的一種換能式無源帶通濾波器。
當(dāng)壓電基材選定之后，SAW濾波器的工作頻率則由IDT電極條寬度所決定，IDT電極條愈窄，頻率愈高。采用半導(dǎo)體0.35~0.42μm級的精細(xì)加工工藝，可制作出10M~2GHz的SAW濾波器。
在固態(tài)材料中，交替的機(jī)械形變會產(chǎn)生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲濾波器內(nèi)，對聲波進(jìn)行導(dǎo)限以產(chǎn)生極高品質(zhì)因數(shù)（Q值可達(dá)數(shù)千）的駐波（standing waves）。這些高Q值的諧振是聲濾波器的頻率選擇性和低損耗特性的基礎(chǔ)。
目前，國產(chǎn)濾波器選擇鉭酸鋰（LiTaO₃）或鈮酸鋰（LiNbO₃）材料來做壓電基板。
2、性能與產(chǎn)品
SAW濾波器的主要性能參數(shù)：中心頻率、通帶寬度（帶寬）、通帶波紋、阻帶抑制、矩形系數(shù)、群時(shí)延波動、插入損耗。
SAW濾波器有局限性。高于約1GHz時(shí)，其選擇性降低；在約2.5GHz，其使用僅限于對性能要求不高的應(yīng)用。SAW器件易受溫度變化的影響，一種替代方法是使用溫度補(bǔ)償（TC-SAW）濾波器。它是在IDT的結(jié)構(gòu)上另涂覆一層在溫度升高時(shí)剛度會加強(qiáng)的涂層，但由于溫度補(bǔ)償工藝需要加倍的掩模層，所以，TC-SAW濾波器更復(fù)雜、制造成本也更高，但仍比體聲波（BAW）濾波器便宜。
SAW濾波器又分為RX SAW濾波器、TX SAW濾波器、SAW雙工器、SAW四工器、TC-SAW濾波器等。
3、成本與模式
SAW所需基片材料價(jià)格較貴，對基片的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高，對基片結(jié)晶工藝苛刻和制造精度要求嚴(yán)。
SAW濾波器制作在晶圓上，可以低成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。SAW技術(shù)還支持將用于不同頻段的濾波器和雙工器整合在單一芯片上，且僅需很少或根本不需額外的工藝步驟。
SAW濾波器主流是IDM模式，也有少數(shù)廠家選擇代工模式。
BAW濾波器

1、工藝與技術(shù)
體聲波濾波器（BAW Filter）結(jié)構(gòu)有SMR(Solidly Mounted Resonator)和FBAR (membrane type和airgap type)。相比SAW filter, 聲波在BAW filter物體內(nèi)傳播(縱波或橫波)。Membrane Type是從襯底后面刻蝕到表面(也就是bottom electrode面)，形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity)。Airgap type在制作壓電層之前沉積一個(gè)輔助層(sacrificial support layer)，最后再把輔助層去掉，在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成air gap。
Qorvo做的是SMR結(jié)構(gòu)的BAW，博通做的是FBAR結(jié)構(gòu)的BAW，因此FBAR只是BAW的一種。BAW是工藝和技術(shù)，不是產(chǎn)品。BAW濾波器才是產(chǎn)品。
BAW filter更適合于2.5GHz以上的頻率，BAW filter的制造工藝也非常符合現(xiàn)有的IC制造工藝，適合和其他的有源電路做整體的工藝集成。在BAW濾波器大顯身手的高頻，其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(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu)。
BAW的生產(chǎn)工藝跟MEMS工藝很相似，F(xiàn)abless模式比做SAW濾波器更可行。
2、性能與產(chǎn)品
BAW濾波器相對SAW濾波器來說性能更好一些，Q值高，相位噪聲、體積小等。此外，即便在高寬帶設(shè)計(jì)中，BAW對溫度變化也不那么敏感，同時(shí)它還具有極低的損耗和非常陡峭的濾波器裙邊（filter skirt）。
而且，兩種類型BAW濾波器的聲能密度都很高、其結(jié)構(gòu)都能很好地導(dǎo)限聲波，它們的損耗都非常低。在微波頻率，BAW可實(shí)現(xiàn)的Q值、在可比體積下、比任何其它類型的濾波器都高，可達(dá)2500@2GHz。這使得它有極好的抑制和插入損耗性能。
所以，頻率較高時(shí)，如3GHz時(shí)，一般采用BAW濾波器，而當(dāng)頻率在1900MHz以下時(shí)，通常采用SAW濾波器就能夠滿足要求。
BAW濾波器分為RX/TX BAW濾波器、BAW雙工器、BAW四工器。
3、成本與模式
雖然BAW濾波器相對SAW濾波器來說性能更好，但加工起來更難，屬于超精細(xì)加工。BAW濾波器所需的制造工藝步驟是SAW濾波器的好幾倍，SAW濾波器一般是4英寸或6英寸晶圓，但BAW濾波器主流是8英寸晶圓，每片晶圓產(chǎn)出的BAW濾波器也多了約4倍。即便如此，BAW濾波器的成本仍高于SAW濾波器。
可以看出，相比SAW濾波器建產(chǎn)線，BAW濾波器投入要大很多，國內(nèi)做BAW濾波器，F(xiàn)abless模式是更好的選擇。
IPD濾波器

1、工藝與技術(shù)
IPD全稱為Integrated Passive Devices，是半導(dǎo)體無源器件技術(shù)，可以用來制作LC濾波電路，所制成的濾波器稱為IPD濾波器
一種集成LC低通濾波器制作工藝為通過光刻、金屬沉積、干法刻蝕、高溫氧化將電感和電容刻蝕在硅基板上，電感和電容之間通過引線孔光刻方式實(shí)現(xiàn)連接；利用通孔和PCB載板接合封裝。
另外還可以利用基于高電阻硅平臺的工藝實(shí)現(xiàn)高Q值集成無源器件(IPD)。
2、性能與產(chǎn)品
IPD的帶外抑制性能上不能跟SAW和BAW濾波器相比，可以用在對帶外抑制陡峭程度不高的場景，比如3GHz以上頻段。
3、成本與模式
基于不同的工藝平臺，成本也不一樣；由于制作工藝基于半導(dǎo)體工藝，需要制作光罩來生產(chǎn)，所以在量較少的情況下成本較高，在大規(guī)模批量生產(chǎn)時(shí)成本會明顯降低。
IPD濾波器不會有IDM模式，更多采用Fabless制作，或者作為IPD技術(shù)集成在其他芯片電路中。
LTCC濾波器

1、工藝與技術(shù)
LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）即低溫共燒結(jié)陶瓷，是1982年由美國休斯公司開發(fā)出的新型材料技術(shù)。LTCC是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)無源器件嵌入其中進(jìn)行疊壓，最后在1000℃以下進(jìn)行燒結(jié)，從而形成LTCC無源器件。
2、性能與產(chǎn)品
LTCC制成的濾波器包括帶通、高通和低通濾波器三種。頻率則從數(shù)10MHz直到5.8GHz。LTCC濾波器過渡帶可以做的很大，帶內(nèi)插損小，但與IPD濾波器相同，同樣無法做到帶外陡峭抑制。
3、成本與模式
成本是前面介紹的濾波器中最低的，都是IDM模式。因?yàn)楣に囅嘟饕亲鲭娙莸谋粍悠骷驹谧鯨TCC，加之LTCC工藝跟半導(dǎo)體工藝沒有什么關(guān)系，沒有代工模式一說。

世間萬物，蕓蕓眾生，不同來處，各自去處。把濾波器混為一談，很難理解和理清國產(chǎn)濾波器到底要何去何從。這幾種濾波器在工藝、生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)和成本上差異較大，無法殊途同歸。因此，不同工藝的濾波器就決定了各自的應(yīng)用和市場定位。
隨著5G的到來，射頻前端產(chǎn)業(yè)最大的受益者將是濾波器。濾波器產(chǎn)值占比從3G終端的33%提升到全網(wǎng)通LTE終端的54%，預(yù)計(jì)到2023年將提升至66%；SAW濾波器在4G和5G時(shí)代都會是最主要的濾波器。目前70%-80%的市場是SAW濾波器，20%-30%的市場是BAW濾波器和LTCC/IPD濾波器；5G疊加更多頻段，濾波器數(shù)量和高端化需求更高。5G時(shí)代，濾波器不僅數(shù)量大幅增加，而且會進(jìn)一步集成化和小型化。
下面介紹不同工藝濾波器的應(yīng)用和市場機(jī)會，濾波器主要應(yīng)用于無線通訊領(lǐng)域，包括智能手機(jī)、路由器、通信****、物聯(lián)網(wǎng)無線終端等。在這些應(yīng)用中，預(yù)估70%以上的濾波器應(yīng)用在智能手機(jī)市場。無線路由器的量不小，但需要用到濾波器的產(chǎn)品不多；通信****必須采用濾波器，但需求量不大；近距離物聯(lián)網(wǎng)無線終端市場碎片化，雖然總體量很大，但單個(gè)產(chǎn)品上可能不用濾波器，主芯片上集成了LC濾波電路；蜂窩物聯(lián)網(wǎng)市場所用濾波器與手機(jī)市場方案基本相同。
隨著智能手機(jī)支持的頻段數(shù)目不斷上升，每一個(gè)頻段需要自己的濾波器，因此濾波器的需求數(shù)量也在不斷上升。4G智能手機(jī)中需要用到的濾波器數(shù)量可達(dá)30余個(gè)。而到了 5G 時(shí)代，手機(jī)需要支持的頻段甚至?xí)_(dá)到 91個(gè)以上，由于一個(gè)頻段通常需要兩個(gè)濾波器，所以單部智能手機(jī)的濾波器使用量將超過百個(gè)。在5G手機(jī)中，SAW濾波器、BAW濾波器、LTCC濾波器的機(jī)會都在增多，但大部分的份額還是屬于SAW濾波器。
SAW濾波器

SAW濾波器由于成本適中，性能較好，應(yīng)用廣泛，成為濾波器的主體。SAW濾波器只能做帶通濾波器，而且是窄帶濾波器。
RX SAW濾波器幾乎適用于智能手機(jī)的所有接收頻段，TX SAW濾波器一般用于的頻段有n41、B41、B40、B1、B5、B7、B8、B39、B28。
TC-SAW濾波器用于頻段B2、B3、B28、B8。IHP-SAW濾波器是村田的高端特有工藝，由于手機(jī)旗艦機(jī)對濾波要求高，用來跟BAW濾波器來爭搶市場，應(yīng)用于頻段n41、B40、B41以及WiFi。
BAW濾波器

BAW濾波器也是跟SAW一樣，是窄帶帶通濾波器，一般應(yīng)用于高頻段。BAW濾波器成本高，但性能好，用于手機(jī)旗艦機(jī)的n41、B40、B3以及WiFi頻段。也很好地滿足了5G頻段n42、n52的需求。隨著手機(jī)開放4.9GHz頻段，為了防止5.8G WiFi頻段的信號干擾，也會采用BAW濾波器技術(shù)。
IPD濾波器

因其IPD技術(shù)和生產(chǎn)工藝本身的原因，IPD濾波器作為分立器件的存在的市場空間很小，更多是集成在芯片上。
在市場上，也有公司利用IPD技術(shù)做合路器、分頻器、帶通濾波器等，但不會成為主流應(yīng)用。
LTCC濾波器

LTCC濾波器可以做低通濾波器、高通濾波器、也可以作為帶通濾波器。由于LTCC濾波器沒有陡峭的濾波器裙邊（filter skirt），所以作為帶通濾波器只能應(yīng)用于比較獨(dú)立的頻段，或者跟其他頻段相隔比較遠(yuǎn)。
LTCC濾波器主要應(yīng)用于手機(jī)、Cat.1、NB-IoT、5G****和等消費(fèi)類電子。因?yàn)閷掝l，n77/78/79頻段只能采用LTCC濾波器。5.8G WiFi帶寬比較寬，一般采用LTCC濾波器，以后WiFi6 E，更只能采用LTCC濾波器。

了解了濾波器從哪里來，應(yīng)該到哪里去，國產(chǎn)濾波器的發(fā)展就有了方向和目標(biāo)。SAW和BAW濾波器涉及到聲學(xué)、電磁材料、半導(dǎo)體工藝，又緊密關(guān)聯(lián)到EDA、設(shè)計(jì)和封裝。做濾波器是一個(gè)完整的系統(tǒng)工程，這個(gè)系統(tǒng)工程又不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化流程，更多的是定制化。
由于個(gè)人對國產(chǎn)濾波器的盡調(diào)和認(rèn)知有一定的局限性，下面觀點(diǎn)不一定客觀正確，就當(dāng)一家之言，僅供參考。
1、市場錯(cuò)位競爭是國產(chǎn)濾波器的過渡階段
市場有一種說法：BAW濾波器搶SAW濾波器的市場。除了IHP-SAW濾波器在未來跟BAW濾波器會有一些競爭，理論上來講，不同工藝的濾波器是不會有競爭的。從成本上來看，BAW工藝是最貴的，SAW其次，LTCC最便宜。
不管如何，市場錯(cuò)位競爭只是國產(chǎn)濾波器的過渡階段，國產(chǎn)濾波器的發(fā)展需要這個(gè)階段。產(chǎn)品要驗(yàn)證，EDA要成熟，工藝要摸索和完善，技術(shù)要升級，必須通過產(chǎn)品在市場上跑起來，國產(chǎn)濾波器整個(gè)系統(tǒng)工程才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來和不斷優(yōu)化。
市場也有一個(gè)認(rèn)識和接受國產(chǎn)濾波器的過程，不能一開始就追求高性能，上高端產(chǎn)品。更不能認(rèn)為Q值高就是高端濾波器，Q值對實(shí)際濾波效果影響倒不大，濾波器中的Q表示品質(zhì)因數(shù)，定義Q=中心頻率÷濾波器帶寬。對于濾波器，Q值越高，意味著帶寬越窄；Q值越高，其頻率響應(yīng)的波形就顯得越尖銳。
2、國產(chǎn)濾波器因工藝而選擇不同運(yùn)營模式
選擇LTCC工藝來做濾波器，那就只有IDM模式。
選擇SAW工藝來做濾波器，有IDM模式和fabless模式，全球能做SAW濾波器代工的企業(yè)很少，聽到比較多是Wavetek、WIN、NJRC。但產(chǎn)能有限，工藝適應(yīng)難度大。濾波器的設(shè)計(jì)需要緊密配合材料和工藝，加上EDA需要跟工藝的PDK匹配起來，而濾波器沒有通用好使的EDA軟件，需要濾波器企業(yè)自己開發(fā)適合自己工藝的EDA軟件。所以對SAW濾波器，建自己的生產(chǎn)線是更好選擇。國內(nèi)SAW濾波器一般是4英寸線，據(jù)說40KKpcs/M產(chǎn)能，需要投資2億元，這是國內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司可以承受的。
另外，目前國內(nèi)SAW濾波器設(shè)計(jì)能力還比較低，產(chǎn)品都處于低端，這一塊的價(jià)格又殺的很厲害。沒有自己的生產(chǎn)線，成本上很難有競爭力。
而對于BAW濾波器就不一樣了，前面介紹過，BAW工藝比SAW工藝復(fù)雜很多，采用的MEMS制造工藝也非常符合現(xiàn)有的IC制造工藝。如果建設(shè)8英寸的MEMS工藝制造線，那資金投入將比SAW工藝高多了（SAW最大6英寸）。BAW的研發(fā)周期會比SAW更長，要規(guī)避的國外專利也更多，技術(shù)上需要很長時(shí)間去積累和突破。作為一個(gè)創(chuàng)業(yè)公司來說，沒有能力去維護(hù)一個(gè)工廠的運(yùn)營。所以，更理性地來看，國內(nèi)的BAW濾波器企業(yè)都集中到晶圓代工廠去調(diào)試工藝和產(chǎn)線，幫助晶圓廠工藝成熟，最后把EDA軟件也一起完善成熟，最后比拼的就是各自濾波器企業(yè)的設(shè)計(jì)能力。
3、對國產(chǎn)濾波器產(chǎn)業(yè)堅(jiān)守長期主義價(jià)值觀
在射頻前端里，最難做的就是濾波器。濾波器比PA難，PA比LNA難，LNA比開關(guān)難。PA難在設(shè)計(jì)上的不確定，需要根據(jù)每次的流片測試結(jié)果來修改電路和不斷調(diào)試。濾波器不僅在設(shè)計(jì)上不確定，在工藝上也不確定，不是設(shè)計(jì)上有多難，是不確定的地方太多，需要反復(fù)的摸索和修正。
這就導(dǎo)致每設(shè)計(jì)一款濾波器產(chǎn)品需要很長的時(shí)間，如果考慮到創(chuàng)新，繞過國外的專利版權(quán)，那時(shí)間就更長了。所以，要把國產(chǎn)濾波器做起來，必須要堅(jiān)守長期主義價(jià)值觀。

國產(chǎn)濾波器要做好，需要更多優(yōu)秀的專業(yè)人才參與其中。從EDA軟件開發(fā)，到濾波器設(shè)計(jì)，再到材料和工藝的研發(fā)，每一步都需要踏踏實(shí)實(shí)走下來。歡迎有志之士一起加入，改寫國產(chǎn)濾波器的未來。
前途是光明的，道路是曲折的。戒急戒躁，砥礪前行！