声学滤波器(声波滤波器)

随着移动设备功能越来越强大，支持的网络频段越来越多，射频前端模块成为移动设备不可或缺的一部分。比如一款较新的手机，至少需要支持2G、3G、4G、WiFi、GPS等多种网络标准，每种标准都需要有自己的射频前端模块。射频前端模块一般包括天线开关、复用器、滤波器、功率放大器和低噪声放大器等。目前这些器件还不能用集成度最高的CMOS工艺制造，必须采用特殊工艺才能保证性能。

根据Mobile Expert LLC的研究报告，2016年，尽管智能手机增长低迷(9%)，但射频前端模块的增长率仍达到17%。在射频前端模块中，射频滤波器模块是未来发展最快也是最关键的模块。

过滤器有多重要？

随着无线通信应用的发展，人们对数据传输速度的要求越来越高。在2G时代，只有少部分人会用手机下载铃声或浏览wap页面，所需的数据速率在1KB/s左右，而在3G时代，随着智能手机的普及，使用运营商的网络收发邮件和各种app大大增加了网络流量，所需的数据速率在50 KB/s左右，而在4G时代，直播等应用将移动通信的带宽需求推到了一个新的高度，所需的数据速率达到了1MB/s。

与数据速率提升相对应的是频谱资源的高利用率和通信协议的复杂性。这两个问题是相辅相成的:由于频谱资源有限，为了满足人们对数据速率的需求，我们必须充分利用频谱，所以一部手机必须能够覆盖很宽的频段，这样才能在拥挤的情况下为不同人的设备分配足够的频谱带宽。同时，为了满足数据速率的需求，从4G开始就使用载波聚合技术，使得一个设备可以同时使用不同的载波频谱来传输数据。

另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输速率，通信协议变得越来越复杂，因此对射频系统的各项性能提出了严格的要求。

在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。可以滤除带外干扰和噪声，满足射频系统和通信协议对信噪比的要求。如上所述，随着通信协议的日益复杂，带内和带外通信协议的需求也在不断增加，这使得滤波器的设计越来越具有挑战性。另外，随着手机支持的频段越来越多，每个频段都需要有自己的滤波器，所以一部手机需要的滤波器数量也越来越多。目前一部4G手机需要30多个滤镜。

随着射频滤波器越来越重要，各大射频前端厂商都在积极布局滤波器市场。2014年，射频前端巨头RFMD和TriQuint合并成立Qorvo。Qorvo的高级经理James Klein在接受Compound Semiconductor采访时承认，RFMD和RFMD合并的重要原因是TriQuint的过滤技术，两家公司在合并后仍在努力开发过滤技术。克莱恩指出，“公司合并后，GaAs生产线存在产能过剩的问题，我们将逐步减少产能以节省资金。

但是，在过滤器领域，我们不会减少产能，而是增加投资。与此同时，射频芯片龙头高通与日本滤波器厂商TDK也于2016年初成立合资公司RF360，布局射频滤波器市场。相应的，各大行业的研究结构也对射频滤波器市场的未来发展持乐观态度。Technavio在研究报告中指出，2016-2020年射频滤波器市场年复合增长率可以达到15%，已经超越PA成为整个射频前端模块市场最重要的部分。

过滤技术简介

射频滤波器最重要的指标包括品质因数Q和插入损耗。在目前的通信协议中，不同频段之间的频率差越来越小，所以需要非常好的选择性，让通带内的信号通过，阻挡通带外的信号。Q越大，可以实现的滤波器通带带宽越窄，即可以实现更好的选择性。

除了品质因数Q，插入损耗也是一个重要的参数。插入损耗是指滤波器对通带信号的衰减，即信号功率损耗。如果插入损耗为1dB，信号功率衰减20%；当插入损耗达到3dB时，信号功率衰减50%！在4G时代，信号功率放大并不简单，如果大量功率浪费在滤波器上，PA/LNA设计将更加困难。

目前，声表面波和BAW是实现射频滤波器最常用的方法。SAW是一种声表面滤波器，它利用压电效应。当电压施加到晶体上时，晶体会发生机械变形，将电能转化为机械能。当晶体受到机械压缩或拉伸时，机械能转化为电能。电荷在晶体结构的两侧形成，使得电流流过端子和/或形成端子之间的电压。在固体材料中，交变的机械变形会产生速度为3000到12000米/秒的声波，在SAW滤波器中，声波在表面传播，形成驻波，其品质因数可达数千。

表面声波

然而，SAW滤波器有其自身的局限性。使用1.5GHz以下的SAW非常合适，但当工作频率超过1.5GHz时，SAW的Q值开始下降。当达到2.5GHz时，SAW的选择性只能用在一些要求不高的场合。然而，目前的无线通信协议已经工作在大于2.5GHz的频段(如4G TD-LTE的频段41)等。此时，SAW是不够的，必须使用体声波(BAW)滤波器。

BAW滤波器不同于声表面波滤波器。BAW滤波器中的声波垂直传播，嵌在应时基片上下两面的金属激发声波，使声波从顶面向底部反弹形成驻波。在2.5GHz的频带中，BAW压电层的厚度必须在几微米的数量级。因此，应该在载体衬底上使用薄膜沉积和微机械加工技术来实现谐振器结构。

为了限制声波在滤波器中的能量，可以使用BAW-SMR技术或FBAR技术。BAW-SMR技术通过堆叠不同材料的薄层来形成反射器，而FBAR技术在不公正的情况下蚀刻空腔来实现悬浮膜。

BAW滤波器

BAW滤波器可以在高频段实现低插入损耗和高Q值，是高性能射频系统的首选。然而，BAW滤波器的成本仍然很高，这成为限制BAW普及的重要因素。

滤波器的发展前景与中国半导体产业的机遇。

未来，RF滤波器市场将会有更大的增长。这是因为，随着4G的成熟和5G的到来，手机支持的频段越来越多。2012年，全球3G标准协会3GPP提出的LTE R11版本增加到蜂窝通信系统需要支持的41个频段。

根据射频设备巨头Skyworks的预测，到2020年，5G应用支持的频段数量将增加一倍，新增50多个通信频段，全球2G/3G/4G/5G网络支持的频段总数将达到91个以上。一般一个频段至少需要两个滤波器，所以频段增加的直接结果就是手机中使用的射频滤波器数量增加，手机中滤波器的成本也在增加。

无线频段数量的演变(1999 -2012)

手机过滤成本的演变(美元)

滤波器的市场前景是光明的，但滤波器仍然是射频前端中最具挑战性的模块。目前，大部分射频前端器件的制造技术正逐步走向成熟，如用于PA的GaAs、用于LNA的射频SoI和射频开关等。整个射频前端的集成度也越来越高。

但是滤波器的设计和制造仍然非常困难，成为提高整个射频前端模块集成度的短板。未来，射频前端的高集成度是必然的发展方向。高度集成的射频前端模块可以实现更低的成本和更高的性能，最重要的是为系统集成商提供交钥匙解决方案。因此，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的市场领导者。相反，在滤波器领域技术落后的公司，在整个射频前端市场的竞争中会逐渐落后。

目前，声表面波滤波器的主要供应商是TDK-EPCOS和村田公司，这两家公司共占有60-70%的市场份额；BAW过滤器的主要供应商是Avago和Qorvo，它们占据了90%以上的市场份额。

对于中国企业来说，在过滤器领域的技术积累还很薄弱。在saw滤波器领域，国内主要厂商有以中电26所为代表的研究所、中电德清华英、无锡豪达电子等厂商。研究所的产品主要是军用通信终端设备。目前，过滤技术仍然是公司乃至国家的核心技术。去年，天津大学教授章昊被指控在美国窃取FBAR BAW过滤器的商业秘密，并被美国控制，可见其重要性。

对于中国企业来说，需要在滤清器行业进行技术积累。首先，中国必须有一个高质量的SAW/BAW滤波器加工厂。例如，对于SAW滤波器，SAW滤波器的工作频率由电极条的宽度和压电材料的特性决定。电极带越窄，频率越高。采用0.2～0.35 μm半导体精细加工技术，可以制作2～3 GHz的声表面波滤波器。

因此，曝光设备和光刻技术是制作高频声表面波滤波器的关键设备。此外，使用传播更快的表面声波模式或压电材料是提高滤波器工作频率的另一种手段。中国半导体企业需要自己在工艺和材料技术上的技术储备，才能制造出优秀的滤波器。

其次，中国必须储备声表面波/BAW滤波器设计师。除了处理之外，如何设计SAW/BAW滤波器也是一个极其重要的因素。

目前国内SAW/BAW滤波器的设计还有很多难点需要解决，比如如何解决SAW滤波器的温度漂移(即如何在不同温度下保持SAW滤波器的频率响应不变)。声表面波/BAW滤波器的设计与制造工艺密切相关，设计者必须对制造工艺有扎实的了解。

目前，滤波器设计的最佳模式是IDM。在同一家公司进行设计和制造可以保证最好的设计结果，而在滤波器技术发展尚不成熟的今天，无厂模式并不是最好的选择。

最后，滤波器设计必须考虑集成度。未来射频前端的整合是必然趋势，一个只提供滤波器的厂商很难在市场上找到位置，这也是之前RFMD和TriQuint合并的原因之一。

理想的滤波器设计团队最好是射频前端公司的一个部门，而不是自己的，这样才能提供集成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。

目前国外射频前端巨头如Qorvo都在积极研发WLP等封装技术，提高射频前端的集成度。中国半导体企业也应该利用最近国内封装行业的优势，大力发展射频前端封装技术。

【转载】:转载仅限全文，应完整保留文章标题和内容。不得删除或添加内容绕过原有保护，文章开头必须注明:来自“半导体产业观察icbank”微信微信官方账号。谢谢您的合作！

【关于投稿】:欢迎半导体精英投稿。一旦被录用，他们将签署和出版。谢谢你的红包！请在投稿邮件标题中注明“投稿”，并在投稿中注明姓名、电话、单位、职务。欢迎添加我个人微信号MooreRen001或发送邮件至jyzhang@moore.ren点击阅读原文加入摩尔精英。