射频前端分立方案长尾市场下,如何打破国产SAW滤波器桎梏?

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集微网消息(文/朱秩磊)近年来,5G渗透率的不断提升通推动射频前端芯片成了移动智能终端中最为关键的器件之一,全球射频前端市场迎来快速扩张,而国产射频前端产业也在国内终端市场及国产替代的推动下成为近几年半导体行业最为火热的领域之一。在射频前端不断模组化、集成化、小型化趋势下,射频前端中价值量最高的滤波器领域成为国内企业亟待攻克的钢筋铁骨。

我国滤波器处于刚刚起步阶段,作为当前终端应用中最主流的滤波器,SAW和BAW在国内的发展都受到诸多限制。例如SAW滤波器的短板主要在于产能不足、品质控制/良率尚有差距、配套上下游产业链能力不足,尤其是上游核心材料钽酸锂(LT)、铌酸锂(LN)晶体压电衬底,被住友化学、信越化学等日系企业垄断,因而整体市场被Murata、TDK、太阳诱电等几家日本厂商占据95%以上份额,大部分国内企业只能陷入低端SAW滤波器的价格战。

与此同时,随着市场对高性能滤波器的需求日渐增长,国际龙头加大高性能的TC-SAW、I.H.P. SAW以及BAW滤波器等产品的研发力度,并通过专利壁垒与竞争对手的差距越拉越大。惟共赢者进,惟创新者强,国内企业若无法破解这些技术、商业上的瓶颈,国产滤波器产业将无法真正实现健康良性发展,陷入依靠融资才能存活的怪圈。

智能手机市场风云变幻,两极化趋势推动滤波器需求变革

作为滤波器最大的应用市场,智能手机产业链自2022年以来共同经历了需求低迷和库存挑战。在这一年多里,经历俄乌/巴以/非洲地区冲突、后疫情时代、美国对华科技出口管控升级、全球经济疲软等诸多外部环境影响后,全球智能手机市场呈现出更为复杂的发展态势。

首先,市场下滑势头有所减缓,产业出现复苏迹象。Canalys的最新研究显示,全球智能手机市场在2023年第三季度小幅下降1%至2.934亿部,多家供应商在第二季度的库存水平良好后推出了新机型,华为和苹果在第三季度发布的新品重新为智能手机市场注入了活力。

其次,不同地区市场需求及品牌的策略差异,使得全球智能手机市场出现两极化的发展趋势。

一方面,苹果、华为、OPPO等正加强其高端细分市场产品。华为凭借其备受瞩目的Mate系列有望重新回归顶级玩家;苹果在iPhone 15系列加强了更新幅度以支持该品牌在高端市场的统治力;三星和OPPO则通过新款折叠屏手机展示了占领全球可折叠市场的雄心壮志。可以说,产品竞争力再次成为高端市场增长的关键,而这些均得益于消费者仍然愿意为提供有吸引力的价值主张的产品付费,特别是高端机型刺激了消费。 

另一方面,智能手机的长期市场增长仍然受到主要市场更换周期延长的制约,今年第二季度仅非洲和中东市场表现出了极大的增速,而更专注新兴市场的小米和传音也在第三季度保持了上一季度的强劲表现,是前五大智能手机品牌中唯一实现增长的品牌。

因此集微咨询(JW Insights)分析指出,尽管2024年智能手机市场将逐步复苏,但全球市场空间将维持在12亿部上下的水平,增量市场主要来自拉美、非洲、中东等欠发达地区。为此,采用射频前端分立方案的中低端手机市场份额稳固,对于射频前端模组、滤波器的成本、小型化的要求或将更高,这为SAW滤波器市场带来了广阔的成长空间,并且其微型化、高可靠、低成本和集成化是大势所趋。根据Yole数据,2023年全球蜂窝通信中滤波器市场规模达到88.5亿美元。其中SAW滤波器仍然占最大份额,占比61%,市场规模达54亿美元;BAW滤波器占比34%,市场规模为30亿美元。2027年,整体滤波器市场规模将超过100亿美元。

不难发现,SAW滤波器在4G和5G时代都会是最主要的滤波器,在未来数年内仍将占据大部分的市场份额,但是从4G到5G的升级迭代对射频前端器件带来巨大的挑战,更对SAW滤波器性能提出了进一步升级的需求。

首先,通信频率提高,频段数量、频段带宽进一步增加,对滤波器支持的频段数量、带宽都带来更高要求。5G通信最高频率从2690MHz提高到5000MHz,需要射频前端器件引入新的工艺和封装形式以满足高频应用。通信频段数量从4G时代的40多个到5G时代的90多个,带来了新的产品需求,比如n77/n78/n79频段需要新兴的L-PAMiF和L-FEM产品,均需要具有信号接收功能;另一方面,频段带宽从4G时代40-60MHz提升到5G时代的100-200MHz,5G传输带宽从4G的300MHz提升到900MHz、最高达到1000MHz,对信号发射端尤其是PA模组的设计带来新的挑战。

其次,MIMO、载波聚合(CA)、高阶调制等更多功能的应用使射频前端系统的设计愈加复杂。MIMO增加了对天线切换开关的要求,使Rx通路数量翻倍,相应的射频前端增量翻倍;载波聚合引入双连接技术,对天线切换和射频前端线性度、干扰控制的要求极其苛刻,对滤波器(尤其多工器)、天线开关的需求量及性能要求提升;高阶调制也对PA和LNA带来更高的线性度、滤波器更高的信噪比以及开关更高的隔离度要求。

最后,Phase 8方案、低压L-PAMiF、5G Redcap等概念兴起,或将对射频前端模组架构带来进一步变革。伴随着5G方案的不断演进,Phase 8方案缩小了国内厂商与国外厂商的差距,为国产突破带来新的契机,其中Phase 8L方案将Low Band与Mid/High Band通路进行了合并,一颗芯片覆盖Sub-3GHz全频段,减少了方案面积,也降低了方案实现成本,使得射频模组化有望向低端市场下沉。另外,国内射频玩家推动的低压版本L-PAMiF,可以降低智能手机产品对升压电源管理芯片的需求,从系统整体方案上优化了成本,也受到了许多终端客户的青睐,这些变化需要对射频前端模组中成本占比极高的滤波器提升国产化率,并优化成本。

上述设计挑战使得射频前端中各组件用量大幅提升,尤其滤波器增长幅度最大,同时为了适应未来高频、宽带化的要求,需要其向小型化、高频化、高功率、大带宽以及多工器等进一步发展。由于SAW滤波器更适用于低频频段,BAW滤波器更适用于高频频段,因此如何有效提高SAW滤波器处理高难度频段的能力,达到类似于BAW滤波器的性能表现,成为了学术界和产业界的共同目标。

2017年IEEE国际超声波研讨会(IUS)上,日本村田薄膜体工程部的科学家团队首次提出了超高质量表面声波滤波器I.H.P. SAW,这一项创新意义非凡,真正意义上推动了射频滤波器行业的发展。村田在随后的2019年实现了I.H.P. SAW滤波器的量产,它具有新颖的多层结构(钽酸锂/二氧化硅/氮化铝/硅衬底),表现出极高的品质(Q)因数、较低的频率温度系数(TCF)和优化的机电耦合系数(K2),并成功应用到了索尼Xperia XA2 Ultra和华硕ZenFone 4 Pro等智能手机。此后I.H.P. SAW滤波器成为未来发展的重要方向。

从全球滤波器市场竞争格局来看,射频滤波器产业被日美国企业寡头垄断,占据全球绝大多数滤波器市场份额,国内SAW滤波器的自给率仅约10%左右,尤以中低端产品为主。并且,BAW滤波器的核心专利集中在欧美企业旗下,SAW滤波器的材料和工艺专利又牢牢把握在日企手中,后发的滤波器设计思路想走通困难重重。幸运的是,SAW滤波器的专利竞争布局集中在2000年至2005年,考虑到专利的保护期为20年,近些年专利保护逐渐结束,国内厂商有望加速SAW滤波器的技术研发和实现规模化生产。

自材料到器件,三安集成滤波器全产业链能力赋能射频前端生态链

随着射频前端模组化成为未来竞争主场,滤波器的重要性与日俱增。当前国产的开关、PA、LNA、天线等均已发展得较为成熟,唯独小型化、可集成的高质量SAW滤波器资源,不仅成为射频前端模组设计中的稀缺资源,同时也是国产射频前端模组当前最为突出的短板所在。面对国内有海量市场而国产率很低的窘境,打破国外技术封锁与市场壁垒,加快滤波器国产化的进程刻不容缓。

从滤波器研发到制造的全产业链过程来看,其在材料、EDA工具和仿真能力、工艺制造能力、封测等个环节的技术挑战均对实现高Q值、低带内插损的优质SAW滤波器起到重要影响,如果不能突破这些环环相扣的瓶颈以及商业壁垒,我国SAW滤波器产业也将长期被局限在低端市场。而要从中突围,具备自主设计和工艺能力的垂直整合平台至关重要。

三安集成作为中国领先的射频前端解决方案与器件制造平台,将多年化合物半导体制造经验延续至SAW/TC-SAW滤波器领域,拥有滤波器全产业链的研发和制造能力,具备从高质量4寸钽酸锂衬底生产,滤波器设计,器件级CPS、小型化、晶圆级WLP封装测试的滤波器全产业链的研发和制造能力,目前在日本设立了研发中心,并在福建厦门和泉州南安建立了滤波器全产业链设计与制造基地,在衬底材料、器件设计、芯片制造封测和终端应用领域都走到了行业前沿,为射频前端架构提供从分立式到集成化的灵活方案提供了充分的竞争优势。

首先,压电材料能力。SAW滤波器主要使用LT/LN衬底(钽酸锂、铌酸锂压电材料),现阶段日系企业占据该领域全球市场份额的90%,拥有渠道和技术优势。三安集成于2016年开始逐步投产超薄化、超平坦化的高质量4英寸LT衬底,在长晶,衬底片居里温度控制、切面角度精准度、面内一致性、平坦度、还原晶片明度和色差控制、还原衬底-黑化均匀性、晶圆洁净度等方面均实现了与日系厂商媲美的性能指标。同时三安集成已在提升衬底质量和性能方面已通过多项相关衬底工艺专利,突破了日系企业在压电材料领域的垄断并已得到广泛应用和验证,为后续高品质滤波器芯片研发生产奠定了坚实的基础。

值得一提的是,在压电材料领域,三安集成在晶安光电组织的衬底研发团队制定了钽酸锂、铌酸锂还原单晶晶片、明度和色差技术要求及测量方法,并牵头中电26所、无锡好达、中电55所、成都泰美克等14家国内材料单位制定了LT和LN中国行业标准;以及IEC 62276-用于SAW器件应用的单晶晶片–规格和测量方法国际标准。国内团体标准在今年通过了专家评审并于6月13日发布公告,国际标准预计也将在年内获通过。

其次,是滤波器设计和工艺开发能力。三安集成早在2017年就在日本成立了国际先进水平的滤波器研发中心,通过整合全球滤波器研发高端人才,全面掌握了滤波器设计、工艺开发和高端封装的研发能力。在产品类型上,SAW和TC-SAW滤波器产品线已经涵盖FDD/TDD主流频段,产品性能达到国际先进水平,支持的频段不断增加;在产品尺寸上,三安集成滤波器裸芯最小达3*3mm,双工器当前尺寸为1814(1.8*1.4mm),即将推出1612规格,四工器规格也将从当前的2520演进至2016。

另外,在射频前端市场驱动及国产替代趋势下,单一均质压电材料的声表器件(普通SAW,N-SAW)技术愈加成熟。普通SAW声表器件的局限性也日益凸显,即温度稳定性表现差、Q值低和器件散热差而导致的最大输入功率偏低等因素使得普通SAW器件在性能和应用场景方面比较受限。随着I.H.P. SAW滤波器成为高端SAW滤波器开发重要方向,今年9月,三安集成基于自研键合多层压电衬底技术,在新材料及新建模的基础上,在国内率先推出了前沿领域的HP-SAW滤波器系列产品,在Q值、TCF、K2等关键指标上均实现了优异表现。以Band8 1612(PN: PBD0943G23)为例,该产品在低边带可以达到0ppm/℃的温漂参数,高边带对比上一代TC-SAW产品,大幅优化至-17ppm/℃,插损和隔离度特性也显示出比前代工艺更明显的优势。为了支持客户在海外市场的业务拓展,三安集成同步推出基于自主HP-SAW技术的双工器,适配海外市场。

综合而言,HP-SAW工艺可以帮助客户实现低插损、高隔离度的设计要求,并具备向小延伸至1411尺寸的超小型化可能性。而三安集成得以在国内率先进入这一前沿领域,正是得益于其在材料方面的优势。

最后,是先进封装能力。对SAW滤波器而言,由于其空腔结构形成于封装阶段,滤波器的性能和可靠性更多的依赖于封装技术;SAW滤波器的微型化、高可靠、低成本和集成化是大势所趋,其中微型化对于降低成本至关重要。滤波器微型化一般通过以下三种途径:(1)优化滤波器设计,缩小芯片本身的面积;(2)通过改善滤波器器件的封装形式以使滤波器和多工器尺寸大幅度缩小,目前滤波器封装方式已从传统的金属封装改为采用先进的新型封装技术,如包括晶圆级封装(WLP)、裸片级声表封装(DSSPTM)、薄膜声学封装技术(TFAPTM)、CuFlip封装技术等;(3)通过把不同功能的滤波器封装形成模组,以降低占用PCB的面积。

三安集成目前具备了成熟的微型化滤波器CSP封装能力,模组方案所需的晶圆级WLP封装也已启动交付,可为客户提供不同需求的轻薄短小、高性能、高可靠性的封装解决方案,在保障交付能力的同时,还能优化客户在晶圆厂和封装厂之间生产效率,加速三安客户群体的产品迭代速度。

凭借上述垂直整合优势,三安集成迅速形成了N-SAW、TC-SAW、HP-SAW产品技术布局,并成为国内首个能全套提供Phase V NR架构所需四工器和双工器产品的滤波器企业,标志着三安集成进入国内滤波器行业前沿,并具备了频段齐全、产品一致性高、工艺成本优化等竞争优势。截至目前,三安集成射频业务已赢得数十家国内外终端和模块设计厂商的认可,滤波器产品单季度出货突破100KK颗。

下一步,三安集成将在产能扩张、产品规划、工艺完善方面进一步加大投入,以持续提升公司竞争力。产能方面,三安集成在厦门和泉州南安工厂规划了750Mu/月的产能,以满足持续增长的国内外客户需求。产品方面,三安集成将持续发挥衬底端领先优势,开发高性能材料,确保滤波器供应链和客户端交付稳定;其次,贴合市场需求,三安集成将推出更完善的、小型化的产品型谱,提升TC-SAW, HP-SAW产品数量和质量,升级产品结构;另外,不断完善WLP/BDMP等先进封装工艺布局,支持客户的定制化、模块化开发,提升高端市场的竞争力。

结语

未来,三安集成将持续投入材料研发,提升工艺能力,完善滤波器产品布局。与此同时,随着公司射频前端供应链逐步完善和成熟,三安集成将在成熟的砷化镓射频代工制造平台的基础上,结合一体化垂直整合的滤波器研发制造能力,打造射频前端全方位解决方案,为全球通讯市场提供可靠的制造服务和高品质的产品,赋能射频前端生态链,加速实现万物互联的愿景。

中国滤波器行业发展,正处在多歧路的状态,可以预见前方还将会遇到更多艰难险阻。今天的选择,将决定企业未来能达到的高度。三安集成滤波器业务将继续以衬底材料为基础,以市场需求为导向,为客户提供稳定的工艺制程制造能力和强大的供应保障,公司也将凭借产业一体化优势成长为国内射频前端领域龙头企业。(校对/纪川)

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