濾波器爆炸式增長,諾思下一代雙工器如何突破美日廠商壟斷?


隨著蜂窩移動技術進入5G時代,移動頻寬不斷增加,更多的頻段被開發使用,這些頻寬中的每一個頻段都需要濾波器來將其訊號與其他頻段分開。對於使用頻分雙工(FDD)的通道,有兩個相鄰的鏈路——一個用於傳送,一個用於接收。兩者之間存在一個保護頻段。這些頻段或每一個子頻段中都需要一個帶通濾波器。隨著頻段數量的激增,所需的濾波器數量也呈爆炸式增長。

“5G智慧手機中頻段數量增加至50多個,對實現通訊功能扮演關鍵角色的射頻前端晶片帶來了極大的機遇和挑戰。作為智慧手機中最核心的兩個射頻前端器件之一,現在一臺手機中濾波器+雙工器的數量最高已達120顆左右。”諾思設計兼市場總監蔣興勇指出,“每年出貨量超過數十億的智慧手機和各種智慧移動終端,以及單部手機中用量的激增,為濾波器帶來龐大的需求。同時,射頻前端帶來的設計複雜度提升也推動著濾波器走向下一代技術。”


5G時代濾波器的新挑戰

隨著通訊技術演進,終端廠商對智慧手機功能多樣化、機身輕薄化的要求,使得射頻前端晶片要不斷進行工藝研發以縮減產品尺寸,尤其是對具有收發特定頻率作用、使用數量極大的濾波器、雙工器等小型化需求急切。

當前主流的濾波器包括表面聲波技術(SAW)、體聲波技術(BAW)。SAW技術經歷了較長的發展時間已經十分成熟,從普通SAW到I.H.P.SAW,技術難度逐漸增大,加工成本逐漸上升,國產替代難度逐步攀升。低端SAW濾波器市場有限且利潤低,而高階SAW濾波器需要長期投入,專利壁壘高。BAW技術近幾年逐漸興起,以單個器件效能為核心競爭力,開始在部分應用領域與SAW濾波器爭奪市場,然而隨著I.H.P.SAW的出現和日趨成熟,傳統BAW濾波器在效能上已經不佔有絕對優勢。

終端市場對各類聲波濾波器提出了新的需求和挑戰。蔣興勇表示,一是更小的器件尺寸,以便於更多濾波器整合在一起;二是更寬、更高的工作頻率範圍,以適應5G高頻和大頻寬的應用;三是更高功率容量;四是更高的機電耦合係數及Q值,以滿足低插入損耗,高滾降要求。

在輕薄化需求下,5G天線需要淨空保證訊號、未來全面屏對於空間的擠佔等因素,使得射頻前端中PA、濾波器、雙工器、天線開關、LNA等幾大模組的高度整合成為趨勢。

蔣興勇表示,5G手機採用整合化模組方案是大勢所趨。“將這麼多不同頻段的濾波器放在一起本身就是一大挑戰,相互之間的干擾、抑制和訊號串擾對系統帶來了極大的設計挑戰。其次,濾波器設計緊湊以儘量減小模組尺寸,這些要求都極高,對模組廠商是一大考驗。”他解釋,“諾思微系統開發的BAW產品採用WLP(晶圓級封裝),厚度僅有 0.23mm,非常適合應用到模組產品。”

射頻晶片濾波器從研發到商業化需要多年積累,如今形成博通、skyworks、Qorvo、村田、TDK等美日廠商高度壟斷市場的局面,博通和Qorvo兩家在BAW濾波器市場佔有率超過95%;而SAW濾波器市場也基本被村田、高通等巨頭壟斷。這些國際一線品牌都採用IDM運營模式,從而他們在新技術創新和新產品開發迭代上就具有領先優勢。

蔣興勇強調,“諾思作為國內唯一一家BAW濾波器IDM公司,能夠整合晶圓製造階段的工藝創新配合電路設計創新。製造、工藝與設計三個方面協同聯動才是智慧財產權產生的源頭,諾思經過十餘年的積累,已經擁有505個發明專利和146個國際PCT專利,具有完全自主智慧財產權。在此基礎上如何通過大批量量產、設計的成熟度以及小型化技術來實現成本優化,對企業的設計、工藝和製造能力也提出了更高的要求。”

延伸閱讀  這屆雙十一,李佳琦把消費者帶暈了

“濾波器嚴重依賴進口,國產化率極低,但也意味著國產化空間十分巨大。”蔣興勇強調,“儘管頭部國外廠商提供完整產品種類,但是客戶在部分產品上在‘去’整合化,將不同的射頻前端器件拆分採購,以避免出現供應商一家獨大的局面,尤其是在當前複雜的國際環境下,供應鏈安全考量使得更多客戶有願意儘快匯入有優勢的國產廠家。”

下一代濾波器技術

5G和物聯網的雙驅動,使得射頻前端器件呈現大幅增長。市場研究機構Yole資料顯示,到2023年全球濾波器市場規模將超過352億美元。作為射頻前端裡晶片數量佔比最多、價值最高、國產化率最低的濾波器產業,成為了射頻前端裡面最重要的增長點。

以雙工器(Duplexer)為例,又稱為天線共用器,可以把它看作一個比較特殊的雙向三端濾波器,負責FDD系統雙工切換及接收/傳送通道的訊號濾波,保證在共用天線時接收和發射都能同時正常工作。通常雙工器由兩組濾波器組成,各諧振於發射和接收頻率。接收端濾波器諧振於發射頻率,並防止發射功率串入接收機,發射端濾波器諧振於接收頻率。

蔣興勇解釋,射頻系統具有較大複雜度和較高成本的一個主要部件就是雙工器。雙工器的效能指標包括尺寸、頻寬、插入損耗、隔離度、工作頻率、功率等等,是業界致力於提升效能的產品路線。

“諾思在雙工器領域目前出貨量已做到國內領先。常用雙工器中包括Band 1/2/3/5/7/8等頻段,諾思Band 3(RSFD1702C)產品以高價效比的優勢,成為眾多客戶設計首選。”他解釋,國產廠商在突破市場份額上面臨的最大挑戰,就是美日廠商在成熟市場的壟斷地位。隨著國產雙工器設計水平不斷提高,為國產濾波器帶來了發展良機。

繼村田、高通後,諾思在國內率先發布新一代的新小型化雙工器產品,採用下一代標準1612封裝(1.6×1.2×0.6mm)尺寸,為日漸小型化的終端客戶設計提供更靈活、緊湊的選擇。蔣興勇介紹,相比當前型號1814尺寸,新一代產品面積縮小約24%,大大提高板面積利用率和佈局的靈活性,在減少尺寸的同時,依然可以提供有競爭力的效能。


左:BAW雙工器1814尺寸

右:新一代BAW雙工器1612尺寸

延伸閱讀  看到了聲音,就看到了未來


他表示,諾思通過特有的設計和小型化技術,徹底改進晶片設計和封裝方法,在國內率先推出超小尺寸雙工器,效能與當前市面上的一線品牌產品相當,在成本方面優勢更為突出。 “在新一代產品的開發上,諾思在內部架構、設計精度、工藝精度、產品材料和封裝形式等多方面進行了革新,目前B1/B3/B7樣品可供客戶驗證,預計到今年底系列產品可實現量產。”

結語

濾波器市場前景廣闊,在蔣興勇看來,越來越多的生產廠家進入此行業,將有利於行業整體技術提高,加速行業發展壯大。但是目前國內也存在部分廠家低於成本價競爭的情況,這樣不健康的商業模式無法對客戶保持長期穩定供應,必將對客戶造成傷害,也不利於整個濾波器行業發展。射頻濾波器行業應遵循客觀規律去發展,國外大企業都是經自有IDM產線積累了大量研發技術和智慧財產權,才成長為今天非常有競爭力的企業。蔣興勇強調,未來諾思將繼續加大研發投入力度,在保持技術優勢的基礎上,為客戶提供更優質的服務和更可靠的高質量產品,為我國射頻濾波器晶片事業發展貢獻自己的力量。(校對/薩米)

Scroll to Top