本文從射頻前端小型化,高集成的趨勢(shì)出發(fā),討論了射頻前端公司競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì),特別是有射頻濾波器設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的企業(yè)在未來射頻模組的競(jìng)爭(zhēng)中,可能具有的優(yōu)勢(shì)和遇到的問題。
1. 射頻前端
射頻前端是各類通信系統(tǒng)的重要組成部分,其核心作用是實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的射頻收發(fā)轉(zhuǎn)換,要求高效,低噪聲,濾除干擾信號(hào)和低功耗(移動(dòng)設(shè)備)。其中移動(dòng)終端的射頻前端功能器件主要包括功率放大器(PA)、低噪放大器(LNA),射頻開關(guān)(Switch)、濾波器(Filter)、雙工器(Duplexer)及天線調(diào)諧器(Antenna tuner),參見圖一。
圖一,射頻前端架構(gòu),來源:RF技術(shù)社區(qū)
其中:
· 功率放大器—負(fù)責(zé)發(fā)射通道的射頻信號(hào)放大。
· 濾波器—用于保留特定頻段內(nèi)的信號(hào),濾除干擾不需要的信號(hào)。
· 雙工器—由兩組不同頻率的帶阻濾波器組成,用于發(fā)射和接收信號(hào)的隔離。
· 射頻開關(guān)—用于實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)接收與發(fā)射的切換、不同頻段的切換。
· 低噪聲放大器—主要用于接收通道中小信號(hào)的放大。
· 天線調(diào)諧器—使發(fā)射機(jī)和天線之間阻抗匹配,改善天線在特定頻段上的效率。
取決于應(yīng)用場(chǎng)景和中端設(shè)備集成度的需求,上述器件通常會(huì)按照收發(fā)功能要求和支持的頻段范圍進(jìn)行一定程度的集成。從市場(chǎng)產(chǎn)品構(gòu)成來看,上述功能器件組成:PA模組、RX FEM、分立式濾波器,構(gòu)成射頻前端三大主體。以5G手機(jī)為例,其射頻前端器件參見圖二。
圖二,5G手機(jī)射頻前端舉例,射頻濾波器廣泛存在,來源:Qorvo
不同類型和級(jí)別的手機(jī)支持的頻段種類不同,數(shù)量不同,其射頻前端的數(shù)量也有所變化,參見圖三:
圖三,高端手機(jī)(左)和低端手機(jī)(右)射頻前端舉例,來源:Skyworks
源于對(duì)輕,薄,美觀(如全面屏)和續(xù)航能力的追求,移動(dòng)終端是各類通信系統(tǒng)中集成化趨勢(shì)最強(qiáng),集成度最高的產(chǎn)品。以手機(jī)為例,在經(jīng)歷了功能機(jī)到智能機(jī),3G手機(jī)到4G手機(jī)、再到5G手機(jī)的演進(jìn),手機(jī)芯片的集成度是非常高的。手機(jī)SoC芯片已經(jīng)完成了對(duì)系統(tǒng)中絕大部分?jǐn)?shù)字器件的集成:AP,基帶處理,視頻加速,音頻處理都已經(jīng)逐步集成進(jìn)SoC芯片。不僅僅是數(shù)字器件,這一過程中SoC芯片也吸收了各類ADC,DAC,驅(qū)動(dòng),接口等非純數(shù)字工藝的器件。然而,射頻前端在這整個(gè)集成過程中基本上是獨(dú)立于SoC沿著自己道路演進(jìn)的。這主要是因?yàn)樯漕l前端采用的工藝和設(shè)計(jì)理念是相對(duì)獨(dú)立的。
射頻前端是手機(jī)的核心器件,直接影響著手機(jī)的信號(hào)收發(fā)。
2. 射頻濾波器
射頻濾波器本質(zhì)上講是一種聲學(xué)濾波器,主要包括聲表面波濾波器(SAW)、體聲波濾波器(BAW)兩種。其原理是用壓電轉(zhuǎn)換材料將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)為音頻信號(hào),通過控制音頻信號(hào)在器件體表(SAW)或體內(nèi)(BAW)的傳輸、反射,在輸出端有選擇的將目標(biāo)信號(hào)通過壓電轉(zhuǎn)換材料恢復(fù)成電信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。相對(duì)SAW,BAW的工作頻率更高,成本也更高。射頻濾波器主要由MEMS工藝制成。
2.1 SAW濾波器
SAW全稱是Surface Acoustic Wave(SAW) filter,顧名思義是一種沿著固體表面(surface)傳播的聲波(acoustic wave)。一個(gè)基本的SAW filter由壓電材料(piezoelectric substrate)和2個(gè)Interdigital Transducers(IDT)組成,參見圖四,圖五。
圖四,IDT和壓電材料,來源:Qorvo
圖五,SAW濾波單元,來源:微波射頻網(wǎng)
IDT是由交叉排列的金屬電極組成,圖五中左邊的IDT把電信號(hào)(electrical signal)轉(zhuǎn)成聲波(acoustic wave),右邊的IDT把接收到的聲波再轉(zhuǎn)成電信號(hào)。SAW filter常用的壓電材料有LiTaO3,LiNbO3,SiO2等。其基本結(jié)構(gòu)中左邊IDT交叉排列的電極之間交流電壓產(chǎn)生壓電材料的mechanical stress并以SAW的形式沿著表面?zhèn)鞑ィ诖怪狈较蛏蟂AW幅度快速衰落。右邊的IDT也是同樣結(jié)構(gòu),只是接收SAW,輸出電信號(hào)。
SAW濾波器有兩個(gè)重要特點(diǎn):
· IDT電極之間間距決定SAW濾波器工作頻率,因此SAW有工作頻率上限。根據(jù)Qorvo的研究,超過1GHz,SAW的性能開始下降,至1.9GHz情況SAW仍然可以有效應(yīng)用于各類手機(jī)通信系統(tǒng),但超過2.5GHz時(shí)已基本無法使用。
· SAW filter對(duì)溫度變化也敏感,性能隨著溫度升高變差。TC(temperature compensated)-SAW filter就是為了改善溫度性能,IDT上增加了保護(hù)涂層。增加的涂層使工藝變得復(fù)雜,成本也增加,不過相對(duì)BAW filter還是便宜一些。
2.2 BAW濾波器
BAW濾波器全稱為Bulk Acoustic Wave(BAW) filter,與SAW filter不同,聲波在BAW filter里是垂直傳播。BAW filter的最基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)金屬電極夾著壓電薄膜,聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波,參見圖六。
圖六,BAW濾波器基本架構(gòu),來源:Qorvo
為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩,震蕩結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到最小loss和最大Q值。聲波在固體里傳播速度為~5000m/s,也就是說固體的聲波阻抗大約為空氣的105倍,所以99.995%的聲波能量會(huì)在固體和空氣邊界處反射回來,跟原來的波(incident wave)一起形成駐波。而震蕩結(jié)構(gòu)的另一面,壓電材料的聲波阻抗和其他襯底(比如Si)的差別不大,所以不能把壓電層直接deposit(沉積)在Si襯底上。
有一種方法是在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成Bragg reflector,把聲波反射到壓電層里面。Reflector由好幾層高低交替阻抗層組成,比如第一層的聲波阻抗大,第二層的聲波阻抗小,第三層聲波阻抗大,而且每層的厚度是聲波的λ/4,這樣大部分波會(huì)反射回來和原來的波疊加。這種結(jié)構(gòu)整體效果相當(dāng)于和空氣接觸,大部分聲波被反射回來,這種結(jié)構(gòu)稱為BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator),見圖七右側(cè)。
圖七,BAW濾波器兩種主流技術(shù),來源:Qorvo
還有一種方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator),是從substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面),形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity)。FBAR類似于BAW resonator的基本模型,兩面都是空氣,由于空氣的聲波阻抗遠(yuǎn)低于壓電層的聲波阻抗,大部分聲波都會(huì)反射回來。不過薄膜結(jié)構(gòu)需要足夠堅(jiān)固以至于在后續(xù)工藝中不受影響。相比BAW-SMR,F(xiàn)BAR較少一部分跟底下substrate接觸,不好散熱。參見圖七左側(cè)。FBAR包括Membrane type和Airgap type。圖七為Membrane type。
BAW濾波器的特點(diǎn):
· 上述兩種類型BAW濾波器的聲能密度都很高、其結(jié)構(gòu)都能很好地導(dǎo)限聲波,它們的損耗都非常低。在微波頻率,BAW可實(shí)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(dá)2500@2GHz。這使得即使在通帶邊緣的吃緊處,它也有極好的抑制和插入損耗性能。
· 雖然BAW和FBAR濾波器的制造成本更高,其性能優(yōu)勢(shì)非常適合極具挑戰(zhàn)性的LTE頻帶以及PCS頻帶,后者的發(fā)送和接收路徑間只有20MHz的狹窄過渡范圍。濾波器 微信公眾號(hào)認(rèn)為,BAW和FBAR濾波器的IDT可做得足夠大,以支持4W@2GHz的更高射頻功率。
· BAW濾波器的尺寸與其支持的頻率成反比,頻率越高尺寸越小。相反,頻率較低的頻段反而是SAW更方面支持。
· BAW器件對(duì)靜電放電有固有的高阻抗,抗靜電能力遠(yuǎn)高于SAW。
前面提到SAW在1.9GHz頻段仍然可以有效支持應(yīng)用場(chǎng)景,然而隨著5G的到來,大量超2GHz的頻段被啟用,頻譜擁擠導(dǎo)致縮窄甚至舍棄保護(hù)頻帶的趨勢(shì),對(duì)于高性能濾波器的需求顯著增加。BAW技術(shù)使人們有可能設(shè)計(jì)出具有非常陡峭濾波器裙邊、高抑制性能以及溫漂很小的窄帶濾波器,它非常適合處理相鄰頻段之間非常棘手的干擾抑制問題。
SAW濾波器廠商也在不斷提高SAW的生產(chǎn)工藝。村田推出的IHP(Incredible High Performance)SAW,高通推出的ultraSAW,Qorvo的No/Low Drift SAW等等,都是優(yōu)化了SAW在2GHz附近的性能,提供類似BAW,甚至更好的性能,以更好支持5G時(shí)代主要手機(jī)頻段。圖八展示了SAW和BAW各自支持的頻段,其中在2GHz附近兩者有交集。
圖八,SAW和BAW支持頻段,來源:Qorvo
BAW器件所需的制造工藝步驟是SAW的10倍,一般BAW的生產(chǎn)過程需要約20個(gè)Mask,而SAW只需要3~4個(gè)。但是BAW可以在更大晶圓上制造的,每片晶圓產(chǎn)出的BAW器件也多了約4倍。即便如此,BAW的成本仍高于SAW。在圖八中SAW和BAW有交集的部分,兩者是有競(jìng)爭(zhēng)的,然而,對(duì)一些分配在2GHz以上極具挑戰(zhàn)性的頻段來說,BAW是唯一可用方案。因此,BAW濾波器在3G/4G/5G智能手機(jī)內(nèi)所占的份額在迅速增長(zhǎng)。
3. 射頻模組
射頻前端根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和中端設(shè)備集成度的需求,往往以某種集成度的射頻模組出現(xiàn),圖九是提供了關(guān)于FEMiD和PAMiD的一個(gè)示例。注意在其中可以看到大量射頻濾波器的集成。
圖九,F(xiàn)EMiD,PAMiD,來源:新財(cái)富網(wǎng)站
3.1 FEMiD
FEMiD(Front End Modules integrated Duplexers)指把濾波器組、開關(guān)組和雙工器通過SIP封裝在一枚芯片中。FEMiD最早出現(xiàn)在3G時(shí)代是由于3G手機(jī)第一次有了多模多頻段(MMMB)的需求,當(dāng)時(shí)主導(dǎo)FEMiD市場(chǎng)的是以Murata和TDK為代表的無源器件廠商,它們把開關(guān)器件和多個(gè)頻段的濾波器集成到一枚芯片當(dāng)中打包出售,一方面為手機(jī)廠商降低設(shè)計(jì)和采購難度,另一方面也能夠?yàn)樽陨韼砀叩睦麧櫋J聦?shí)上從3G時(shí)代開始,整個(gè)RF前端方案的進(jìn)化都是圍繞多模多頻段進(jìn)行的。從技術(shù)的角度看,F(xiàn)EMiD的實(shí)現(xiàn)難度并不高。
圖十是FEMiD的一個(gè)示意圖。
圖十,Skyworks96000 FEMiD,來源:Skyworks,新財(cái)富網(wǎng)站
3.2 PAMiD
PAMiD(Power Amplifier Modules integrated Duplexers)把PA和FEM一起打包封裝,使得射頻前端的集成度再一次提高。PAMiD相對(duì)于FEMiD來說,有兩大優(yōu)勢(shì):一方面通過小尺寸集總元件進(jìn)行匹配,提高集成度集成度,節(jié)省手機(jī)PCB面積;另一方面,PA的輸出匹配是整個(gè)射頻前端設(shè)計(jì)最繁瑣的步驟,PAMiD的出現(xiàn)使得PA的輸出匹配工作由RF器件供應(yīng)商承擔(dān)。對(duì)于手機(jī)廠商(OEM)來說,PAMiD的出現(xiàn)讓射頻前端從以前一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程變成了簡(jiǎn)單的搭積木工作,手機(jī)廠商只需要根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)劃,采購相應(yīng)頻段的PAMiD模塊,這樣一來,射頻前端的設(shè)計(jì)難度大大降低。圖十一是FEMiD的一個(gè)示意圖。
圖十一,Skyworks78113 PAMiD,來源:Skyworks,新財(cái)富網(wǎng)站
射頻前端發(fā)展的主線是從FEMiD(無源器件集成)邁向PAMiD(有源+無源器件集成)的過程。PAMiD雖然集成度高,節(jié)省手機(jī)PCB空間,但支持多頻段+載波聚合+MIMO的PAMiD成本高昂,一般手機(jī)廠商難以承受。目前主要是蘋果這樣出貨量大的高端品牌采用。對(duì)于其他大部分手機(jī)廠商來說,根據(jù)不同機(jī)型搭配不同的射頻方案,才是更為合理的選擇。目前射頻前端廠商推出的產(chǎn)品種類眾多,OEM廠商可以根據(jù)不同需求選擇搭配。
盡管射頻前端集成化是大勢(shì)所趨,這里也重點(diǎn)介紹了FEMiD和PAMiD,但由于低端手機(jī)的龐大出貨量,低集成度模組之間互相搭配的解決方案在短期內(nèi)仍然會(huì)繼續(xù)存在。射頻前端還存其他一些常見的集成模組見表一。
表一,各類射頻模組,來源:新財(cái)富網(wǎng)站
4. 市場(chǎng)與競(jìng)爭(zhēng)
Yole Development 2021年發(fā)布的最新射頻前端市場(chǎng)數(shù)據(jù)指出,整個(gè)手機(jī)射頻前端市場(chǎng)有望以8.3%復(fù)合增長(zhǎng)率從2019年的124億美金增長(zhǎng)到2026年的216億美金(見圖十二)。如我們?cè)趫D一中看到的,其中增長(zhǎng)較大的PA模組和FEM模組中廣泛存在著射頻濾波器。
圖十二,射頻前端市場(chǎng)最新預(yù)測(cè),來源:Yole Development
根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院估,以射頻功能器件為單位計(jì)算,射頻市場(chǎng)中濾波器的份額約為53%,遠(yuǎn)高于其他相關(guān)器件,占射頻前端市場(chǎng)超半壁江山(見圖十三)。結(jié)合Yole的預(yù)測(cè),射頻濾波器市場(chǎng)在接下來幾年中是個(gè)超百億美元量級(jí)的市場(chǎng)。
圖十三,濾波器占比,來源:前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
如Yole預(yù)測(cè)的這樣大規(guī)模的增長(zhǎng),得益于通信技術(shù)從2G發(fā)展到5G,手機(jī)射頻前端支持的頻段不斷增加,從最多不超過5個(gè),逐步增加到要支持50+個(gè)頻段。這一演進(jìn)的過程,帶來的是射頻前端鏈路器件成倍增長(zhǎng),特別是射頻濾波器數(shù)量的大幅增長(zhǎng)。表二是典型2G到5G手機(jī)支持的頻段數(shù)量以及相應(yīng)濾波器個(gè)數(shù),5G單支手機(jī)射頻濾波器的價(jià)值可以達(dá)到$10以上。
表二,濾波器數(shù)量增長(zhǎng),來源:好達(dá)電子招股書
全球射頻濾波器市場(chǎng),約9成以上的市場(chǎng)份額被美、日兩國占據(jù),形成壟斷的局面。主要生產(chǎn)SAW/BAW濾波器的廠商有Murata、TDK、Taiyo Yuden、Broadcom、Qorvo、Skyworks等廠商(參見圖十四)。
圖十四,射頻濾波器的壟斷,來源:前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
據(jù)半導(dǎo)體觀察報(bào)道,2021年中國大陸射頻前端廠商銷售額約20億美金(合計(jì)130億元),預(yù)估2021年全球射頻前端市場(chǎng)規(guī)模為190億美金(含手機(jī)和非手機(jī)),國產(chǎn)射頻前端廠商約占比10.5%。國產(chǎn)廠家銷售額占比雖然較小,但增長(zhǎng)速度較快。2018年,國產(chǎn)射頻前端芯片銷售額大約3億美金,全球市場(chǎng)占有率為5%。2020年,國產(chǎn)射頻前端芯片銷售額約9億美金,而2021年增長(zhǎng)到了20億美金。國產(chǎn)射頻前端正處在快速發(fā)展器。2021年,國產(chǎn)分立射頻濾波器約12億元。
針對(duì)百億美金體量的射頻濾波器市場(chǎng),目前國產(chǎn)濾波器創(chuàng)業(yè)公司多達(dá)30~40家,其中主要為SAW濾波器創(chuàng)業(yè)企業(yè),這一方面是因?yàn)镾AW在國內(nèi)創(chuàng)業(yè)相對(duì)BAW較長(zhǎng)積累一定技術(shù)和人員,另一方面也是因?yàn)锽AW的生產(chǎn)門檻較高。射頻前端的國外廠商主要采取IDM模式,國產(chǎn)廠商起步較晚,主要采用代工生產(chǎn)為主。射頻前端廠商大體可以分為兩大陣營:射頻PA和射頻濾波器。業(yè)界眾多相關(guān)公司基本歸屬于這兩類陣營。國產(chǎn)PA和濾波器器件在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面,有較大區(qū)別。國產(chǎn)PA重在設(shè)計(jì),生產(chǎn)工藝主要由代工廠掌握和提供。以目前較為成熟的砷化鎵射頻PA工藝為例,全球76%的GaAs晶圓片代工由穩(wěn)懋完成。而射頻濾波器則重在工藝優(yōu)化對(duì)性能和質(zhì)量的提升。在代工前提下,如何避開國外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在性能相關(guān)專利上的封鎖,將工藝優(yōu)化措施成功導(dǎo)入代工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)迭代,并保護(hù)相關(guān)工藝的獨(dú)家使用,則是國產(chǎn)射頻濾波器廠商面對(duì)的主要任務(wù)。
PA和濾波器兩大陣營在競(jìng)爭(zhēng)中都想抓住射頻前端集成的大趨勢(shì)。國際上射頻前端廠商在過去10年中不斷整合(參見圖十五),帶來一些啟示,那就是要想在射頻模組的競(jìng)爭(zhēng)中生存,龍頭企業(yè)必須沒有短板。其中Murata并購了瑞薩PA部門和pSemi,Broadcom(Avago)收購了英飛凌BAW濾波器業(yè)務(wù),Skyworks和松下合資成立FilterCo涉足BAW濾波器并收購了全部股份,RFMD(PA)和TriQuint(SAW、BAW)于2014年合并為Qorvo,Qualcomm和TDK合資成立RF360后收購了RF360。
圖十五,業(yè)界整合,來源:Yole
射頻濾波器在射頻模組中占比很高,以Phase-5N PAMiD模組為例,濾波器共10顆,PA共3顆。而這一模組中濾波器的數(shù)量和面積與其他器件總和相當(dāng)。如果PA廠商想做出這樣一個(gè)產(chǎn)品,需要另外購買濾波器,10顆濾波器的價(jià)格已經(jīng)與模組相當(dāng)。設(shè)想一下一個(gè)射頻PA公司在向射頻模組方向演進(jìn)的時(shí)候就會(huì)遇到這樣的困難,而濾波器廠商向模組方向演進(jìn),有可能得益于其濾波器成本的優(yōu)勢(shì)。
未來射頻濾波器公司,以BAW為例,如果既有設(shè)計(jì)能力又有一定產(chǎn)量專用產(chǎn)線保證,那么除了分離濾波器產(chǎn)品以外,還可以為其他射頻模組公司提供濾波器,又或是自己獲得PA技術(shù)團(tuán)隊(duì),獨(dú)立設(shè)計(jì)生產(chǎn)射頻模組。這樣的公司在未來競(jìng)爭(zhēng)中進(jìn)可攻退可守,具有較大的靈活度。