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。下面從三個方面來對國產(chǎn)濾波器進行介紹：
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。采用半導體0.35~0.42μm級的精細加工工藝，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)，對聲波進行導限以產(chǎn)生品質(zhì)因數(shù)（Q值可達數(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。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。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)、群時延波動、插入損耗。SAW濾波器有局限性。高于約1GHz時，其選擇性降低；在約2.5GHz，其使用于對性能要求不高的應用。SAW器件易受溫度變化的影響，一種替代方法是使用溫度補償（TC-SAW）濾波器。它是在IDT的結構上另涂覆一層在溫度升高時剛度會加強的涂層，但由于溫度補償工藝需要加倍的掩模層，所以，TC-SAW濾波器更復雜、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。SAW所需基片材料價格較貴，對基片的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高，對基片結晶工藝苛刻和制造精度要求嚴。SAW濾波器制作在晶圓上，可以低成本進行批量生產(chǎn)。SAW技術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。
體聲波濾波器（BAW Filter）結構有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輔助層(sacrificial support layer)，最后再把輔助層去掉，在震蕩結構下方形成air gap。Qorvo做的是SMR結構的BAW，博通做的是FBAR結構的BAW，因此FBAR只是BAW的一種。BAW是工藝和技術，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械加工技術實現(xiàn)諧振器結構。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。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，即便在高寬帶設計中，BAW對溫度變化也不那么敏感，同時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、其結構都能很好地導限聲波，它們的損耗都非常低。在微波頻率，BAW可實現(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2500@2GHz。這使得它有的抑制和插入損耗性能。所以，頻率較高時，如3GHz時，一般采用BAW濾波器，而當頻率在1900MHz以下時，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。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全稱為Integrated Passive Devices，是半導體無源器件技術，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現(xiàn)高Q值集成無源器件(IPD)。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。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技術集成在其他芯片電路中。
LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）即低溫共燒結陶瓷，是1982年由美國休斯公司開發(fā)出的新型材料技術。LTCC是將低溫燒結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、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源器件嵌入其中進行疊壓，最后在1000℃以下進行燒結，從而形成LTCC無源器件。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。成本是前面介紹的濾波器中的，都是IDM模式。因為工藝相近，主要是做電容的被動器件公司在做LTCC，加之LTCC工藝跟半導體工藝沒有什么關系，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)設備、技術和成本上差異較大，無法殊途同歸。因此，不同工藝的濾波器就決定了各自的應用和市場定位。隨著5G的到來，射頻前端產(chǎn)業(yè)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%，預計到2023年將提升至66%；SAW濾波器在4G和5G時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)量和化需求更高。5G時代，濾波器不僅數(shù)量大幅增加，而且會進一步集成化和小型化。下面介紹不同工藝濾波器的應用和市場機會，濾波器主要應用于無線通訊領域，包括智能手機、路由器、通信基站、物聯(lián)網(wǎng)無線終端等。在這些應用中，預估70%以上的濾波器應用在智能手機市場。無線路由器的量不小，但需要用到濾波器的產(chǎn)品不多；通信基站必須采用濾波器，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市場方案基本相同。隨著智能手機支持的頻段數(shù)目不斷上升，每一個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智能手機中需要用到的濾波器數(shù)量可達30余個。而到了 5G 時代，手機需要支持的頻段甚至會達到 91個以上，由于一個頻段通常需要兩個濾波器，所以單部智能手機的濾波器使用量將超過百個。在5G手機中，SAW濾波器、BAW濾波器、LTCC濾波器的機會都在增多，但大部分的份額還是屬于SAW濾波器。
SAW濾波器由于成本適中，性能較好，應用廣泛，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濾波器是村田的工藝，由于手機旗艦機對濾波要求高，用來跟BAW濾波器來爭搶市場，應用于頻段n41、B40、B41以及WiFi。
BAW濾波器也是跟SAW一樣，是窄帶帶通濾波器，一般應用于高頻段。BAW濾波器成本高，但性能好，用于手機旗艦機的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。
因其IPD技術和生產(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技術做合路器、分頻器、帶通濾波器等，但不會成為主流應用。
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用于比較獨立的頻段，或者跟其他頻段相隔比較遠。LTCC濾波器主要應用于手機、Cat.1、NB-IoT、5G基站和等消費類電子。因為寬頻，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，應該到哪里去，國產(chǎn)濾波器的發(fā)展就有了方向和目標。SAW和BAW濾波器涉及到聲學、電磁材料、半導體工藝，又緊密關聯(lián)到EDA、設計和封裝。做濾波器是一個完整的系統(tǒng)工程，這個系統(tǒng)工程又不是一個標準化流程，更多的是定制化。由于個人對國產(chǎn)濾波器的盡調(diào)和認知有一定的局限性，下面觀點不一定客觀正確，就當一家之言，僅供參考。1、市場錯位競爭是國產(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。不管如何，市場錯位競爭只是國產(chǎn)濾波器的過渡階段，國產(chǎn)濾波器的發(fā)展需要這個階段。產(chǎn)品要驗證，EDA要成熟，工藝要摸索和*，技術要升級，必須通過產(chǎn)品在市場上跑起來，國產(chǎn)濾波器整個系統(tǒng)工程才能運轉(zhuǎn)起來和不斷優(yōu)化。市場也有一個認識和接受國產(chǎn)濾波器的過程，不能一開始就追求高性能，上產(chǎn)品。更不能認為Q值高就是濾波器，Q值對實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營模式選擇SAW工藝來做濾波器，有IDM模式和fabless模式，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，工藝適應難度大。濾波器的設計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濾波器設計能力還比較低，產(chǎn)品都處于低端，這一塊的價格又殺的很厲害。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8英寸的MEMS工藝制造線，那資金投入將比SAW工藝高多了（SAW6英寸）。BAW的研發(fā)周期會比SAW更長，要規(guī)避的國外也更多，技術上需要很長時間去積累和突破。作為一個創(chuàng)業(yè)公司來說，沒有能力去維護一個工廠的運營。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*成熟，最后比拼的就是各自濾波器企業(yè)的設計能力。3、對國產(chǎn)濾波器產(chǎn)業(yè)堅守長期主義價值觀在射頻前端里，最難做的就是濾波器。濾波器比PA難，PA比LNA難，LNA比開關難。PA難在設計上的不確定，需要根據(jù)每次的流片測試結果來修改電路和不斷調(diào)試。濾波器不僅在設計上不確定，在工藝上也不確定，不是設計上有多難，是不確定的地方太多，需要反復的摸索和修正。這就導致每設計一款濾波器產(chǎn)品需要很長的時間，如果考慮到創(chuàng)新，繞過國外的版權，那時間就更長了。所以，要把國產(chǎn)濾波器做起來，必須要堅守長期主義價值觀。
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)，到濾波器設計，再到材料和工藝的研發(fā)，每一步都需要踏踏實實走下來。歡迎有志之士一起加入，改寫國產(chǎn)濾波器的未來。
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