國產濾波器何去何從_風聞

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：鍾林，謝謝。

最近濾波器很火，應各方要求，寫一篇濾波器的文章，作為一個不是做濾波器的人來寫濾波器，誠惶誠恐。

寫作過程如有偏差，歡迎批評指正，及時學習修改，秉持客觀公正，寫好濾波器一系列文章。

濾波器，顧名思義是濾波的器件，濾波器是不是芯片？文中將作解釋。常規來講，濾波器劃為無源被動器件。

射頻濾波器是移動通信射頻前端的核心部件之一，在無線通信、智能傳感、物聯網等領域具有極其廣泛的應用前景。射頻前端包括開關（switch）、低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、濾波器（Filter）。不同於PA用於信號發射放大，LNA用於信號接收放大，開關用來信號發射和接收切換。濾波器不僅用於信號接收濾波，也用於信號發射濾波，在射頻前端器件中佔據最大的份額，約50%。

國產射頻開關和LNA封神了，國產射頻PA站起來了，但國產濾波器還處在襁褓之中。從國產射頻開關和PA看到了成功和機會，對國產濾波器的未來就有了信心和期待。

國產濾波器要成功，需要回答好一個問題：國產濾波器從哪裏來，到哪裏去？

國產濾波器從哪裏來

為了更好的理解濾波器，首先帶大家瞭解國產濾波器從哪裏來？國產濾波器主要來自：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濾波器進行介紹：

SAW濾波器

1、工藝與技術

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盪器材料的壓電效應和聲表面波傳播的物理特性製成的一種換能式無源帶通濾波器。

當壓電基材選定之後，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。採用半導體0.35~0.42μm級的精細加工工藝，可製作出10M~2GHz的SAW濾波器。

在固態材料中，交替的機械形變會產生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲濾波器內，對聲波進行導限以產生極高品質因數（Q值可達數千）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，國產濾波器選擇鉭酸鋰（LiTaO3）或鈮酸鋰（LiNbO3）材料來做壓電基板。

2、性能與產品

SAW濾波器的主要性能參數：中心頻率、通帶寬度（帶寬）、通帶波紋、阻帶抑制、矩形係數、羣時延波動、插入損耗。

SAW濾波器有侷限性。高於約1GHz時，其選擇性降低；在約2.5GHz，其使用僅限於對性能要求不高的應用。SAW器件易受温度變化的影響，一種替代方法是使用温度補償（TC-SAW）濾波器。它是在IDT的結構上另塗覆一層在温度升高時剛度會加強的塗層，但由於温度補償工藝需要加倍的掩模層，所以，TC-SAW濾波器更復雜、製造成本也更高，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。

3、成本與模式

SAW所需基片材料價格較貴，對基片的定向、切割、研磨、拋光和製造工藝要求高，對基片結晶工藝苛刻和製造精度要求嚴。

SAW濾波器製作在晶圓上，可以低成本進行批量生產。SAW技術還支持將用於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，也有少數廠家選擇代工模式。

BAW濾波器

1、工藝與技術

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物體內傳播(縱波或橫波)。Membrane Type是從襯底後面刻蝕到表面(也就是bottom electrode面)，形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity)。Airgap type在製作壓電層之前沉積一個輔助層(sacrificial support layer)，最後再把輔助層去掉，在震盪結構下方形成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，不是產品。BAW濾波器才是產品。

BAW filter更適合於2.5GHz以上的頻率，BAW filter的製造工藝也非常符合現有的IC製造工藝，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，要在載體基板上採用薄膜沉積和微機械加工技術實現諧振器結構。

BAW的生產工藝跟MEMS工藝很相似，Fabless模式比做SAW濾波器更可行。

2、性能與產品

BAW濾波器相對SAW濾波器來説性能更好一些，Q值高，相位噪聲、體積小等。此外，即便在高寬帶設計中，BAW對温度變化也不那麼敏感，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。這使得它有極好的抑制和插入損耗性能。

所以，頻率較高時，如3GHz時，一般採用BAW濾波器，而當頻率在1900MHz以下時，通常採用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。

3、成本與模式

雖然BAW濾波器相對SAW濾波器來説性能更好，但加工起來更難，屬於超精細加工。BAW濾波器所需的製造工藝步驟是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濾波器的成本仍高於SAW濾波器。

可以看出，相比SAW濾波器建產線，BAW濾波器投入要大很多，國內做BAW濾波器，Fabless模式是更好的選擇。

IPD濾波器

1、工藝與技術

IPD全稱為Integrated Passive Devices，是半導體無源器件技術，可以用來製作LC濾波電路，所製成的濾波器稱為IPD濾波器

一種集成LC低通濾波器製作工藝為通過光刻、金屬沉積、幹法刻蝕、高温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連接；利用通孔和PCB載板接合封裝。

另外還可以利用基於高電阻硅平台的工藝實現高Q值集成無源器件(IPD)。

2、性能與產品

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。

3、成本與模式

基於不同的工藝平台，成本也不一樣；由於製作工藝基於半導體工藝，需要製作光罩來生產，所以在量較少的情況下成本較高，在大規模批量生產時成本會明顯降低。

IPD濾波器不會有IDM模式，更多采用Fabless製作，或者作為IPD技術集成在其他芯片電路中。

LTCC濾波器

1、工藝與技術

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）即低温共燒結陶瓷，是1982年由美國休斯公司開發出的新型材料技術。LTCC是將低温燒結陶瓷粉製成厚度精確而且緻密的生瓷帶，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製出所需要的電路圖形，並將多個無源器件嵌入其中進行疊壓，最後在1000℃以下進行燒結，從而形成LTCC無源器件。

2、性能與產品

LTCC製成的濾波器包括帶通、高通和低通濾波器三種。頻率則從數10MHz直到5.8GHz。LTCC濾波器過渡帶可以做的很大，帶內插損小，但與IPD濾波器相同，同樣無法做到帶外陡峭抑制。

3、成本與模式

成本是前面介紹的濾波器中最低的，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麼關係，沒有代工模式一説。

國產濾波器到哪裏去

世間萬物，芸芸眾生，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濾波器到底要何去何從。這幾種濾波器在工藝、生產設備、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。

隨着5G的到來，射頻前端產業最大的受益者將是濾波器。濾波器產值佔比從3G終端的33%提升到全網通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，濾波器數量和高端化需求更高。5G時代，濾波器不僅數量大幅增加，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，濾波器主要應用於無線通訊領域，包括智能手機、路由器、通信基站、物聯網無線終端等。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品不多；通信基站必須採用濾波器，但需求量不大；近距離物聯網無線終端市場碎片化，雖然總體量很大，但單個產品上可能不用濾波器，主芯片上集成了LC濾波電路；蜂窩物聯網市場所用濾波器與手機市場方案基本相同。

隨着智能手機支持的頻段數目不斷上升，每一個頻段需要自己的濾波器，因此濾波器的需求數量也在不斷上升。4G智能手機中需要用到的濾波器數量可達30餘個。而到了 5G 時代，手機需要支持的頻段甚至會達到 91個以上，由於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於SAW濾波器。

SAW濾波器

SAW濾波器由於成本適中，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濾波器幾乎適用於智能手機的所有接收頻段，TX SAW濾波器一般用於的頻段有n41、B41、B40、B1、B5、B7、B8、B39、B28。

TC-SAW濾波器用於頻段B2、B3、B28、B8。IHP-SAW濾波器是村田的高端特有工藝，由於手機旗艦機對濾波要求高，用來跟BAW濾波器來爭搶市場，應用於頻段n41、B40、B41以及WiFi。

BAW濾波器

BAW濾波器也是跟SAW一樣，是窄帶帶通濾波器，一般應用於高頻段。BAW濾波器成本高，但性能好，用於手機旗艦機的n41、B40、B3以及WiFi頻段。也很好地滿足了5G頻段n42、n52的需求。隨着手機開放4.9GHz頻段，為了防止5.8G WiFi頻段的信號干擾，也會採用BAW濾波器技術。

IPD濾波器

因其IPD技術和生產工藝本身的原因，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

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。由於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於比較獨立的頻段，或者跟其他頻段相隔比較遠。

LTCC濾波器主要應用於手機、Cat.1、NB-IoT、5G基站和等消費類電子。因為寬頻，n77/78/79頻段只能採用LTCC濾波器。5.8G WiFi帶寬比較寬，一般採用LTCC濾波器，以後WiFi6 E，更只能採用LTCC濾波器。

國產濾波器發展的幾點思考

瞭解了濾波器從哪裏來，應該到哪裏去，國產濾波器的發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，又緊密關聯到EDA、設計和封裝。做濾波器是一個完整的系統工程，這個系統工程又不是一個標準化流程，更多的是定製化。

由於個人對國產濾波器的盡調和認知有一定的侷限性，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濾波器的過渡階段

市場有一種説法：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最便宜。

不管如何，市場錯位競爭只是國產濾波器的過渡階段，國產濾波器的發展需要這個階段。產品要驗證，EDA要成熟，工藝要摸索和完善，技術要升級，必須通過產品在市場上跑起來，國產濾波器整個系統工程才能運轉起來和不斷優化。

市場也有一個認識和接受國產濾波器的過程，不能一開始就追求高性能，上高端產品。更不能認為Q值高就是高端濾波器，Q值對實際濾波效果影響倒不大，濾波器中的Q表示品質因數，定義Q=中心頻率÷濾波器帶寬。對於濾波器，Q值越高，意味着帶寬越窄；Q值越高，其頻率響應的波形就顯得越尖鋭。

2、國產濾波器因工藝而選擇不同運營模式

選擇LTCC工藝來做濾波器，那就只有IDM模式。

選擇SAW工藝來做濾波器，有IDM模式和fabless模式，全球能做SAW濾波器代工的企業很少，聽到比較多是Wavetek、WIN、NJRC。但產能有限，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，需要濾波器企業自己開發適合自己工藝的EDA軟件。所以對SAW濾波器，建自己的生產線是更好選擇。國內SAW濾波器一般是4英寸線，據説40KKpcs/M產能，需要投資2億元，這是國內創業公司可以承受的。

另外，目前國內SAW濾波器設計能力還比較低，產品都處於低端，這一塊的價格又殺的很厲害。沒有自己的生產線，成本上很難有競爭力。

而對於BAW濾波器就不一樣了，前面介紹過，BAW工藝比SAW工藝複雜很多，採用的MEMS製造工藝也非常符合現有的IC製造工藝。如果建設8英寸的MEMS工藝製造線，那資金投入將比SAW工藝高多了（SAW最大6英寸）。BAW的研發週期會比SAW更長，要規避的國外專利也更多，技術上需要很長時間去積累和突破。作為一個創業公司來説，沒有能力去維護一個工廠的運營。所以，更理性地來看，國內的BAW濾波器企業都集中到晶圓代工廠去調試工藝和產線，幫助晶圓廠工藝成熟，最後把EDA軟件也一起完善成熟，最後比拼的就是各自濾波器企業的設計能力。

3、對國產濾波器產業堅守長期主義價值觀

在射頻前端裏，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，需要根據每次的流片測試結果來修改電路和不斷調試。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，需要反覆的摸索和修正。

這就導致每設計一款濾波器產品需要很長的時間，如果考慮到創新，繞過國外的專利版權，那時間就更長了。所以，要把國產濾波器做起來，必須要堅守長期主義價值觀。

結語

國產濾波器要做好，需要更多優秀的專業人才參與其中。從EDA軟件開發，到濾波器設計，再到材料和工藝的研發，每一步都需要踏踏實實走下來。歡迎有志之士一起加入，改寫國產濾波器的未來。

前途是光明的，道路是曲折的。戒急戒躁，砥礪前行！

作者：

鍾林，晉江三伍微電子有限公司

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