[原创] 国产滤波器何去何从
2021-09-27
14:00:04
来源: 半导体行业观察
最近滤波器很火，应各方要求，写一篇滤波器的文章，作为一个不是做滤波器的人来写滤波器，诚惶诚恐。
写作过程如有偏差，欢迎批评指正，及时学习修改，秉持客观公正，写好滤波器一系列文章。
滤波器，顾名思义是滤波的器件，滤波器是不是芯片？文中将作解释。常规来讲，滤波器划为无源被动器件。
射频滤波器是移动通信射频前端的核心部件之一，在无线通信、智能传感、物联网等领域具有极其广泛的应用前景。射频前端包括开关（switch）、低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、滤波器（Filter）。不同于PA用于信号发射放大，LNA用于信号接收放大，开关用来信号发射和接收切换。滤波器不仅用于信号接收滤波，也用于信号发射滤波，在射频前端器件中占据最大的份额，约50%。
国产射频开关和LNA封神了，国产射频PA站起来了，但国产滤波器还处在襁褓之中。从国产射频开关和PA看到了成功和机会，对国产滤波器的未来就有了信心和期待。
国产滤波器要成功，需要回答好一个问题：
国产滤波器从哪里来，到哪里去？
国产滤波器从哪里来
为了更好的理解滤波器，首先带大家了解国产滤波器从哪里来？国产滤波器主要来自：SAW滤波器、BAW滤波器、IPD滤波器、LTCC滤波器。
声表面波滤波器（SAW Filter）是利用压电陶瓷、钽酸锂（LiTaO
3
）或铌酸锂（LiNbO
3
）、石英等压电石英晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能式无源带通滤波器。
当压电基材选定之后，SAW滤波器的工作频率则由IDT电极条宽度所决定，IDT电极条愈窄，频率愈高。采用半导体0.35~0.42μm级的精细加工工艺，可制作出10M~2GHz的SAW滤波器。
在固态材料中，交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内，对声波进行导限以产生极高品质因数（Q值可达数千）的驻波（standing waves）。这些高Q值的谐振是声滤波器的频率选择性和低损耗特性的基础。
目前，国产滤波器选择钽酸锂（LiTaO
3
）或铌酸锂（LiNbO
3
）材料来做压电基板。
SAW滤波器的主要性能参数：中心频率、通带宽度（带宽）、通带波纹、阻带抑制、矩形系数、群时延波动、插入损耗。
SAW滤波器有局限性。高于约1GHz时，其选择性降低；在约2.5GHz，其使用仅限于对性能要求不高的应用。SAW器件易受温度变化的影响，一种替代方法是使用温度补偿（TC-SAW）滤波器。它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层，但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层，所以，TC-SAW滤波器更复杂、制造成本也更高，但仍比体声波（BAW）滤波器便宜。
SAW滤波器又分为RX SAW滤波器、TX SAW滤波器、SAW双工器、SAW四工器、TC-SAW滤波器等。
SAW所需基片材料价格较贵，对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高，对基片结晶工艺苛刻和制造精度要求严。
SAW滤波器制作在晶圆上，可以低成本进行批量生产。SAW技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上，且仅需很少或根本不需额外的工艺步骤。
SAW滤波器主流是IDM模式，也有少数厂家选择代工模式。
体声波滤波器（BAW Filter）结构有SMR(Solidly Mounted Resonator)和FBAR (membrane type和airgap type)。相比SAW filter, 声波在BAW filter物体内传播(纵波或横波)。Membrane Type是从衬底后面刻蚀到表面(也就是bottom electrode面)，形成悬浮的薄膜(thin film)和腔体(cavity)。Airgap type在制作压电层之前沉积一个辅助层(sacrificial support layer)，最后再把辅助层去掉，在震荡结构下方形成air gap。
Qorvo做的是SMR结构的BAW，博通做的是FBAR结构的BAW，因此FBAR只是BAW的一种。BAW是工艺和技术，不是产品。BAW滤波器才是产品。
BAW filter更适合于2.5GHz以上的频率，BAW filter的制造工艺也非常符合现有的IC制造工艺，适合和其他的有源电路做整体的工艺集成。在BAW滤波器大显身手的高频，其压电层的厚度必须在几微米量级，因此，要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。
BAW的生产工艺跟MEMS工艺很相似，Fabless模式比做SAW滤波器更可行。
BAW滤波器相对SAW滤波器来说性能更好一些，Q值高，相位噪声、体积小等。此外，即便在高宽带设计中，BAW对温度变化也不那么敏感，同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边（filter skirt）。
而且，两种类型BAW滤波器的声能密度都很高、其结构都能很好地导限声波，它们的损耗都非常低。在微波频率，BAW可实现的Q值、在可比体积下、比任何其它类型的滤波器都高，可达2500@2GHz。这使得它有极好的抑制和插入损耗性能。
所以，频率较高时，如3GHz时，一般采用BAW滤波器，而当频率在1900MHz以下时，通常采用SAW滤波器就能够满足要求。
BAW滤波器分为RX/TX BAW滤波器、BAW双工器、BAW四工器。
虽然BAW滤波器相对SAW滤波器来说性能更好，但加工起来更难，属于超精细加工。BAW滤波器所需的制造工艺步骤是SAW滤波器的好几倍，SAW滤波器一般是4英寸或6英寸晶圆，但BAW滤波器主流是8英寸晶圆，每片晶圆产出的BAW滤波器也多了约4倍。即便如此，BAW滤波器的成本仍高于SAW滤波器。
可以看出，相比SAW滤波器建产线，BAW滤波器投入要大很多，国内做BAW滤波器，Fabless模式是更好的选择。
IPD全称为Integrated Passive Devices，是半导体无源器件技术，可以用来制作LC滤波电路，所制成的滤波器称为IPD滤波器
一种集成LC低通滤波器制作工艺为通过光刻、金属沉积、干法刻蚀、高温氧化将电感和电容刻蚀在硅基板上，电感和电容之间通过引线孔光刻方式实现连接；利用通孔和PCB载板接合封装。
另外还可以利用基于高电阻硅平台的工艺实现高Q值集成无源器件(IPD)。
IPD的带外抑制性能上不能跟SAW和BAW滤波器相比，可以用在对带外抑制陡峭程度不高的场景，比如3GHz以上频段。
基于不同的工艺平台，成本也不一样；由于制作工艺基于半导体工艺，需要制作光罩来生产，所以在量较少的情况下成本较高，在大规模批量生产时成本会明显降低。
IPD滤波器不会有IDM模式，更多采用Fabless制作，或者作为IPD技术集成在其他芯片电路中。
LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）即低温共烧结陶瓷，是1982年由美国休斯公司开发出的新型材料技术。LTCC是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源器件嵌入其中进行叠压，最后在1000℃以下进行烧结，从而形成LTCC无源器件。
LTCC制成的滤波器包括带通、高通和低通滤波器三种。频率则从数10MHz直到5.8GHz。LTCC滤波器过渡带可以做的很大，带内插损小，但与IPD滤波器相同，同样无法做到带外陡峭抑制。
成本是前面介绍的滤波器中最低的，都是IDM模式。因为工艺相近，主要是做电容的被动器件公司在做LTCC，加之LTCC工艺跟半导体工艺没有什么关系，没有代工模式一说。
国产滤波器到哪里去
世间万物，芸芸众生，不同来处，各自去处。把滤波器混为一谈，很难理解和理清国产滤波器到底要何去何从。这几种滤波器在工艺、生产设备、技术和成本上差异较大，无法殊途同归。因此，不同工艺的滤波器就决定了各自的应用和市场定位。
随着5G的到来，射频前端产业最大的受益者将是滤波器。滤波器产值占比从3G终端的33%提升到全网通LTE终端的54%，预计到2023年将提升至66%；SAW滤波器在4G和5G时代都会是最主要的滤波器。目前70%-80%的市场是SAW滤波器，20%-30%的市场是BAW滤波器和LTCC/IPD滤波器；5G叠加更多频段，滤波器数量和高端化需求更高。5G时代，滤波器不仅数量大幅增加，而且会进一步集成化和小型化。
下面介绍不同工艺滤波器的应用和市场机会，滤波器主要应用于无线通讯领域，包括智能手机、路由器、通信基站、物联网无线终端等。在这些应用中，预估70%以上的滤波器应用在智能手机市场。无线路由器的量不小，但需要用到滤波器的产品不多；通信基站必须采用滤波器，但需求量不大；近距离物联网无线终端市场碎片化，虽然总体量很大，但单个产品上可能不用滤波器，主芯片上集成了LC滤波电路；蜂窝物联网市场所用滤波器与手机市场方案基本相同。
随着智能手机支持的频段数目不断上升，每一个频段需要自己的滤波器，因此滤波器的需求数量也在不断上升。4G智能手机中需要用到的滤波器数量可达30余个。而到了 5G 时代，手机需要支持的频段甚至会达到 91个以上，由于一个频段通常需要两个滤波器，所以单部智能手机的滤波器使用量将超过百个。在5G手机中，SAW滤波器、BAW滤波器、LTCC滤波器的机会都在增多，但大部分的份额还是属于SAW滤波器。
SAW滤波器由于成本适中，性能较好，应用广泛，成为滤波器的主体。SAW滤波器只能做带通滤波器，而且是窄带滤波器。
RX SAW滤波器几乎适用于智能手机的所有接收频段，TX SAW滤波器一般用于的频段有n41、B41、B40、B1、B5、B7、B8、B39、B28。
TC-SAW滤波器用于频段B2、B3、B28、B8。IHP-SAW滤波器是村田的高端特有工艺，由于手机旗舰机对滤波要求高，用来跟BAW滤波器来争抢市场，应用于频段n41、B40、B41以及WiFi。
BAW滤波器也是跟SAW一样，是窄带带通滤波器，一般应用于高频段。BAW滤波器成本高，但性能好，用于手机旗舰机的n41、B40、B3以及WiFi频段。也很好地满足了5G频段n42、n52的需求。随着手机开放4.9GHz频段，为了防止5.8G WiFi频段的信号干扰，也会采用BAW滤波器技术。
因其IPD技术和生产工艺本身的原因，IPD滤波器作为分立器件的存在的市场空间很小，更多是集成在芯片上。
在市场上，也有公司利用IPD技术做合路器、分频器、带通滤波器等，但不会成为主流应用。
LTCC滤波器可以做低通滤波器、高通滤波器、也可以作为带通滤波器。由于LTCC滤波器没有陡峭的滤波器裙边（filter skirt），所以作为带通滤波器只能应用于比较独立的频段，或者跟其他频段相隔比较远。
LTCC滤波器主要应用于手机、Cat.1、NB-IoT、5G基站和等消费类电子。因为宽频，n77/78/79频段只能采用LTCC滤波器。5.8G WiFi带宽比较宽，一般采用LTCC滤波器，以后WiFi6 E，更只能采用LTCC滤波器。
国产滤波器发展的几点思考
了解了滤波器从哪里来，应该到哪里去，国产滤波器的发展就有了方向和目标。SAW和BAW滤波器涉及到声学、电磁材料、半导体工艺，又紧密关联到EDA、设计和封装。做滤波器是一个完整的系统工程，这个系统工程又不是一个标准化流程，更多的是定制化。
由于个人对国产滤波器的尽调和认知有一定的局限性，下面观点不一定客观正确，就当一家之言，仅供参考。
市场有一种说法：BAW滤波器抢SAW滤波器的市场。除了IHP-SAW滤波器在未来跟BAW滤波器会有一些竞争，理论上来讲，不同工艺的滤波器是不会有竞争的。从成本上来看，BAW工艺是最贵的，SAW其次，LTCC最便宜。
不管如何，市场错位竞争只是国产滤波器的过渡阶段，国产滤波器的发展需要这个阶段。产品要验证，EDA要成熟，工艺要摸索和完善，技术要升级，必须通过产品在市场上跑起来，国产滤波器整个系统工程才能运转起来和不断优化。
市场也有一个认识和接受国产滤波器的过程，不能一开始就追求高性能，上高端产品。更不能认为Q值高就是高端滤波器，Q值对实际滤波效果影响倒不大，滤波器中的Q表示品质因数，定义Q=中心频率÷滤波器带宽。对于滤波器，Q值越高，意味着带宽越窄；Q值越高，其频率响应的波形就显得越尖锐。
选择SAW工艺来做滤波器，有IDM模式和fabless模式，全球能做SAW滤波器代工的企业很少，听到比较多是Wavetek、WIN、NJRC。但产能有限，工艺适应难度大。滤波器的设计需要紧密配合材料和工艺，加上EDA需要跟工艺的PDK匹配起来，而滤波器没有通用好使的EDA软件，需要滤波器企业自己开发适合自己工艺的EDA软件。所以对SAW滤波器，建自己的生产线是更好选择。国内SAW滤波器一般是4英寸线，据说40KKpcs/M产能，需要投资2亿元，这是国内创业公司可以承受的。
另外，目前国内SAW滤波器设计能力还比较低，产品都处于低端，这一块的价格又杀的很厉害。没有自己的生产线，成本上很难有竞争力。
而对于BAW滤波器就不一样了，前面介绍过，BAW工艺比SAW工艺复杂很多，采用的MEMS制造工艺也非常符合现有的IC制造工艺。如果建设8英寸的MEMS工艺制造线，那资金投入将比SAW工艺高多了（SAW最大6英寸）。BAW的研发周期会比SAW更长，要规避的国外专利也更多，技术上需要很长时间去积累和突破。作为一个创业公司来说，没有能力去维护一个工厂的运营。所以，更理性地来看，国内的BAW滤波器企业都集中到晶圆代工厂去调试工艺和产线，帮助晶圆厂工艺成熟，最后把EDA软件也一起完善成熟，最后比拼的就是各自滤波器企业的设计能力。
在射频前端里，最难做的就是滤波器。滤波器比PA难，PA比LNA难，LNA比开关难。PA难在设计上的不确定，需要根据每次的流片测试结果来修改电路和不断调试。滤波器不仅在设计上不确定，在工艺上也不确定，不是设计上有多难，是不确定的地方太多，需要反复的摸索和修正。
这就导致每设计一款滤波器产品需要很长的时间，如果考虑到创新，绕过国外的专利版权，那时间就更长了。所以，要把国产滤波器做起来，必须要坚守长期主义价值观。
结语
国产滤波器要做好，需要更多优秀的专业人才参与其中。从EDA软件开发，到滤波器设计，再到材料和工艺的研发，每一步都需要踏踏实实走下来。欢迎有志之士一起加入，改写国产滤波器的未来。
作者：
钟林，晋江三伍微电子有限公司
zhonglin@gsrmicro.com
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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