5G射频滤波器国产化机遇解析

2020-08-17 14:01:03 来源: 半导体行业观察

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手机终端的通信模块主要由天线、射频前端模块、射频收发模块、基带信号处理等组成。 射频前端介于天线和射频收发模块之间，是移动智能终端产品的重要组成部分。射频前端器件主要包括滤波器(Filters)、低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、射频开关(RF Switch)、天线调谐开关(RF Antenna Switch)、双工器(duplexer)等。其中滤波器的功能是通过电容、电感、电阻等电学元件组合来将特定频率外的信号滤除，保留特定频段内的信号。

目前手机中常用的滤波器产品形态包括：

（1）声表面波滤波器(Saw Filter，Surface Acoustic Wave Filter)

（2）固贴式薄膜体声波滤波器(Baw Filter，SMR Bulk Acoustic Wave Filter)

（3）薄膜腔体谐振滤波器(Fbar，FilmBulk Acoustic Resonator)

（4）滤波器模组，如DiFEM(分集接受模组，集成射频开关和滤波器)、LFEM（集成射频开关、滤波器及LNA）、FeMid（集成开关、滤波器和双工器）、PaMid（集成多模式多频带PA和FeMid）

5G驱动下，射频前端市场到2023年超过2400亿元。 根据Yole数据，2017年全球射频前端市场规模约为150亿美金，预计到2023年射频前端产值将达到350亿美金（折合2434亿元）。其中，射频滤波器市场规模达225亿美金（折合1565亿元），PA市场规模达70亿美金，射频开关市场达30亿美金，射频Tuner市场达10亿美金，LNA市场达6亿美金，毫米波射频模组市场达4.2亿美金。

射频滤波器是射频领域最大的子行业

滤波器是射频前端各领域产值占比最高的产品，据Resonant数据，2020年滤波器占射频前端市场份额将达50%以上。 从射频前端使用滤波器的价值量来看，伴随着频段的增多，滤波器在射频前端价值量占比在扩大。根据Qorvo的预测，滤波器在射频器件中的重要性越来越明显，滤波器的价值占比也从3G终端的33%提升到全网通LTE终端的57%。据中国产业信息网预测，到5G时代，滤波器的应用量将进一步增加（特别是体声波滤波器），单台手机的滤波器价值将达到10美元以上。滤波器已经超越PA成为整个射频前端模块市场中最重要的组成部分。

另据Resonant数据，射频前端2020年市场规模约为220亿美元（折合1530亿元），滤波器市场规模约为150亿美元（折合1043亿元）。到2025年，射频前端市场规模将达到400亿美元，滤波器市场规模将达到280亿美元。

射频滤波器的主要技术路线

2.1 射频滤波器产品分为表声波、体声波两大技术方向

射频滤波器可分为表声波滤波器和体声波滤波器，其中表声波滤波器细分为Saw滤波器、TC-Saw、I.H.P-Saw（Incredible High Performance Saw）等。体声波滤波器细分为Baw、FBAR、XBAR滤波器等。

体声波滤波器适用频率显著高于表声波滤波器，其中，XBAR产品最高适用频率可达8GHz。而由Murata率先推出的IHP-Saw滤波器最高适用频率达3.5GHz，可与常规Baw滤波器高频性能相当。

三类主流射频滤波器：Saw、Baw-SMR、Fbar

声表面波滤波器（Saw Filter）

Saw是一种沿着固体表面传播的声波，一个基本的Saw滤波器是由压电材料和两个IDT(interdigital transducer)组成。IDT核心作用在能量转换，在输出端把接收的声波转变成电信号，在输入端把接收的电信号转变成声波。这种转变主要依赖中间的压电材料，压电材料的晶体受到外界压力时会发生形变，晶体内原子间距离发生变化，打破原来的正负电荷平衡，晶体表面产生电压，相反当晶体两端受到电压时，晶体也会发生形变。Saw滤波器常用的压电材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2。

当Saw滤波器工作时，输入端IDT接收电压信号使压电材料产生机械压力并以声波形式沿着表面传播，而垂直方向上的声波幅度快速衰落，输出端IDT接收水平方向的声波，并转换为电信号。叉指换能器（IDT）由输入及输出埠的IDT电极组成。当在输出埠外加电压时，输入端的IDT电极会产生逆压电效应，将电压讯号转换为声能讯号，激发表面声波，并在压电基板上传播。当表面声波传至输出埠的IDT电极时，输出端的IDT电极会产生正压电效应，将接收之声波还原为电压信号。

Saw的频率基本可以参考公式：F = V/λ，其中V是Saw的速率，大约为3100m/s，λ是IDT电极间距。从公式可以看出Saw滤波器的频率与IDT电极间距成反比，频率越高，IDT电极间距越小。在IDT小间距下，电流密度太大会导致电子迁移和发热问题，所以Saw滤波器不太适合2.5GHz以上的频率。Saw滤波器对温度变化也敏感，性能随温度升高而变差，温度升高时，基片材料的刚度变小，声波速度变小。

温度补偿滤波器(TC-SawFilter)就是为了改善滤波器的温度性能，在IDT上增加保护涂层改善其温度特性，使其在温度升高时，刚度增加，改善温度特性的同时也会使得滤波器成本上升。

体声波滤波器(Baw-SMR Filter)

与Saw滤波器不同，声波在Baw滤波器中是垂直传播的。Baw滤波器采用石英晶体作为基板，基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜， 压电薄膜在2GHz下的厚度只有2um，声波在压电层内震荡形成驻波，发生共振的频率由平板的厚度和电极的质量决定。为把声波留在压电层内震荡，震荡结构与外界环境必须有足够的隔离才能得到较小的插入损耗和较高的Q值。为防止声波进入基板层，在震荡结构下方增加布拉格反射层(Braggreflector)，把声波反射到压电层里面，这就是Baw-SMR(固体安装谐振器Baw)。

借助Baw技术，可以开发出异常陡峭过滤裙边的窄带滤波器。Baw滤波器的尺寸也随着频率的增加而缩小，对温度变化也不敏感，非常适合在高频(频率大于1.5GHz)下运用。Baw滤波器可以处理高达6GHz的频率，并可用于1.9GHz以上的许多新的LTE频段。Baw滤波器的工艺比Saw/TC-Saw复杂，价格也更昂贵。

薄膜腔体谐振滤波器(Fbar)

Fbar与之前的滤波器不同，采用硅底板，借助MEMS技术和薄膜技术制造而来，包含硅反面刻蚀型(Membrane type)和空气隙型(Airgap type)。 （1）硅反面刻蚀型，这种Fbar是基于MEMS的体硅（Si）微加工技术，将Si片反面刻蚀，在压电震荡堆的下表面形成空气—金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。此技术的缺点是由于大面积移除Si衬底，导致机械牢度降低。（2）空气隙型，这种Fbar是基于MEMS的表面微加工技术，在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气—金属交界面。

Fbar滤波器与Saw滤波器相比，具备高Q值，工作频率可高达10GHz，温度特性好，插入损耗小，高功率容量等优点。Fbar是目前唯一可以与RFIC和MMIC集成的射频滤波器解决方案，且能以更低的价格提供更佳的性能，具有非常强的市场竞争力。

Baw与Saw的比较

目前滤波器技术包括Saw滤波器及Baw滤波器两大技术方向。其中Saw滤波器包括普通Saw、TC-Saw、IHP Saw滤波器；Baw滤波器包括普通Baw滤波器、Fbar滤波器、XBAR滤波器。

Saw滤波器是当前消费电子产品大规模使用的滤波器元件，其成本和复杂程度较低，主要适用于低频段通讯。而Baw滤波器价格稍高，主要应用于高频段通讯。

比起Saw滤波器，Baw滤波器因其较高的工作频率和功率容量优势而得到广泛认可。其中，Saw滤波器较多应用在4G领域。而在5G时代，单晶及多晶Baw滤波器受到广泛应用。Baw滤波器的低功耗，高隔离度和CMOS兼容性使其成为射频通信领域的要器件。

总体而言，Baw滤波器的成本高于Saw滤波器，而温度敏感性、插入损耗特性以及频段和宽带表现方面，Baw滤波器性能则显著优于Saw滤波器。为解决温度漂移问题，TC-Saw可实现以较低的成本达到较高的温度稳定性，也被广泛应用于4G设备中。在5G时代，收到频率因素影响，Baw滤波器将更多地被应用于终端设备中。

目前， Saw滤波器主要应用场景为低频率频段，Baw滤波器则主要应用于高频率频段。 美国、欧洲目前对于高频率频段的应用更为频繁。

比起Saw滤波器，Baw滤波器因其较高的工作频率和功率容量优势而得到广泛认可。 各种滤波器技术可使用在军事、汽车等领域，其中，Saw滤波器较多应用在4G领域。而在5G时代，单晶及多晶Baw滤波器受到广泛应用。Baw滤波器的低功耗，高隔离度和CMOS兼容性使其成为RF通信领域的主要器件。

产业趋势一：高频化带来的技术变革

Saw 滤波器经历了普通Saw、TC-Saw、TF-Saw三个技术世代

不同种类的Saw滤波器晶模面积有所不同。TF-Saw滤波器晶模面积较低，TC-Saw滤波器晶模面积中等，而Saw滤波器的晶模面积较高。而TF-Saw滤波器晶模成本较高，TC-Saw和Saw滤波器晶模成本更低。

宽频带滤波应用以LTCC方案为主

LTCC(低温共烧陶瓷)滤波器可以满足更高频率和更宽带宽的5GNR应用需求。 LTCC滤波器的显著优点是尺寸小、性能优良、可靠性高、成本低，缺点是Q值低，非常适合更宽带宽和更高频率的应用。5G的发展伴随着更多更高的频段，同时也有更大带宽的需求，Saw和Baw滤波器已不能很好的满足5G对高频高带宽的需求，恰好LTCC滤波器具备相当宽松的裙边特性，可满足5G sub-6GHz中的频段n77、n78对宽带宽要求。且与Saw滤波器相比，LTCC具备更高的功率处理能力，正好满足5G sub-6标准中HPUE的要求。随着5G更大带宽的需求，在一定条件下需要使用适合大带宽的LTCC滤波器，5G发展的同时为LTCC滤波器带来发展机遇。

5G 时代，Baw滤波器渗透率不断攀升

Saw滤波器适用于低频段，Baw滤波器适用于高频段，2G/3G/4G时代，Saw滤波器凭借较低成本优势主导射频滤波器市场，占据射频滤波器市场大部分的市场份额。近些年来，通信技术的不断发展带动频带从低频向高频发展，在高频具有性能优势的Baw滤波器逐渐兴起，市场份额不断攀升。根据Yole预测数据显示，2015年，Baw(包括SMR和Fbar)滤波器的市场渗透率为30%，2019年Baw滤波器市场渗透率将达到44%。 5G时代来临，5G手机出货量和市场渗透率的提升将带动Baw滤波器市场渗透率的继续上升， Yole预测到2022年，Baw滤波器将占据射频滤波器市场61%的市场份额，成为滤波器市场的主流。

据Akoustis公司预测，2019年到2020年Fbar收入将由24.60亿美元增长至28.12亿美元，而Baw滤波器收入将从8.20亿美元增长至9.96亿美元。

市场占比：Baw升高，Saw下降

5G 典型候选频段主要包括 6GHz、15GHz、18GHz、28GHz、38GHz、45GHz、60GHz 和 72GHz 等，频段越高，信道传播路损越大。 高频通信，意味着Baw滤波器需求量将快速提升。

在高频通信领域，Baw被更加多的厂商所接受。 Baw滤波器内部的由两个金属电极夹着压电薄膜形成，声波在压电薄膜中垂直传播，形成大于2.5Ghz的驻波。Baw滤波器可实现高频段、低插入损耗和高Q值，是高性能射频系统的首选。目前某些手机中同时拥有2G、3G、4G、WIFI、蓝牙等通信制式，则可为了降低整体成本部分选择Saw滤波器，但在高频通信，尤其是未来5G要求的3Ghz以上的频谱时，则必须采用Baw滤波器。

目前市场上Saw和TC-Saw的使用率还较高， 其中，TC-Saw Bonded在2016年开始广泛应用，而TC-Saw Multi-Layer则在2017年开始投入应用。据智研咨询预测，2020年中国Saw滤波器产量仅为8亿元，而需求达到162亿元。产量不及需求量的10%。

WIFI 与LTE共存的频段以Baw滤波器方案为主

世界各地区对高频段滤波器的需求也不断上升，据TriQuint统计，北美、欧洲和日本市场对于TC-Saw和Baw滤波器的需求量均较大，需求频段多样。 中国也在逐步提升其Baw滤波器频段的需求。其中，全球各市场均对WIFI与LTE共存滤波器有一定需求。例如Band 7、Band 38、Band 40、Band41等频段中，WIFI网络与LTE网络的频段相近，为了隔离两者之间的干扰，往往需要使用高性能Baw滤波器。

以Qorvo为例，Baw滤波器的资本效益不断提升。 随着技术革新，滤波器尺寸不断减小，预计资金投入与产出比将在2020年降至50%左右。

Qorvo预测，Baw技术发展路径将以尺寸及频率为重点。 目前，Baw已从2017年的6至8寸晶圆缩小至Micro-Baw级别，实现微小化和高频化的技术更新，未来还将推出栈式谐振器等技术。

高端滤波器逐渐使用WLP封装替代CSP 封装形式

技术变化作为一个先行指标，能跟上技术变化的厂商有可能在下一轮新需求启动的时候率先抢占市场份额。

滤波器厂商目前已纷纷根据EPCOS的封装技术改进推出CSP封装技术，其体积小、重量轻，输出输入端口数增多，电性能也更好。但随着Saw器件向高频、小型化方向发展，尺寸更小的晶圆级封装技术（WLP）开始出现。采用WLP封装技术的Saw滤波器尺寸最小为0.8×0.6×0.3立方毫米，双工器尺寸最小为1.8×1.2×0.3立方毫米。单频器件WLP级封装面积为CSP级封装面积的50%，双工器尺寸相同。WLP封装工艺比CSP更为先进，采用3D光刻工艺，国外仅有日本TDK-EPCOS在2011年开始量产。

晶圆级封装直接在晶圆上进行大多数或是全部的封装测试程序，之后再进行切割(singulation)制成单颗组件，封装尺寸几乎与芯片相同，具备可靠性高、电磁兼容性好等优点。WLP封装兼具较小封装尺寸与较佳电性表现的优势，目前多用于低脚数消费性IC的封装应用。

产业趋势二：5G时代，射频滤波器价值量大幅扩张

5G 各类新增应用放量时间节奏

5G时代，射频前端技术的低频应用场景包括农业、实时翻译等，高频应用场景包括无人驾驶、云计算等，不同数据传输速度下，应用场景也有较大区别。 在这样丰富的应用场景下，射频前端价值将大大增加。

香农定律指引无线通信技术演进方向

5G技术实现信息传送速率的进一步加快。 提到信息传送速率，自然离不开香农定理：C = (M/N)*BW*log2(1+SINR)。其中，C为最大信息传送速率，BW为带宽，SINR为信噪比，M为传输和接收的天线数量，1/N为基站网络的密度。5G的核心技术就是通过增加基站密度、采用MIMO和载波聚合技术、提高带宽、高阶调制以提高频率效率来提高M/N、BW、SINR，进而提高最大信息传送速率。

受益于5G手机换机潮，射频滤波器需求量即将迎来新一轮增长。 近年来，全球智能手机总出货量趋于平稳，但出货结构有所变化。2010年4G商用开始，2011至2014年，4G手机出货量CAGR达200%。2020年5G商用开始，预计5G手机出货量迎来高速增长。Air Standard预测，到2025年5G Sub-6GHz手机出货量将达5.42亿部，年复合增长率达69%，mmWave 5G手机出货量将达7900万部，年复合增长率达64%，5G手机的市场渗透率不断攀升，到2025年，5G手机市场渗透率达28.99%。5G智能手机的单机所需射频滤波器的数量高于非5G手机，5G手机市场渗透率的不断攀升将加速射频滤波器市场需求的增长。

5G 频段大幅增加

5G通信技术发展带来频段增加。 5G网络的部署采用的频段有两种：FR1和FR2。FR1是低频段Sub-6GHz，频率范围是450MHz-6GHz，特征是传输距离远、覆盖面积大；FR2是高频段，也就是毫米波，频率范围是24.25GHz-52.60GHz，特点是传输速度快，容量大，但覆盖面积有限。5GNR除了覆盖部分LTE频段外，同时还新增了N77、N78、N79、N257、N258、N260、N261频段。

Qorvo预测，在2020年，随着5G发展，射频PCB尺寸将大幅减小35%，RF通路数量上升至300以上，带通滤波器需求数量也较4G、LTE时代大大增长。与此同时，传输信号最大带宽将达100MHz。

据Yole预测，在2022年，应用于5G产品的射频前端器件价值将达51.4亿美元，而应用于2G、3G、4G以及LTE的射频前端器件价值保持原有水平，射频前端整体价值稳步上涨。

单部手机射频价值量变化

随着5G的到来，更多频段和技术带来了相应射频前端单机价值量增长迅速，作为射频前端最大业务板块，未来滤波器价值量迅速扩张。 据Yole预测，2020年单台高端4G手机的射频前端芯片价值量高达16.35美元，而Sub-6Ghz 5G手机和mmWave 5G手机价值则为32美元和38.5美元。

5G智能手机单机射频前端价值量相比非5G手机高得多。 5G时代的到来，智能手机需要接收更多频段的射频信号，为保证手机的性能，单机射频前端价值量也不断上升。据Yole预测，5G低频段智能手机射频芯片价值量达32美元，毫米波手机单机射频芯片价值达38.5美元，而高端4G智能手机单机射频芯片价值量才16.35美元，5G模式下射频前端芯片的价值量相对于5G模式下的射频前端芯片增长了大约一倍。而Skyworks则预测，5G手机射频前端价值量为25美元，远高于18美元的4G手机射频前端价值量。其中，5G手机滤波器数量将从4G手机中的40颗上升至70颗。

3G、4G手机射频价值量构成中，滤波器也占到了较大比重。在全国漫游LTE设备中，总滤波器价值量达7.15美元，高于PA、开关价值量，也比典型3G手机中射频滤波器总价值量高出数倍。

手机的主要频段及滤波器ASP

随着从4G到5G的发展和技术的进步，射频元件在手机中占用的比重越来越高，Saw滤波器的在手机产品上的应用的市场前景一片光明。 目前国内手机产品主要采用Saw滤波器，1814双工器，1411-1109的单滤波器，1814-1511的二合一滤波器都是市场上主流的封装。其中双工器主要朝 1612封装尺寸发展，主流的单滤波器的尺寸是1411-1109。以MTK手机为例，单个手机中射频前端芯片MT6177中的滤波器用量大约为30至40只。未来5G要实现全球通需支持90多个频段，意味着需要用到的滤波器多达上百个。

单个芯片用料及其价值如下表所示，预估以MTK手机射频前端芯片MT6177的价值约在5.7美元至12.8美元不等。未来，5G进步要求滤波器更小型化，以便单台手机中搭载更多滤波器，滤波器单机价值也将显著提升。

产业趋势三：射频模组化

射频前端正朝着集成化、模组化方向发展。 受5G核心技术特征影响，手机内部射频器件数量不断提升，频段的增加和载波聚合的应用，分离式射频器件已经无法满足要求，为满足智能移动终端的消费需求，射频器件模组化发展已成趋势。射频模组化可以带来一下优势：（1）解决多频段带来的射频复杂性挑战；（2）缩小射频元件的体积；（3）提供全球载波聚合模块化平台等。

SIP（系统级封装）广泛应用于手机射频前端集成模组化发展。 SIP是将多种功能的芯片集中封装到一个系统内，得出具备一定功能得单个封装标准件。SIP技术可以将10~15个射频器件（开关、滤波器、PA、LNA等）封装在一起。

射频模组化方向发展已成趋势，未来射频模组市场规模稳步上升。 根据Yole统计与预测，2018年射频模组市场规模达105亿美元，约占射频前端市场总量的70%，到2025年，射频模组市场的规模将达177亿美元，年复合增长率为8%。2018年分立器件市场规模为45亿美元，占射频前端市场容量的30%，预计到2025年分立器件市场规模将达81亿美元。

射频模组的主要集成方案

5G推动射频前端模组得集成度越来越高，未来AIP（封装天线）有望成为主流形式。 4G通讯模组分为天线、射频前端、收发器和数据机等四个主要的SIP模组。5G Sub-6GHz预计继续延用4G时代结构模组，射频模组也将走向高度整合，射频前端模块将由分立器件，转向更高度整合模组型的FEMID和PAMID形式。5G毫米波的短波长的特性，使得天线面积形状得以大幅缩小，加上要处理高频讯号损失、讯号干扰屏蔽不连续性、应力、散热、电磁干扰、小型化、模组化等问题，如何缩短天线信号接收至晶片信号处理间路径成为关键，因此，将射频处理晶片、天线、与各射频元件以先进封装方式整合到同一载板上成为解决方案。AIP封装形式将成为5G射频模组的重要发展趋势。

下图展示了中国射频模组化的两种类别。 左图为PAMiD模组示意图，即双工器中的功率放大器模组，主要供应商包括Broadcom、Skyworks以及Qorvo。右图为射频前端模组FEMiD，主要供应商包括Murata、RF360以及Wisol。PAMiD属于高集成度产品，主要集成了多模多频的PA、RF开关以及滤波器等，FEMiD属于中度集成产品，主要集成了开关和滤波器等。

射频模组化有利于减小射频模块面积

当前支持多模式多波段(MMMB)的LTE智能手机有包含收发器和天线的非常复杂的前端。 对于智能手机公司来说，在小型的智能手机里分散地生产和安装许多滤波器、双工器、开关、PAs、匹配电路等都相当困难。一些供应商都开始生产了前端模块(FEMs)。目前，＜1毫米厚的多芯片模组（MCM） FEMs包括：前端模组(开关+双工/滤波器)、内置PA模组(开关+PAs+双工/滤波器)、分集模组(开关+LNAs+滤波器)、WIFI/BT/FM模组(部分内置晶体)、GPS模组(部分内置LNA、滤波器、TCXO)。

为了支持这些模组的变化，Saw/Baw滤波器/双工器封装也向到芯片级封装(CSP)、晶片级芯片级封装(WLCSP)和晶片级封装(WLP)发展了。

从Qorvo看射频模组化趋势

Qorvo公司今年积极推进射频产品模组化。 下图为Qorvo的PAMiD模块中配备的Baw滤波器。IPhone X中也采用了Qorvo的PAMiD，主要集成了多模多频的PA、RF开关以及滤波器等。

Qorvo公司的Phase 2/5/6/7趋势处于持续整合之中，不仅覆盖高、中、低频率，更增加了Div&MIMO吞吐率以及5G sub-6GHz频段的射频前端部件。

同时，Qorvo在5G射频前端中的自屏蔽模组也不断加大了高中低频率覆盖，增加了Div&MIMO吞吐率和5G sub-6GHz频段。外置机械屏蔽罩可能导致灵敏度下降，Qorvo在搭载于Vivo NEX手机中的射频前端中加大了屏蔽罩的开口以提高灵敏度/可靠性。仿真结果表明，屏蔽罩中产生的表面电流可以将射频耦合入L-PAMiD的敏感LNA部分。

滤波器在射频前端应用时还能够整合为双工器、三工器、四工器，甚至是六工器，这类设备统称为多路复用器。 多路复用器能够在满足性能要求的同时节省空间、简化设计，同时还能避免频段间的相互干扰。

射频前端中双工器的主要作用是将发射和接收信号隔离，保证接收和发射都能同时正常工作。 一般双工器由六个阻带滤波器（陷波器）组成，各谐振于发射和接收频率。六个滤波器分为两组不同频率的阻带滤波器，避免本机发射信号传输到接收机。接收端滤波器谐振于发射频率，并防止发射功率串入接收机，发射端滤波器谐振于接收频率。类似的，三工器由三台滤波器组成，共用一个节点，其通带加载和隔离目标与双工器相同。

主要手机厂商的射频模组化比例

国外手机厂商射频模组化进程领先于国内手机厂商。 以主要终端设备制造商划分，目前苹果公司在器件集成领域独占鳌头，其产品主要为高端及豪华产品。三星在器件集成方面位居世界第二，其产品分布涵盖入门级、中端、高端及奢华产品。LG、小米和索尼在器件集成方面进步速度飞快，主要集中于中低端产品，而华为目前在器件集成上只能达到50%的集成级别，VIVO及其他国产机型集成度更低。

射频模组市场格局

目前，国外手机厂商在射频模组化市场中占据较大先发优势，各大厂商已为5G订立模组化方案及布局产品线。 Broadcom已提前为5G做好充分准备，融合中高频段，并借助Fbar滤波器技术构建高频和超高频主要关键模块。Skyworks新发布的Sky5TM平台定位5G超高频段市场，并已构建模组。Qorvo在并购中吸收了TriQuint的滤波器优势，率先推出超高频段覆盖的前端模块的播放器，同时集成了内部测试能力和包装能力，可以缩短反应时间并持续改进。Murata则涵盖低频段，发展多样性模块市场。高通带来了调制解调器到天线的端到端解决方案。上述厂商不仅供应元器件还具有模组整合能力，将在集中度很高的市场中进一步确立优势。

国际从业者一直致力于射频前端的集成化和模块化， 如高通RF360方案；Murata将滤波器、RF开关、匹配电路等一体化的模块；Qorvo RF Fusion解决方案等。据Resonant预测，2018~2019年，全球各大厂商中，Murata在模组业务上增长最强劲，增长率高达54.10%。而Qorvo模组业务则下降21.40%。2019年，Skyworks和Murata牢牢占据射频模组龙头，市场占比分别为27%和25%，Broadcom占比达到22%。目前国产Saw滤波器芯片还难以纳入集成模块，跟不上射频前端集成模组化的发展趋势。

射频模组化趋势下，有望掀起新一轮并购整合潮

射频模组化发展促使射频厂商提高产业链集中度，行业内横向并购成为趋势 。过去十年，半导体产业的整体发展趋势是并购以谋求产业链整合、优化，以及利用规模优势获取更多的市场话语权、更低的制造成本。经历了数次收购和兼并之后，市场上已存在四家具备完整前端模块生产能力的厂家，那就是博通、高通、Skyworks和Qorvo。

为占领市场份额和取得先进技术，Qorvo、Broadcom等企业经历了频繁的兼并。Qorvo前身为注重Baw-SMR滤波器研发的TriQuint和专长Saw滤波器研发的RFMD，Skyworks则收购了松下滤波器部门，Broadcom于2015年被Avago收购，成立新Broadcom公司。

射频滤波器产业的行业格局与壁垒

滤波器产值持续增长

从2G手机到5G手机，射频滤波器用量由个位数增至100颗以上，产量与价值齐升。 Resonant预测，随着射频前端市场由4G时代的160亿美元增至2025年的400亿美元，射频滤波器市场总价值也将于2025年达到280亿美元。滤波器市场是射频前端市场中发展最快的市场，其年复合增长率达到21%。

据Yole预测，到2021年，滤波器6寸晶圆出货量将达到约518万片，而到2022年，滤波器6寸晶圆出货量将小幅上升至约532万片。

5G智能手机兴起带动智能手机单机所需射频滤波器数量上升。 为实现5G在EMBB(增强移动宽带)、URLLC(低时延高可靠)、MMTC(海量大连接)三大场景的应用，射频前端器件的需求量也要相应提高，频段增加和载波聚合技术的应用使得传统的多模多频模组已经无法满足要求，射频模组PAMID逐渐成为主流，天线数量的增加同时带来对滤波器的需求增加。根据Skyworks分析估计，单部手机滤波器数量将从4G时代的40个上升到5G时代的70个。

全球主要手机品牌的射频供应链

全球主流手机终端中，射频部件供应商比较统一。目前，Qorvo、Skyworks和Murata等厂商占据了手机PA模组、接收模组及各分立部件中的巨大市场份额。华为、三星、苹果及小米都在其射频前端中采用上述企业供应的产品。在其他类型手机终端中，MicroWave、RDA等国外厂商以及汉天下、国民技术等中国厂商也占据小部分市场份额。但国内厂商尚不具备模组化产品供应能力，主要提供分立部件，分立部件从业厂商众多，市场竞争激烈。

国际知名厂商优势显著。 苹果、华为、三星、OPPO以及小米旗舰产品中主要器件的供应商为Qorvo和Skyworks，分别占比32%和21%。

在Yole总结的17款低端至高端智能手机中，高通、Qorvo、Skyworks以及Murata等厂商占比较高。在低端机型中，高通较有竞争力，其产品在手机终端中所占面积比例较高。在高端机型，尤其是苹果机型中Skyworks和Maxscend提供的射频器件占比较高。

从供应商成本角度来看，Qorvo、高通、Skyworks、Maxscend等知名厂商占了射频器件成本的较高比例。其中，高通仍为低端机型中配置较多的射频器件供应商，而Qorvo的产品分布在所有机型中。高端机型中，Skyworks、Maxscend以及Samsung的器件更受青睐。

滤波器的供应格局

根据Resonant数据，在2020年，射频前端芯片市场规模估计为150亿美元。 射频前端市场的领导者之一是Murata公司，占据四分之一的市场份额，主要依靠其滤波器占领龙头地位。 在滤波器市场中，2020年60%以上的滤波器都是基于Saw技术，包括Saw滤波器、TC-Saw滤波器和TF-Saw滤波器。对于普通的Saw滤波器而言，有数家亚洲公司参与该市场，比如WISOL和Kyocera。对于TC-Saw来说，市场主要由四家公司占领。其中两个是Skyworks和Qorvo。另外两家公司已经将TF-Saw技术引入他们的投产品组合，分别是Murata公司在2019年引入和高通公司在2020年引入。

压电滤波器技术由部分龙头垄断，Saw及TC-Saw滤波器领域，高通、Qorvo、Murata、Skyworks等企业竞争激烈。而在Baw滤波器领域，各企业尚未形成完全的产品分布。Murata在Baw-Xbar技术上布局较多。

但是滤波器市场格局相对集中。 根据 Yole 数据，2018 年全球 Saw 滤波器市场份额前五位的厂商分别为Murata(47%)、 TDK(21%)、 TaiyoYuden(14%)、 Skyworks(9%)、Qorvo(4%)，合计占比达95%。Baw/Fbar市场基本被 Broadcom、Qorvo垄断。其中Broadcom 的 Baw 滤波器主要为 Fbar，而 Qorvo 的 Baw 滤波器主要为SMR。2016 年，Broadcom 的 Fbar 产品出货突破 5 亿颗。Murata、TDK和太阳诱电等日本厂商主要为Saw滤波器供应商。而Avago、Qorvo等美国厂商则集中在Baw滤波器，据Murata统计数据称，Murata占据了2015年全球Saw滤波器市场规模的47%。而Baw滤波器市场中前二大厂商占据几乎全球超过95%以上的份额。出现这样的格局主要由于滤波器市场具有较高的进入门槛，阻挡了小厂商的发展壮大。

在滤波器市场中，射频前端龙头企业Murata占较大市场份额，市场占比达38%；RF360占全球滤波器市场的25%，WISOL占市场份额的11%，Qorvo、博通、Skyworks以及太阳诱电等企业则占市场份额的6%或7%。从双工器市场来看，Murata仍占最大市场份额，市场占比达35%。博通市场占比达20%，而RF360的市场份额达12%。

回顾滤波器行业，过去十年竞争格局十分稳固。 全球主要滤波器厂商集聚日本与美国，Saw滤波器供应商主要为Murata、TDK、太阳诱电、Skyworks等几家厂商。而体声波滤波器则为Broadcom（Avago收购Broadcom，改名为新Broadcom）以及Qorvo主导，两家厂商占据全球超过95%以上份额，其中Broadcom的体声波滤波器主要为Fbar，而Qorvo的体声波滤波器主要为Baw。

Saw滤波器市场份额主要由日本厂商占领，其中Murata连续近10年占领近半数市场份额。 与Avago合并的Broadcom牢牢把握体声波滤波器市场，在2019年占到市场总额的87%。2006至2014年，Avago稳稳占据体声波滤波器收入市场份额的50%以上，太阳诱电等日本企业也通过自主创新等方式提升体声波滤波器的技术能力。

据Murata数据，2011年至2019年，Murata、Broadcom、Qorvo（TriQuint和RFMD）等企业稳固占据领先地位。上述企业牢牢把握技术领先优势，站在行业技术前端，在小型化、高频化和模组化方面都领先于其他企业，如Murata率先在2019年推出了世界上最小的Saw双工器。

Murata 占据FeMid市场龙头地位

从FEMiD市场来看，Murata仍然独占鳌头， 市场占比达77%。RF360和WISOL在FEMiD产品上则分别占9%和10%。

IDM为射频滤波器主要运营模式

半导体行业有三种主要的商业模式，即IDM模式、Fabless模式、Fablite模式。IDM企业包括设计和制造两个环节；Fabless企业只专注于集成电路设计；Fablite则指企业的一部分业务采用IDM模式，另一部分不具备规模经济效应的产品线采用 Fabless模式。

IDM模式集芯片设计、芯片制造、封装测试等多个环节于一身，能够充分协同设计和制造等多个环节，且对于企业的实验和推进技术很有帮助。但由于这种模式需要的管理成本和运营费用较高，极少有企业能够维持这种模式。

IDM成为当前射频滤波器行业主导模式。 射频厂商生产模式可以分为IDM、Fabless、Foundry、OSAT四种。射频前端非常注重制造工艺和材料，所以，射频厂商需要通过优化产线上的工艺来保障产品的性能稳定和控制成本，目前Skyworks、Broadcom、Qorvo、Qualcomm这四大巨头均为IDM厂商。

滤波器市场被海外垄断的背后在于专利的集中

射频滤波器市场格局高度集中的背后原因在于专利的壁垒。 如今Murata（村田）和TaiyoYuden（太阳诱电）等日本厂商在Saw专利申请数量方面处于领先地位，而Qorvo、Qualcomm（高通）和Broadcom（博通）等美国厂商则在体声波滤波器专利领域处于领先地位。某领域专利的数量标志在该领域技术掌握程度，村田和太阳诱电在Saw滤波器专利申请数量的领先奠定了其在Saw市场的垄断地位，同样Qorvo和Broadcom在体声波滤波器专利数量上遥遥领先。

截至2017年7月，全球630多位专利申请人共申请了6550多项射频声波滤波器发明专利。KnowMade预测2017年单年专利数将达240项。在全球射频专利中，Saw滤波器相关专利数量最多。而体声波滤波器中，Fbar滤波器的专利数明显高于Baw-SMR滤波器专利数。相关专利的申请始于上世纪70年代的日本，当时兴起的声表面波滤波器主要用于中频电视。2000年左右，随着智能手机的兴起，体声波滤波器开始应用于3G手机通信，跟体声波相关的专利申请数量迅速上升。

科技行业不同于传统行业，技术起着关键作用。在传统制造业，供需是最核心的因素，供需的变化及优势往往决定了行业的前景。而科技行业，创新是永恒的旋律，跟得上创新节奏的公司能够获得跨越式发展。

射频滤波器创新曲线在2010年后趋于平缓。 Web of Science网站中，以“射频前端”为关键词检索的相关论文，被引用量排行前十的主要为2005年以前的文章。2005年以后射频前端领域高引用论文数量较少。一定程度上体现了近十年来射频前端领域创新的变缓。

射频巨头通过并购扩展技术能力

滤波器生产线投资金额一般较大。 以国内厂商卓胜微为例，其高端射频滤波器芯片及模组研发和产业化项目的总投资金额为22.74亿元。

而国外各厂商在滤波器领域积累深厚，生产线更完善，产能也更高。 以Qorvo为例，Qorvo及其前身——TriQuint和RFMD公司均以并购方式提升滤波器产能。TriQuint在2001年Sawtek合并，而2004年收购了擅长于Baw技术的TFRTechnologies公司，通过连续并购Qorvo强化其射频滤波器技术能力。高通斥资30亿美元与TDK合资挺进滤波器市场。而Broadcom也从收购了英飞凌的体声波业务，扩大体声波滤波器市场份额。

行业领先厂商不仅在Saw、Baw及Fbar滤波器领域具有较强的技术积累的核心的工艺和专利，也对射频前端各个环节积极布局。 例如Qorvo、Broadcom和Murata均布局了射频模组产品。Qorvo由于拥有自己的工厂，在生产和封装方面具有丰富经验，开发出了创新的封装技术，集性能稳定、外观小巧、性价比高、极低功耗等优势于一身。

全球各厂商先后多次在滤波器领域提高产能，扩产的驱动原因主要是移动通信的技术迭代和消费电子的兴起。如日本企业Murata、太阳诱电等纷纷在2014年前后扩充滤波器产能，以适应快速兴起的4G、LTE以及增长的4G手机零部件需求。而从2017年起至今，5G和IoT进展飞快，Qorvo、高通等国际知名厂商均通过收购、建厂等方式扩充滤波器产能，试图在5G时代中抢占先机。

国际射频巨头盈利能力如何

射频前端行业现有格局呈现出Broadcom、Skyworks、Qorvo、Murata、RF360五强垄断的特征。

在智能手机射频前端滤波器领域，尤其是体声波滤波器领域， Broadcom是市场领导者。 据Yole分析，滤波器成为助推MEMS市场的最强劲引擎，如果不包括射频器件，MEMS市场在2011-2023年间增长率仅为9%；若再加上RF MEMS，则整个MEMS市场的年复合成长率达到17.5%。2017年，由于在体声波滤波器领域的优异表现，Broadcom成为全球MEMS领域最大的供应商。2015年，Avago与Broadcom合并，奠定了行业领先的滤波器技术基础，在收购英飞凌体声波业务后体声波滤波器市场份额扩大至 65%以上。据金智创新数据显示，2016年，Broadcom的Fbar滤波器出货量突破5亿颗。2019年中旬，苹果与Broadcom签订两年的射频前端订单，以应对5G手机需求。受到疫情影响，博通2020年第一季度业绩略逊于预期。

Murata是全球Saw滤波器龙头，在2012年~2016年间，受益于苹果供应链、智能手机通信模块增长、压电器件需求景气等影响，Murata营收增长明显。从2003~2018年，Murata营业收入年复合增长率达到8.66%。Murata在2019财年业绩相对下滑，公司营业利润率同比下降5.1%，主要是由于客户与代理商存在库存调整，产品用途广泛性降低，整体出现萎缩。在通讯设备领域，5G智能手机和基站推动MLCC和射频滤波器及模块需求增长，Murata仍保持增长态势，2019年营收同比上升4.1%。2020年初，由于疫情缘故，Murata于菲律宾、马来西亚的代工厂以及日本的福井雄、出云和福山代工厂均经历停产，目前虽已大部分恢复生产，但仍将对2020财年营收造成影响。

Baw和SOI等核心技术搭配公司差异化的解决方案，扩大了Qorvo的收入，其基于Baw推出的天线接收器和分集接收模块等产品都带来了广阔的增长机会。Qorvo在2020第一季度的销售额也超越了竞争对手Skyworks，销售额的增长主要依靠5G增量在基站和手机对于射频器件需求不断增长。Qorvo在2019年收购了4家公司以扩充其产品线。

Skyworks作为行业内的龙头企业，销售额同比2019Q1下降了5.4%，主要原因是新冠疫情导致中国市场需求下降。在各细项指标上，Skyworks依然延续了稳健高效的运营风格，毛利率依然保持在高位49.0%，净利率达到了23.6%。Skyworks的销售额增长大多依靠公司产品线的高效运营和内生增长而非并购。

2020年第一季度Skyworks与Qorvo净利率均出现一定程度下滑，推测由于疫情导致复工进度减缓。毛利率上，两公司差别较小，而净利率上，Skyworks的净利率远高于Qorvo。

Broadcom是射频方面的领导企业，在收购英飞凌体声波业务后扩大了 Baw 滤波器市场份额。

射频滤波器为寡头垄断市场，关注国产替代机会

射频滤波器国产化率仅为低个位数，替代空间广阔

我国国内滤波器市场严重供小于求，国产量与需求量相差甚远。 我国是全球最大的Saw滤波器市场，据智研咨询数据统计，2018年Saw滤波器市场规模达到了154.8亿元，同比增长4.97%，消费量为151.2亿只，而产量只有5.04亿只，国产Saw的产量长期以来都不及需求量的10%。

国产替代趋势下，国内射频滤波器厂商迎来发展机遇。 及时抓住需求变化契机、率先匹配需求的厂商往往能够获得早期参与优势，在市场上脱颖而出，快速崛起。国内一批厂商也在迅速崛起，占领国内滤波器市场。由于中美关系的影响，国内射频芯片去美效应凸显。与国际领先企业相比，国内厂商在自主研发能力、技术水平、完整的产业链等核心竞争力方面明显落后，目前本土厂商提供的产品主要集中于分立器件，并逐步向中高端模组渗透。

在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用，国际射频巨头早期通过收购夯实滤波器技术基础。 国际巨头Qorvo由 RFMD和TriQuint合并而来，其中合并的重要原因就是TriQuint具备滤波器技术，且合并后Qorvo仍在着力发展滤波器技术。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。目前Murata也积极投入Baw和Fbar滤波器的研发中。国际龙头将主力精力集中在高频段Baw滤波器市场，而中低频Saw技术进展比较缓慢，也就成为了国产替代的重点领域。

在国内的射频前端领域中，深耕滤波器产业多年的企业包括好达电子、中电26所、德清华莹、中电55所等。目前卓胜微、信维通信和麦捷科技在saw滤波器领域的进展相对较快，其中麦捷科技与中电26所展开合作，信维通信与德清华莹展开合作。在体声波滤波器领域，天津诺思、汉天下、开元通信等国内厂商进展较快。诺思的高功率容量体声波滤波器应用于基站领域，汉天下则已推出全频段N41滤波器在内的多款滤波器产品。

麦捷科技在滤波器方面的技术有着坚实的积累，也率先抢占了市场，在上市前就对Saw器件等产品相关技术进行了研究。在麦捷科技IPO募投实施研发中心建设项目中，建立了Saw器件的设计与工艺制作研发部。目前麦捷科技已掌握了终端射频Saw滤波器产品技术和生产工艺，部分产品已实现导入客户并开始量产交付，而Fbar和Baw类滤波器也在研发试制阶段。目前公司基于 LTCC 基板的终端射频声表滤波器（Saw）封装工艺开发与生产项目正逐步放量出货，2019年实现营业收入3,332.62万元。

国内目前在Baw/Fbar滤波器领域已有部分领军企业成功突围射频前端领域的国外巨头的技术封锁，研制出具有自主知识产权的滤波器芯片产品。例如诺思(天津)微系统、开元通信、华芯、以及中科汉天下等厂商。

诺思微系统是中国首家体声波生产企业，是专注于Fbar滤波器的IDM模式的厂商，拥有亚洲首座具有完全知识产权的Fbar晶圆厂。2020年5月，诺思发布了基于Fbar工艺的两款中高频LTE频段双工器，RSFD1702C及RSFD2502C。

开元通信基于自主掌握的相关领域核心技术，已发布8英寸BAW滤波器系列产品。其中，应用于4G+/5G的全频段B41 BAW滤波器为国产芯片性能最优、可靠性最高，目前已通过行业内全面验证并量产出货。

开元通信通过在工艺、封装、设计等领域的自主创新，形成了具有高度竞争力和独特差异化的全套自主知识产权。基于自身的fablite经营模式，可提供技术覆盖全面、产品形态多样、产能充沛、高性能的射频前端滤波器及模组产品，为产业提供全面且可靠的滤波解决方案。2019年8月，开元通信推出了“矽力豹”品牌系列5G n41 BAW滤波器芯片产品，是目前国内唯一量产的8英寸BAW产品。2020年3月，发布了“蜂鸟”射频前端子品牌——高集成度、小型化、性能可靠、价格实惠的本土第一款使用先进封装工艺并量产的DiFEM接收模组产品。2020年8月，开元推出了国内首个量产的FEMiD射频发射模组产品，以满足5G客户对发射模组的各类需求。

中科汉天下是国内率先全面掌握Baw滤波器量产技术的公司，拥有关于Baw滤波器、谐振器的多项核心技术。2019年推出了适配5G技术的一些滤波器产品，包括全频段N41滤波器在内的多款产品。

华为在射频的布局

华为积极布局射频，加速国产射频滤波器替代。 华为除了自主研发射频PA、开关等射频产品以外，在滤波器领域通过股权投资方式积极拓展资源。2019年4月，华为成立哈勃科技投资有限公司，陆续投资了山东天岳等10家企业。2020年1月，哈勃投资入股好达电子。好达电子是滤波器出货量行业领先的本土射频厂商，其主要产品包括中频声表滤波器（Saw）、声表谐振器、双工器及其它射频滤波器等。

附录

· 桥本研也——Saw滤波器学术泰斗

桥本研也，日本千叶大学教授，IEEEFellow，日本学术振兴会弾性波元件技术第150委员会委员长。桥本教授分别于1978年3月和1980年3月获得日本千叶大学学士和硕士学位，1989年5月获得东京理工大学博士学位；1980年4月至1989年3月在日本千叶大学任助教，1989年4月至2005年3月在日本千叶大学任副教授，2005年4月至今在日本千叶大学任教授。桥本教授长期从事射频声表面波器件研究，取得了一系列杰出成果。

桥本研也于1956年3月2日出生于日本福岛。他分别于1978年和1980年在日本千叶大学取得电子工程的理学学士和理学硕士学位，并于1989年毕业于日本东京工业大学。他于1980年加入千叶大学，任副教授，现为教授。2013到2015年间，他担任千叶大学前沿科学中心主任。1998年，任芬兰赫尔辛基理工大学客座教授。在1998/1999年的冬天，他是法国CNRS的实验室的访问科学家。1999年和2001年，他是奥地利林茨的约翰内斯开普勒大学的客座教授。2005/2006年，中国科学院声学研究所客座科学家。2009-2012年，他在中国成都电子科技大学担任客座教授。自2015年以来，他一直是上海交通大学的客座教授。

2001年，他担任IEEE Transactions on MTT特刊《无线通讯用微波声波装置》的客座编辑，并担任2002年及2015年IEEE国际超声波研讨会的宣传联席主席。他被任命为IEEE MTT协会演讲局的成员。从2005年到2006年，他还担任国际著名协会IEEE UFFC的讲师。2007年到2009年以及从2014年到2016年，他担任IEEE UFFC协会管理委员会（ADCOM）的成员。从2007年到2009年，他担任IEEE ED学会讲师。2011年，他担任IEEE ED学会合作主席。2018年，他也担任了IEEE国际超声学座谈会的合作主席。2015年，他获得了新技术发展基金会颁发的“市村工业奖”，以表彰他为射频表面声波设备开发的最佳基片42-LT。作为IEC TC49/WG10的核心研发专家，他研究了长达7年时间。作为项目负责人，他对压电锯齿和Baw滤波器的三个国际标准的制定做出了重要贡献。2018年，他的“高性能射频Saw设备研究”获得了文部科学大臣对科学技术的表彰。在2019年，他出色的研究、服务、责任感和领导力获得IEEE 2019 UFFC杰出服务奖，他还在UFFC-学会担任多个职务，包括两届IEEE国际超声学研讨会的主席、国际知名讲师、AdCom会员等。

他目前的研究兴趣包括各种高性能表面和体声波器件的仿真和设计、声波传感器和执行器、压电材料和射频电路及系统设计。桥本博士是IEEE的会员，同时也是日本电子、信息和通信工程师学会、日本电气工程师学会和日本声学学会的成员。

桥本研也研究了广泛应用于移动通信设备的频率范围内的高性能声波器件。 作为一名Saw滤波器设备的专家，他的各种研究项目正在与世界各地的院校和行业进行强有力的合作。

· 射频滤波器的基础材料

钽酸锂（LiTaO3,简称 LT）和铌酸锂（LiNbO3,简称 LN） 晶体是十分重要的多功能晶体材料，可以作为压电晶片材料，具有优异的热电、压电、光电等性能，广泛用于制造Saw滤波器和Baw滤波器。铌酸锂晶体是一种多功能晶体，能够实现非临界相位匹配，具有良好的非线性光学性质，其非线性光学系数较大。铌酸锂晶体作为压电晶体，可以应用于制作中低频Saw 滤波器，大功率耐高温的超声换能器等。它也是一种电光晶体，也是重要的光波导材料。

钽酸锂晶体也是一种具有很高应用价值的多功能材料。LiTaO3晶体居里点高于 600℃，化学性能稳定高（不溶与水），不易出现退极化现象，探测率优值高，介电损耗低，是热释电红外探测器应用材料的最佳选择。过抛光的 LT 晶片具有良好的机电耦合、温度系数等综合性能，被广泛用于滤波器、谐振器、换能器等电子通讯器件的制造，也可以用于制造高频声表面波器件，并应用在对讲机、手机、航空航天、卫星通讯等许多高端通讯领域。

近几年，LT和LN衬底材料的市场需求量以每年 50%的速度在增长，而目前的供应商基本都集中在日本等国外。

生产规模较大的企业包括住友金属矿山，且住友进行了大举扩产，公司 2014 年 12 月 18 日宣布将增产使用于智能手机Saw滤波器芯片的 LT/LN 基板。但LT/LN基板需求持续扩大，Saw滤波器厂商仍纷份提出要该公司进行增产的要求。当时住友金属矿山计划投下约 40 亿日元，除将进一步扩增旗下子公司“住矿国富电子”的 LT/LN 基板产能之外，也将在上述新设LT/LN 基板生产设备，将LT/LN 基板月产能规划中的 21 万片扩增至 30 万片的规模。增产工程于2015 年 4 月动工、并在 2016年10月完工。

台湾地区生产LT/LN基板的厂商有兆远。国内从事钽酸锂和铌酸锂的公司有中电 26 所、天通股份等。

· Saw 滤波器主要工艺过程

制造Saw滤波器首先要选择的是使用哪种基材。对于基材，首先要对晶体进行取向和切割。传播方向确保了声波表面的传播完全限制在垂直于晶片平面的表面上。同时，可以通过使用金属或通过蚀刻到晶片中来实现用于形成IDT和镜面结构。接下来，利用铝金属化工艺进行铝沉积。与其他金属相比，铝相对容易蚀刻，价格便宜，并且加工工具校准得很好。在CVC蒸发器中可以完成铝蒸发工艺，该工具将衬底抽真空至约0.4µTorr的高真空水平，并使用了钨篮。为了准确预测金属厚度对器件操作的影响，金属的目标厚度应小于IDT间距的1％。因此，铝层的目标厚度为1500Å。铝沉积在晶片的背面，以便为后续处理期间积累的任何电荷提供接地路径，而溅射技术等其他沉积技术倾向于将衬底加热到高温，这可能会使晶片破碎。在铝沉积之后，需要光刻步骤以掩蔽晶片以进行蚀刻。这一步首先要将光刻胶进行热处理，随后利用CEE旋涂机进行旋涂。为了使晶片曝光以产生期望的图案，将掩模对准晶片是至关重要的，因此必须对晶片平面进行对准。随后，对晶片进行曝光和显影。下一步是将晶片浸入铝湿法蚀刻溶液中。每个IDT都有很多指对，一处短路会导致设备工作不正常。因此，确保蚀刻完成至关重要。随后将晶片进行去离子中水级联冲洗5分钟。检查确认从晶片上去除了光刻胶后，便可以测试设备。

（1）原理

Saw滤波器的基本结构包括具有压电特性的基片材料抛光面以及两个声电换能器——叉指换能器(IDT)。Saw滤波器的制备通常采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，再利用光刻方法把设计两个IDT的掩膜图案沉积在基片表面，分别用作输入换能器和输出换能器。由此，输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。

Saw滤波器的工艺和主流技术方面有很高的要求，滤波器生产中的主流工艺流程包括清洗、镀膜、光刻、腐蚀和封装工艺等。目前日本企业，如富士通、三洋电器等少数几家掌握压电基片生产技术的制造商垄断了Saw滤波器市场。Saw滤波器微型化、高可靠、低成本和集成化是大势所趋，跨越工艺技术门槛是中国企业实现国产替代化的关键所在。

（2）压电基板材料

压电（piezoelectricityor piezoelectric effect）一词来源于希腊语piezein，表示施加压力，这种效应在1880年由两位法国物理学家Pierre和Paul-Jacques Curie发现。压电效应是指，某些晶体受到外部压力时会产生电压，而如果某些晶体两面存在电压，晶体形状会轻微变形。普通晶体的原子或分子在三维空间内排列得很有规律，而且隔一段距离重复着基本组成单元。大部分晶体的基本组成单元原子排列是对称的，不管有没有外部压力，基本单元里的净电偶极子始终是零。而压电晶体则相反，原子排列是不对称的。

压电晶体原子排列虽然不对称，但正电荷会和附近负电荷相互抵消，所以整体的晶体不带电。当晶体受到压力时外形会变化，一些原子间距离会变化，打乱了原来保持的平衡，出现净电荷，晶体表面出现正电荷或负电荷。这种现象称为压电效应。相反地，晶体两端加电压时原子受到电压影响，为了保持电荷的平衡，原子来回震动使压电晶体形状轻微变形。这种现象称为反压电效应（reverse-piezoelectric effect）。

Saw滤波器应用的压电衬底是各向异性的晶体结构，其中衬底内部的每个单个晶体都具有自己的极性。在多晶材料中，各个微晶的不同极性可能会相互抵消，但是通过应用铁电极化过程，即在将材料暴露于强电场的同时加热材料，可以使材料的单个极性对齐，并且材料整体将显示压电效应，就像其单个微晶一样。

Saw 滤波器常用的压电材料包括LiTaO3、SiO2、LiNbO3等。在输入IDT交叉排列的电极之间，交流电压经过压电材料产生压力，并以表面声波的形式沿着表面传播，而在垂直方向上Saw幅度快速衰落。右边的IDT接收表面声波，输出电信号。中间部分的屏障可影响输入端和输出端之间的耦合。Saw滤波器也可以呈现串并联组合。

虽然所有的Saw传感器都需要压电晶体材料，不同传感器的应用场景需要不同的压电晶体材料。如果该设备对温度要求高，则需要具有高温度系数的材料来增加对温度变化的敏感性。一般用于手机终端中的Saw滤波器希望使用具有低温度系数的材料，以最大程度地减少由于温度变化引起的不良影响。基板的温度系数不仅取决于所使用的材料，还取决于材料的晶体取向或切割。切割和材料也会影响机械形式和电磁形式之间能量转换效率的基板耦合系数。

Saw 滤波器的性能通常随着温度升高变差。 如今室内滤波器所承受的平均温度为 25 摄氏度，而各种终端设备中的滤波器所承受的平均温度可达 60 摄氏度或更高，鲨鱼鳍或车顶中嵌入的滤波器所承受的温度甚至更高。滤波器的温度越高，就越难过滤掉特定频率，信号因而就越有可能“漂移”至相邻频段。5G时代，新分配的很多频段与现有频段十分接近，管理温度漂移便显得尤为重要。TC(temperaturecompensated)-Saw滤波器能够有效改善温度性能，它在IDT上增加了保护涂层。普通的Saw滤波器频率温度系数大约在-45ppm/oC左右，而TC-Saw大约-15到-25ppm/oC。增加涂层的工艺比较复杂，成本也有所增加。

TC-Saw滤波器广泛应用在手机终端中。三星的美国版Galaxy S7集成了Murata公司生产的RF前端模组FAJ15，该模组主要针对LTE低频段，由几颗滤波器芯片组装在陶瓷基底上。其组装的Saw滤波器包括STD-Saw（标准Saw）和TC-Saw（热补偿Saw）两种。TC-Saw技术主要应用在Band8 LTE双工器上，因为其频段要求非常低的热漂移。

从形态上划分，Saw滤波器也有较多种类，包括空气桥状、指状组合型等。

（3）叉指换能器材料

用于IDT的金属的选择也趋于特定于应用，尽管通常需要低电阻，因为这通常会使转导过程更有效。金属与金属的粘合强度以及金属的沸点（决定可用沉积工艺的类型）也是重要的因素，而成本也是如此。下表比较了常见IDT材料的这些特性：

（4）制造过程

Saw滤波器通常在石英、铌酸锂或钎钛酸铅等晶体基片基础上，使用半导体工艺完成制造。这样的生产方式决定了Saw滤波器具有很高的生产难度。下图显示了Saw滤波器的两种制备过程，分别为蚀刻工艺和剥离工艺。生产过程中通常使用光刻胶掩模来辅助这两个过程。根据滤波器的应用和配置，可能需要其他处理。

蚀刻工艺是在清洗干净的压电基板上沉积IDT金属层，然后旋涂上光刻胶剂，并进行前烘。利用光刻淹膜法进行曝光，随后进行显影、漂洗和后烘，并利用电子束蚀刻暴露的IDT金属层。蚀刻方法为各向异性干法或湿法蚀刻。最后，将光刻胶去除即可。

剥离工艺则是在清洗干净的压电基板上沉积IDT金属层，然后旋涂上剥离工艺特用的光刻胶剂，利用光刻淹膜法进行曝光，随后进行显影、漂洗和后烘，再沉积IDT金属层。最后，将光刻胶去除即可。

压电层沉积是滤波器制造的关键工序。压电层要求晶粒C轴方向完全一致，否则会严重降低压电耦合因子和品质因子，而高品质的压电层均匀一致淀积工艺的实现难度较大。在这个过程之中，晶体生长环节难以控制。晶体生长主要使用提拉法，即在被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入坩埚。由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度，熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。在生产过程中，需要控制固液界面的温度梯度、生长速率、晶转速率以及熔体的流体效应，否则容易出现晶体生长不均匀、晶格排列混乱等现象。我国企业在工艺层面相比海外企业有明显差距。因此产品的可靠性较低。

最佳切割方向难以确定。基片切割的方向会影响压电晶体在机械能和电能之间的转化效率，进而影响滤波器的工作效果，所以晶体切割还需要考虑最佳切割方向。只有当切割方向与表面波传输速率最快的方向一致时，才可以得到能量转化效率最高的晶片。所以在对晶体进行切割之前，还需要计算基片各方向的表面波传输速率，以确定速率最高的传输方向。

研磨时容易出现亚表面损伤。铌酸锂晶体是典型的软脆材料,在研磨时极易出现亚表面损伤和磨粒嵌入等缺陷，进而影响表面波的传输。在具体研磨过程中，对研磨方式、磨粒粒径、研磨压力等方面均提出了很高的要求。这需要厂商在具体生产过程中积累经验，不断改进研磨方式。

需要使用高精密抛光工艺。由于基片表面的粗糙度会影响表面波的传输，所以基片表面的粗糙度需要达到亚纳米级别，同时基片表面不能有任何缺陷，这对抛光工艺提出了严峻的挑战。为了实现高精密的抛光，需要使用特殊配方的抛光液，并不断在生产中改进抛光工艺，以找到最高效的抛光方法。

Saw滤波器器件采用压电晶体基片，其表面清洁度将影响后续工艺。若蒸发金属膜黏附性差，则容易起皱或产生亮点、针孔，则容易导致后续工序发生断条、连条和底膜去不干净。清洗工艺则能在晶片切磨抛工艺中将引入蜡、油、有机溶剂等清洗剂，去除有机物杂质、金属离子、粒子性污垢、水溶性杂质等，使晶体表面光洁平滑，减小粗糙度。由于压电基片的物理化学性质与半导体材料不同，其清洗工艺目前仍采用半导体材料的清洗工艺，未进行适应性改变。

蒸发铝膜工艺是滤波器生产的关键工艺之一，铝膜厚度直接影响器件的频率精度，可能会影响器件的频率精度，对插入损耗和反谐振损耗有较大影响。常见的镀膜方法包括磁控溅射沉积、真空镀膜、离子束辅助沉积等方法。目前镀膜工艺的蒸发工艺均匀性、厚度检测工艺等工艺均有进步空间。

在完成基片的生产后，需要在基片上利用半导体工艺完成电极的刻蚀，大致流程包括金属膜沉积、上胶及前烘、曝光、显影、刻蚀、光刻胶去除等步骤。后段过程中的曝光设备、光刻精度、工艺参数等变化都会极大影响滤波器的性能。光刻即电子束蚀刻、X射线蚀刻，其中以应用紫外光源的光刻最为普遍。目前，集成电路的集成度不断提高，且图形精细化要求提高，要求电子束蚀刻和X射线蚀刻所用的光源波长更短。未来，5G的推进增加了器件向高频领域发展的速度，因而光刻工艺要求也在不断提高。

Saw滤波器的晶片级封装过程包括使用可光刻的粘合剂将切割后的滤波器晶片粘接到配套的晶片上。一般选择硅作为配套晶圆片，因为它的机械强度满足要求，能通过标准半导体技术进行低成本加工。压电基板固有的压电特性和陶瓷特性要求对焊接过程中施加的压力和温度进行严格控制，以确保稳定的机械焊接而不会造成断裂或空洞。在这一步骤，必须保证能够蚀刻硅片，又不会破坏Saw滤波器上形成的金属式样。可光刻的粘合剂将两片晶圆贴合，这样与Saw滤波器表面相对应的材料部分就可以移除，从而无需在贴合的晶圆片上蚀刻空腔。可以选用b级苯并环丁烯(BCB)粘接树脂，该树脂吸湿率低，离子含量低，对晶片粘接具有良好的附着力。

射频滤波器技术在过去的数年中得到了长足的进步，各射频模块逐步被集成到标准CMOS集成电路中，但包含滤波器的集成比较困难。因而，封装尺寸也在不断向小型化发展。同时，声表面波滤波器为了集成至模块，也必须净收高压强。因此，封装技术必须支持封装中的芯片表面上方形成一个空腔。滤波器的性能和可靠性大大依赖于封装技术。目前受到各大厂商喜爱的封装技术主要是扇出型封装（Fan-out WLP），扇出型封装有三种形式，第一种使用先放芯片／正面超下的工艺流程制造，另外两种分别是先放芯片／正面朝上和后放芯片类型，有时也被称为先放RDL。扇出封装存在一些挑战。在处理过程中，重组晶圆容易发生翘曲。当芯片嵌入到重组晶圆中时容易移动，从而造成芯片移位，影响产量和良率。目前，ASE与Deca合作推出的M系列技术能够有效解决部分上述问题。

· Baw 滤波器制备流程

（1）设计流程

Saw 和 Baw 滤波器不同频段的滤波器设计难度不同，提供全频段的设计能力公司寥寥无几。Baw滤波器的设计流程可总结为下图。

首先可以根据滤波器带外抑制的指标，确定滤波器的初始阶数和结构。然后根据中心频率、带宽的指标要求，确定滤波器中Fbar的各膜层厚度和有源区的面积，完成滤波器的初始设计。完成初始设计后需要对 Baw 滤波器进行优化设计，主要优化串、并联Fbar的面积比。根据优化结果可以微调Fbar膜层厚度来满足带内纹波的指标要求。优化设计结果满足指标后对滤波器版图进行设计，并采用声-电磁联合仿真方法对滤波器性能进行验证。如果仿真结果不满足设计指标要求，则要根据所述的设计方法，改变滤波器的拓扑结构，再次对滤波器的各项结构参数进行设计优化，直到满足指标为止。若出现寄生耦合现象，则要对滤波器的版图进行调整。

①确定滤波器阶数

在 Fbar 声学激励范围之外足够远的频率点处，电路模型的电容性分压器特性会影响一阶梯形滤波器的阻带抑制。要提高带外抑制，必须增加滤波器的阶数或增大并联Fbar 和串联 Fbar 的电容比，但这样会导致带内插损的增大。故要综合考虑阶数和并、串联 Fbar 电容比对滤波器带外抑制性能的影响。

②确定滤波器结构

Baw 滤波器基本上可以划分为梯形和网格形两种结构。梯形Baw滤波器包括串联和并联的谐振器，一个串联的谐振器加一个并联的谐振器称为一个段（stage），整个梯形Baw滤波器可能由好几个段组成。网格形 Baw 滤波器与梯形滤波器在工作原理上很相似，但网格形Baw滤波器不具有传输零点，且滚降较慢，矩形系数差，设计时往往需要与梯形滤波器结合以满足高性能要求，且设计时必须考虑使用平衡-不平衡变换器才能实现其差分特性。而梯形 Baw 滤波器具有较好的矩阵系数，在邻近通带外的抑制效果明显。故通常采用梯形结构来设计Baw 滤波器。在设计滤波器时，还需将并、串联 Fbar 的面积比控制在一定范围，通过增加阶数来提高滤波器的阻带抑制和通带性能。

③确定Fbar各膜层厚度和面积

可以根据 Fbar 的工作原理来调整Fbar 膜层厚度，以此改变其谐振频率，一般根据中心频率与带宽来调节并确定各 Fbar 的叠层结构与膜层厚度。但通常不会减小压电薄膜的厚度来增加 Fbar 的谐振频率，这是由于压电薄膜厚度越薄，压电性能就越差。而压电薄膜的平面宽与厚度比越大，产生的寄生谐振也会越小。在通过调谐串联Fbar电极厚度来满足中心频率等指标时，因为工艺因素，一般串、并联Fbar的底电极厚度要相同但不能太薄，底电极太薄会增加Fbar的欧姆损耗而降低Fbar的品质因数。此外，Fbar的面积也会影响滤波器的通带性能。

④Fbar单元各膜层材料及参数

Fbar各膜层的材料也需要选定。选择压电薄膜的材料一般需要综合考虑：机电耦合系数、纵波声速、介质损耗、介电常数及频率温度系数等。选取电极材料通常需要考虑：低电阻率和高声速、低密度、高声阻抗等。支撑层是底电极和衬底之间添加的一层低应力材料，能够增强Fbar器件的机械强度。

根据滤波器指标的中心频率，在确定了滤波器中串联、并联Fbar的初始结构参数，包括串联、并联Fbar的膜层厚度及串联、并联谐振器结构参数等参数之后，即组成初始电路模型。

⑤确定Fbar有源区面积

Fbar 的有源区面积不会影响 Fbar 的谐振频率，然而会影响其阻抗特性中的串、并联处的阻抗值。故在设计滤波器时，需要根据压电层厚度和滤波器的中心频率点，确定Fbar的有源区面积。

⑥Baw的优化设计

确定了Baw滤波器的初始结构后，需要进行优化设计。面积参数，即串联Fbar 的有源区面积和串联、并联Fbar 有源区面积之比通常被设置为优化变量。优化目标则为滤波器所需的回波损耗、带内插损及带外抑制等，优化目标通常设置的较为严格以保证优化更易达到指标要求。

对串联、并联 Fbar面积比优化后，若滤波器的性能还未能较好的满足指标，可以继续把串联、并联Fbar的顶电极和底电极的厚度添加为优化变量。考虑到工艺，设计时一般所有Fbar的底电极厚度相同，所有串、并联Fbar的顶电极厚度相同。但要注意的是，调节顶、底电极的厚度会改变滤波器的中心频率，所以变量只需要对厚度进行微调即可，尽量减小滤波器的带内纹波，避免滤波器通带内出处“中间高、两边低”的现象，达到使通带更加平坦的目的。

（2）制造材料

Saw器件只能应用钽酸锂或铌酸锂这样特殊的单晶作为基底。Baw器件利用可选的任意基底，比如硅就是很好的基底材料，Baw制备可以直接利用主流IC制造厂现有的工艺、设备和基底结构。石英作为常见的压电材料，在高电压和高压力的情况下表现出线性反应，但还没有合适的方法把石英做成薄膜沉积在Si衬底上。合适的Baw压电材料需要高机电耦合系数、低机电损失、热稳定性高，还要符合IC工艺技术。目前最常用的Baw压电材料有PZT（lead zirconate titanate）、AlN（aluminum nitride）和ZnO（zinc oxide）。

（3）制造工艺

Baw滤波器的最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜（石英基板在2GHz下厚度为2um），声波在压电薄膜里震荡形成驻波。为了把声波留在压电薄膜里震荡，震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小损耗和最大Q值。

制作Baw所需的大多数工序可以直接在标准IC生产设备上完成，而不需要任何改变。光刻要求则是0.8 微米的特征尺寸即可。Baw器件所需的光刻步骤在5个到10个之间。其中，缺陷密度也影响不大，因为大颗粒也不会导致谐振器失效。Baw滤波器最关键的工序是高品质的压电层淀积。压电层虽然是多晶的，但所有晶粒的 C 轴方向必须完全一致。方向不一致的晶粒会严重降低品质因子和压电耦合因子。

Baw滤波器的压电层厚度必须在几微米级，其工艺包括薄膜沉积、微机械加工技术实现谐振器结构。Baw滤波器的工艺和器件设计需要协同优化。

工艺实现中可考虑的一种技术是Baw-SMR（Solidly Mounted Resonator），在震荡结构下方形成布拉格反射器，把声波反射到压电层里面。该反射器由好几层高低交替阻抗层组成，每层阻抗层的声波阻抗大小相间，且每层的厚度是声波的λ/4，从而能够反射大部分波，和原来的波叠加。这种结构整体效果相当于和空气接触，大部分声波被反射回来。

以下为Baw-SMR滤波器的一种制备方法，由多层材料用于多个谐振器部分的圣波反射，每个谐振器部分至少包括夹在顶部电极和底部电极之间的压电层，该方法包括以下步骤：

（a）用作声波反射的材料层选择介电材料，为其他层选择金属材料；

（b）沉积一层金属层，通过蚀刻工艺将金属层上蚀刻出凹槽，去除要放置谐振器位置处的金属层，从而在两个谐振器下面的金属层之间蚀刻出隔离区域；

其中步骤（b）包括以下步骤：

（i）依次沉积声波反射层，从金属层开始，一直延伸到最接近谐振器的层，使介电层与金属层交替；

（ii）蚀刻金属层，以在基板上留下至少一个金属层的药盒型结构；

（iii）沉积介电材料作为填充剂填充入蚀刻去除部分，沉积深度足以允许将填充剂抛光至最后沉积的金属层图案的顶部；

另一种主流Baw滤波器技术Fbar需要高精度蚀刻有源区下方区域，形成实现悬浮膜所需的空腔。由于压电材料的声波阻抗和其他衬底类似，无法实现声波到驻波的反射过程，因此压电层不能直接沉积在衬底上。Fbar技术包括薄膜型和空气隙型。

薄膜型是从基片后面蚀刻到表面（也就是下电极面），形成悬浮的薄膜和腔体。薄膜型Fbar是Baw谐振器的主流模型，两面都是声波阻抗远低于压电层声波阻抗的空气，因此大部分声波都会反射回来。不过薄膜结构需要足够坚固以至于在后续工艺中不受影响。相比Baw-SMR，薄膜型Fbar跟底部的基片接触较小，不好散热。

空隙型Fbar在制作压电层之前需要沉积一个辅助层，最后再把辅助层去掉，在震荡结构下方形成空气间隙。此方法可以传统的硅艺兼容。因为只是边缘部分跟底下的基片接触，这种结构在受到压力时相对脆弱，而且跟薄膜型Fbar有类似的散热问题。

空隙型 Fbar 器件的制备流程：

①在准备好的硅片上表面蚀刻一凹槽（空气隙），然后再沉积一层薄的SiO2 缓冲层，用来保护硅衬底；

②填充牺牲层，如Ti和磷石英玻璃PSG等；

③利用化学机械抛光表面，去掉多余牺牲层；

④淀积下电极，光刻成所需图形，然后用反应射频磁控溅射淀积高 C 轴取向的压电薄膜 AlN；

⑤使用 RIE 刻蚀技术刻蚀压电薄膜，形成将底电极引出的通孔；

⑥淀积上电极，光刻形成所需图形；

⑦腐蚀去除牺牲层，形成空气隙。

iPhone 6s Plus的射频前端系统中包含几个Fbar-Baw滤波器芯片，其中包括Avago AFEM8030滤波器芯片。Avago AFEM8030中的滤波器采用Avago的Microcap晶圆键合CSP技术进行密封的晶圆级封装，使得前端模块中的所有芯片组装在一起的面积小于35mm。此外，还采用了特殊的研磨工艺来控制氮化铝（AlN）厚度，以硅通孔（TSV）来导通电气信号。

Baw滤波器市场中，美国占据绝对技术优势，尤其是在4G/5G的高频段Baw滤波器，美国博通和Qorvo等公司独占鳌头。

Baw滤波器厂商需要有自己的Fab以完成定制化的工艺来生产滤波器，则意味着需要很高的资本投入。在Baw/Fbar滤波器领域，国内仅有汉天下、天津诺思、信维通信、麦捷科技等数家企业参与。

国内的芯片设计企业主要采取Fabless的商业模式，无需承担巨大的风险和费用，然而相比国外的IDM设计模式更为弱势，因而工艺环节不够细致。据润欣科技相关人员描述，Baw/Fbar滤波器由于长期被美国企业垄断，价格最高甚至能达到Saw滤波器的10倍。就目前的行业现状来看，国外的数家龙头企业凭借垄断优势正赚取高额利润，它们在射频前端市场的毛利率均高于40%。而国内由于技术上的欠缺，企业在射频器件采购方面议价能力不足，这既给产业发展带来了风险，也不利于整个行业的生态建设。

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