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射频前端兵家必争之地:滤波器

发表时间:2017/1/3  来源:半导体行业观察icbank  浏览次数:9157  
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随着移动设备功能越来越强大,支持的网络频段越来越多,射频前端模块成了移动设备中不可缺少的一部分。举例来说,一款较新的手机至少需要支持2G,3G,4G以及WiFi,GPS等网络制式,而每一个制式都需要自己的射频前端模块。射频前端模块一般包括天线开关,多路器,滤波器,功率放大器与低噪声放大器等等。这些器件目前仍无法用集成度最高的CMOS工艺制造,而必须使用特殊工艺以保证性能。
 
根据Mobile Expert LLC的研究报告,2016年在智能手机增长萎靡(9%)的情况下,射频前端模块的增长率仍达到了17%。而在射频前端模块中,未来发展最快的,也最关键的模块就是射频滤波器模块。
 
滤波器到底有多重要
 
随着无线通讯应用的发展,人们对于数据传输速度的要求也越来越高。在2G时代,只有一小部分人会使用手机上网下载铃声或浏览wap版网页,需要的数据率大约在1KB/s。在3G时代,随着智能手机的普及,使用运营商网络上网收发邮件,使用各种app等使得网络流量剧增,需要的数据率大约是50KB/s。到了4G时代的今天,直播等应用更是将手机通讯的带宽需求推向了一个新的高度,需要的数据率达到了1MB/s。
 
与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。这两个问题是相辅相成:由于频谱资源有限,为了满足人们对数据率的需求,必须充分利用频谱,因此一部手机必须能够覆盖很宽的频带范围,这样在人群拥挤的情况下不同人的设备才能够分配到足够的频谱带宽。同时,为了满足数据率的需求,从4G开始还使用了载波聚合技术,使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。
 
另一方面,为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率,通信协议变得越来越复杂,因此对于射频系统的各种性能也提出了严格的需求。
 
在射频前端模块中,射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除以以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。如前所述,随着通信协议越来越复杂,对于通讯协议对于频带内外的需求也越来越高,这也使得滤波器的设计越来愈有挑战性。另外,随着手机需要支持的频带数目不断上升,由于每一个频带有需要有自己的滤波器,因此一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。目前,一款4G手机中的需要用到的滤波器数量可达30余个。
 
随着射频滤波器变得越来越重要,各大射频前端厂商也在积极布局滤波器市场。在2014年,射频前端巨头RFMD和TriQuint合并成立Qorvo。Qorvo的高层James Klein在接受Compound Semiconductor采访时坦承,RFMD与合并的重要原因是因为TriQuint的滤波器技术,而且两家公司在合并后还在着力发展滤波器技术。Klein指出,“公司合并后,GaAs生产线存在产能过剩的问题,我们将逐渐减小产能以节省开支。
 
然而,在滤波器领域,我们不仅不会减少产能反而会加大投入。”与此同时,射频芯片龙头高通与日本滤波器大厂TDK也于2016年年初成立合资公司RF360,以布局射频滤波器市场。与之相应的是,各大行业研究结构也看好射频滤波器市场未来的发展。Technavio在研究报告中指出,射频滤波器市场2016-2020的年复合增长率可达15%,并且已经超越PA成为整个射频前端模块市场中最重要的组成部分。
 
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滤波器技术简介
 
射频滤波器最主要的指标包括品质因数Q和插入损耗。在目前的通讯协议中,不同频带间的频率差越来越小,因此需要非常好选择性,让通带内的信号通过并阻挡通带外的信号。Q越大,则滤波器可以实现越窄的通带带宽,也就是说可以实现较好的选择性。
 
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除了品质因数Q之外,插入损耗也是重要参数。插入损耗是指通带信号被滤波器的衰减,即信号功率损耗。插入损耗有1dB,则信号功率被衰减20%;当插入损耗到达3dB时,则信号功率被衰减了50%!在4G时代,信号功率放大并不简单,如果又有许多功率被浪费在滤波器上,则PA/LNA设计就更难了。
 
目前射频滤波器最主流的实现方式是SAW和BAW。SAW是声表面滤波器,利用压电效应 。当对晶体施以电压,晶体将发生机械形变,将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时,机械能又转换为电能。在晶体结构的两面形成电荷,使电流流过端子和/或形成端子间的电压。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。在声表面波滤波器内,声波在表面传播并形成驻波,其品质因数可达数千。
 
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SAW滤波器
 
然而,SAW滤波器也有自己的局限。SAW在1.5GHz以下使用非常合适,但是在工作频率超过1.5GHz时,SAW的Q值开始下降,到2.5GHz时,SAW的选择性已经只能用在一些要求比较低的场合。然而,目前的无线通讯协议已经早就工作大于2.5GHz的频段(例如4G TD-LTE的Band 41)等,这时候SAW就不够用了,必须使用体声波(BAW)滤波器。
 
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BAW滤波器不同于SAW滤波器,BAW滤波器内的声波垂直传播,贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励,使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。在>2.5GHz的频段,BAW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。
 
为了把声波的能量局限在滤波器体内,可以使用BAW-SMR技术或FBAR技术。BAW-SMR技术通过堆叠不同材质的薄层形成一个反射器,而FBAR技术则在有冤屈下方蚀刻出空腔以实现悬浮膜。
 
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BAW滤波器
 
BAW滤波器在高频段可实现低插入损耗和高Q值,成为高性能射频系统的首选。然而,BAW滤波器的成本目前还很高,这成为了限制BAW普及的重要因素。
 
滤波器的发展展望以及中国半导体业的机会
 
在未来,射频滤波器市场还将迎来更多增长。这是因为,随着4G的成熟和5G的来临,手机支持的频段数量正在上升。在 2012 年全球 3G 标准协会 3GPP 提出的 LTE R11 版本中,蜂窝通讯系统需要支持的频段增加到 41 个。
 
根据射频器件巨头 Skyworks 预测,到 2020 年, 5G 应用支持的频段数量将实现翻番,新增 50 个以上通信频段,全球 2G/3G/4G/5G 网络合计支持的频段将达到 91 个以上。对于一个频段而言,一般至少需要两个滤波器,因此手机频段数上升的直接结果就是手机中使用的射频滤波器数量上升,而手机中滤波器的成本也在日渐上升。
 
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无线频段数量的演变( 1999 年-2012 年)
 
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手机中滤波器成本(美元)演变
 
滤波器市场的前景可谓一片大好,但是滤波器仍然是射频前端中最具挑战性的模块。目前,射频前端中大部分器件的制造工艺都在渐渐成熟,如PA使用的GaAs,LNA和射频开关使用的RF SoI等等,整个射频前端的集成度也在越来越高。
 
然而,滤波器的设计和制造仍然非常困难,成为提高整体射频前端模块集成度的短板。在未来,射频前端的高度集成化是必然的发展方向,高度集成化的射频前端模组可以实现更低的成本,更高的性能,最关键的是可以给系统集成商提供turn-key方案。所以,谁在滤波器的制造和集成上发展最快,谁就能成为射频前端模块市场的主导者。与之相反,在滤波器领域技术落后的公司将在整个射频前端市场的竞争中渐渐落后。
 
目前, SAW 滤波器的主要供应商是 TDK-EPCOS 及 Murata,两者合计占有 60-70%市场份额; BAW 滤波器的主要供应商是 Avago 及 Qorvo,两者占有 90%以上市场份额。
 
对于中国企业,在滤波器领域的技术积累仍显薄弱,在 saw 滤波器领域,国内主要厂商包括以中电 26 所、中电德清华莹为代表的科研院所、无锡好达电子等厂商,科研院所的产品主要面向军用通信终端设备。而滤波器技术目前仍是公司甚至国家的核心技术。去年,天津大学教授张浩在美国被指控窃取FBAR BAW滤波器方面的商业机密而被美国方面控制,可见其重视程度。
 
对于中国企业来说,在滤波器行业必须踏踏实实进行技术积累。首先,中国必须有SAW/BAW滤波器的高质量加工厂。例如,对于SAW滤波器来说,SAW滤波器的工作频率由电极条宽度、压电材料性质所决定,电极条愈窄,频率愈高。采用半导体0.2~0.35μm级的精细加工工艺,可制作出2~3GHz的 SAW滤波器。
 
因此曝光设备和光刻技术是制作高频SAW滤波器的关键设备。另外利用传播更快的声表面波波动模式或传播速度更高的压电材料是提高滤波器工作频率的另一个手段。中国半导体企业需要在加工和材料技术上有自己的技术储备才能制造出出色的滤波器。
 
其次,中国必须有SAW/BAW滤波器设计人才储备。除了加工之外,如何设计SAW/BAW滤波器也是一个极其重要的因素。
 
目前中国SAW/BAW滤波器设计还有不少难点尚待突破,例如如何解决SAW滤波器的温度漂移问题(即在如何让SAW滤波器在不同温度时的频率响应尽量不变)。SAW/BAW滤波器的设计与制造工艺息息相关,设计必须紧密结合制造工艺进行,设计者也必须对于制造工艺有扎实的理解。
 
在目前,滤波器设计最好的模式还是IDM,设计和制造在同一家公司进行可以保证最优设计结果,而Fabless 的模式在滤波器技术发展尚不成熟的今天还不是一个最好的选择。
 
最后,滤波器设计必须考虑集成。在未来,射频前端集成化是必然的趋势,一家只提供滤波器的厂商很难在市场上找到位置,这也是为什么之前RFMD和TriQuint合并的理由之一。
 
一个理想的滤波器设计团队最好是一个射频前端公司的一个部门,而非自成一家,这样才能提供一体化的射频前端模块方案。为了提高集成度,中国半导体企业还必须大力发展封装技术。
 

目前,Qorvo等国外的射频前端巨头正在积极研发WLP等封装技术以提高射频前端的集成度,中国半导体企业也应当利用近来国内封装业的势头大力发展用于射频前端的封装技术。

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